DE3100245A1

DE3100245A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontinuierlichen zuechten von kristallinen oder halb-kristallinen bandaehnlichen koerpern aus einer schmelze

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Publication number: DE3100245A1
Application number: DE19813100245
Authority: DE
Inventors: Emanuel M. 02178 Belmont Mass. Sachs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-07
Filing date: 1981-01-07
Publication date: 1982-01-14
Also published as: FR2473072A1; IL61852A; IT1143254B; DE3100245C2; IT8167008A0; GB2135594A; GB2067920A; GB2135595B; GB2135594B; GB8400735D0; GB2067920B; FR2473072B1; CA1169336A; GB2135595A; GB8400734D0

Description

Emanuel M. Sachs
Belmont, Massachusetts o2I78, V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Züchten von kristallinen oder halb-kristallinen bandähnlichen Körpern aus einer Schmelze

Die Erfindung betrifft das kontinuierliche Züchten von kristallinen Körpern aas einer Schmelze, insbesondere ein System zum automatischen schnurstabilisxerten Bandzüchten.

Die Anmeldung ist eine "Continuation-in-part" der US-Patentanmeldung Serial No. 109 865 vom 7. Januar 1980 mit dem Titel STRING STABILIZED RIBBON GROWTH (Schnurstabilisierte Bandzuchtung).

Eine der wichtigsten Anwendungen für das Kristallzüchten liegt im Bereich des Halbleitersubstratmaterials. Dieses Substratmaterial ist in Bandform verfügbar, wobei Bänder aus grosskörnigem mehrkristallinem oder einzelkristallinem Material gezüchtet werden. Die für gewöhnlich aus Silicium

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bestehenden Bänder finden eine weite Anwendung in der Halbleiterindustrie und eignen sich insbesondere gut zur Anwendung als Solarzellensubstrate.

In der Literatur sind einige Prozesse für das Züchten von kristallinen Bändern aus einer Schmelze beschrieben. Bei einem Prozess wird die Kapillarwirkung angewendet zur Zuführung des geschmolzenen Materials nach oben durch eine Form, die zum Formen des gerade gezüchteten Bands verwendet wird. Zur Steuerung dieses Prozesses müssen gesteuert werden: das Entfernen von Wärme von der Bandoberfläche, die Zuggeschwindigkeit, die mittlere Formtemperatur und die genaue Temperaturverteilung über der gesamten Form, insbesondere an den Rändern. Diesem Prozess fehlt hauptsächlich die Züchtungsstabilität, da die Stellung der Ränder des Bands schwer zu kontrollieren ist und das Band häufig an die Form "friert", wenn die Temperatur oder eine andere Züchtungsvariable momentan schwankt.

Ein bei dieser Technik anzutreffendes zusätzliches Problem besteht darin, dass das gesamte nach oben durch die Form fliessende Material in das verfestigte Band eingebaut wird. Da dieses Material Verunreinigungen aufweist, kann im verfestigten Band ein unannehmbares Verunreinigungsniveau bestehen. Wenn dagegen ein Band unmittelbar aus einer Schmelze gezogen wird, neigen die Verunreinigungen dazu, sich an der Grenzfläche zwischen der Schmelze und dem verfestigten Band derart zu entmischen, dass sie zurück zur Schmelze abgewiesen werden und nicht in das verfestigte Band eingebaut werden. Da die Verwendung einer Form eine derartige Entmischung von Verunreinigungen teilweise verhindert, ist das unmittelbare Ziehen eines Bands aus einer Schmelze ein bevorzugter Prozess.

Die US-PS 3 129 061 beschreibt einen weiteren Prozess für das Züchten eines Bands, der als dendritischer Bandzüchtungsprozess bezeichnet wird. Bei diesem Prozess werden

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Dendriten, die aus demselben Material wie das Band bestehen, in Schmelze gezüchtet, die zur Stabilisierung der Bandrandstellung an den Bandrändern unterkühlt ist. Das Hauptproblem bei dieser Technik ist der hohe Grad an Temperaturkontrolle, der zum Aufrechterhalten des dendritischen Züchtens an den Bandrändern benötigt wird, während das herkömmliche Züchten längs der "Bahn" des Bands beibehalten wird, vgl. auch "Thermal Analysis of Solidification in Web-Dendritic Ribbon Growth", von Harrill, Rhodes, Faust und Hilborn, Journal of Crystal Growth, Band 44, Seiten 34-33, 1978. Andere dendritischen Bandtechniken sind in den US-PS 3 298 795, 3 031 403 und 3 370 927 angegeben. Die letzte Patentschrift ist auf das unter einem Winkel erfolgende Ziehen von kontinuierlichen dendritischen Kristallen gerichtet,

Als weiterer Hintergrund sei eine Technik für das Züchten einer Matrixstruktur aus Silicium angegeben in einem Artikel von Theodore F. Ciszek und Guenter H. Schwuttke mit dem Titel "Inexpensive Silicon Sheets for Solar Cells", NASA Tech Briefs, Winter 1977, Seiten 432-433. Bei dieser Technik wird ein Graphitsieb in ein flüssiges Siliciumbad getaucht und dann aus diesem gezogen. Dies erzeugt eine gemusterte Folie oder einen Film aus flüssigem Silicium, das sich im Sieb verfestigt zur Erzeugung einer strukturierten halbkristallinen Zusammensetzung. Die von Ciszek et al beschriebene Technik ist keine Kristallzüchtungstechnik, da Silicium als erstes durch die Kapillarwirkung des Graphitsiebs eingefangen und dann solange gehalten wird, bis es sich verfestigt. Dies weicht von der Bandzüchtung aus einer Schmelze ab, bei der die Kristallisation ander Oberfläche der Schmelze erfolgt, wenn das Band abgezogen wird. Bei der Bandzüchtung bestehen im allgemeinen Korngrenzen senkrecht zur Ebene des Bands, während die Technik nach Ciszek et al zufällig ausgerichtete Korngrenzen erzeugt, die als zufällige Trägerfallen für Verunreinigungen wirken. Dies erzeugt Vorrichtungen, die in ihrem Leistungsverhalten weniger gleichmassig sind. Die Technik nach Ciszek et al ergibt auch un-

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erwünscht kleine Korngrössen und eine ungleichförmige mittlere Bahn, die durch die Gitterstruktur gestört wird. Durch die Verwendung des Gitters ist das Produkt nach Giszek et al keine ebene Folie. Wenn das in das Halbleiterband eingebettete Gitter nicht sehr genau plaziertwird, können Kurzschlüsse von pn-Verbindungen durch Diffusion auftreten.

Bezüglich der bisherigen Kristallzüchtungsöfen wird auf die US-PS 3 639 718 und 3 865 554- hingewiesen. Diese beiden Patentschriften beschreiben Öfen für ein chargenweises Kristallzüchten unter Anwendung des Verfahrens nach Ozochrlaski. Diese Öfen sind für Prozesse ausgelegt, die während des Kristallziehens eine kritische Überwachung benötigen und nicht für ein kontinuierliches Bandzüchten ausgelegt.sind oder sich dafür eignen. Im einzelnen sind diese Öfen so ausgelegt, dass sie die Kristallzüchtung bei auf +O,i C aufrechterhaltenen Temperaturen ausführen, v/obei eine Sichtkontrolle und automatische Steuerung eine Voraussetzung zur Erzielung gleichmässiger Kristalleigenschaften sind.

Bei der Erfindung wird ein Band mit einer ungestörten mittleren Bahn unmittelbar aus der Schmelze gezüchtet, wobei die Handstellungen durch befeuchtete Schnüre oder Seile bestimmt und stabilisiert werden, die sich kontinuierlich parallel nach oben durch die Schmelze bewegen. Während des Bandziehvorgangs werden die Schnüre in das wachsende Band eingefroren. Diese Schnüre bestehen, anders als Dendriten, aus einem von der Schmelze abweichenden Material. Zum Beispiel werden bei der Züchtung von SiIieiumbändern Schnüre aus Graphit, Kohlenstoff, Siliciumcarbid oder Quarz bevorzugt und werden vorzugsweise durch die Schmelze befeuchtet. Die genannten Schnüre umspannen einen derartigen Bereich von Befeuchtbarkeiten, dass die an den Schnüren haftende Materialmenge variieren kann und trotzdem eine in das Band eingefrorene Schnur ergibt.

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Bei diesem Prozess mit schnurstabilisierter Züchtung (string stabilized growth = SSG) ist die Form eines durch die Oberflächenspannung kontrollierten Meniskus begrenzt: an der Unterseite durch die Schmelze, an der Oberseite durch die Grenzschicht mit dem in Züchtung befindlichem Kristall und an den Rändern durch die befeuchteten Schnüre. Die beim Prozess zu kontrollierenden Parameter sind: die Ziehgeschwindigkeit, die Rate der Wärmeabfuhr von den Bandflächen und die durchschnittliche Schmelzentemperatur. Auf Grund der durch die Kapillarität eingeführten Randdefinierung muss keine genaue Kontrolle der Temperatur der Schmelze an den Bandrändern gegenüber der Bandmitte eingehalten werden.

Wach der Erfindung können schnurstabilisierte Bänder über einem weiten Bereich von Winkeln gegenüber der Schmelzenoberfläche gezüchtet werden. Die Züchtung unter einem verhältnismässig geringen Winkel zur Schmelze hat den Hauptvorteil einer Zunahme der Fläche der Verfestigungsgrenzschicht, wodurch die maximal mögliche Züchtungsgeschwindigkeit erhöht wird.

Das kontinuierliche Einführen der Schnur kann durch eine Anzahl von Techniken ausgeführt werden. Bei einer Ausführungsform ist ein Schmelztiegel mit kleinen Öffnungen in seinem Boden vorgesehen, durch die die Schnüre eingeführt werden, wobei die Oberflächenspannung der Schmelze für gewöhnlich ausreicht, um der durch Schwerkraft bedingter. Druckhöhe entgegenzuwirken, um das geschmolzene Material im Schmelztiegel zurückzuhalten und Leckverluste durch die Öffnung zu verhindern. Durch Schwerkraft erzeugte Leckverluste können alternativ durch Gasdruck oder durch elektromagnetische Kräfte verhindert werden, die "um Ausgleichen der durch Schwerkraft erzeugten Druckhöhe der Flüssigkeit angewendet werden.

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Die Verlagerung von Verunreinigungen von den Schnüren in die Schmelze wird kontrolliert entweder durch Minimieren der Zeit, während welcher die Schnüre in der Schmelze eingetaucht sind, oder durch Einfrieren der Schmelze um die Schnüre, wenn sie in die Schmelze eindringen, wodurch die Verunreinigungen eingefroren und auf die durch die Schnüre eingenommenen Bereiche begrenzt werden. Die Einfriertechnik ist ausführbar durch Leiten von elektrischem Strom durch die Schnüre quer durch die Grenzschicht zwischen der Schnur und der Schmelze, und durch die Schmelze zur Bildung einer Peltier- oder Thermoelementverbindung zwischen der Schnur und der Schmelze zur Erzielung einer lokalisierten Peltier-Abkühlung.

Anders als bandformende Systeme, die beim unmittelbaren Ziehen eines Bands aus einer Schmelze eine Form verwenden, wird ein wesentlicher Anteil der in der Schmelze enthaltenden Verunreinigungen während des Verfestigungsvorgangs zurück in die Schmelze abgewiesen, da die Verunreinigungen aus dem Band ausgefroeren werden, wenn sich das Band an der Grenzschicht Schmelze-Band verfestigt.Sollte dies bei einem System ohne Hachfüllung während einer beliebigen Zeitdauer stattfinden, so nimmt die Konzentration an Verunreinigungen in der Schmelze zu.

Als Teil der Erfindung wird die Verunreinigungskonzentration der Schmelze am Ort der Kristallzüchtung minimiert durch elektromagnetisches Umrühren und Entfernen der Schmelze zur Verringerung der Verunreinigungskonzentration im Band. Bei einer Ausführungsform erfolgt das Minimieren der Menge an aus der Schmelze in das Band eingeführten Verunreinigungen durch Aufrechterhalten einer konstanten Strömung an Schmelze senkrecht zur Ebene des in Züchtung begriffenen Bands. Dies ermöglicht ein durch Konvektion und Diffusion erfolgendes Wegbewegen der Verunreinigungen, die an der Züchtungsgrenzschicht abgewiesen werden. Auf Grund der an der Züchtungs-

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grenzschicht erfolgenden Entmischung von Verunreinigungen, die die Verunreinigungen statt im Band in der Schmelze konzentriert, verringert das kontinuierliche Ablassen oder Entfernen von Schmelze die Verunreinigungskonzentration im Band. Das Ablassen eines Teils der Schmelze verringert die Verunreinigungskonzentration in der im Schmelztiegel enthaltenen Schmelze und ergibt somit eine geringere Verunreinigungskonzentration im verfestigten Band.

Ein verbesserter Ofen wird für die automatische und kontinuierliche Bandzüchtung vorgesehen, in dem eine strenge Temperatursteuerung oder Sichtkontrolle nicht erforderlich ist und in dem Temperaturänderungen bis zur Hohe von etwa 10° C toleriert werden können. Der Ofen ist mit einem von Pfosten getragenen Schmelztiegel versehen, wobei gewählte gegenüberliegende Pfosten mit Stiften versehen sind, die in radiale Schlitze im Boden des Schmelztiegels passen können zur Aufnahme der Wärmeausdehnung und -zusammenziehung des Schmelztiegels unter Beibehaltung der Winkelstellung. Ein zentrales Positionierrohr dient zum Festlegen der Mitte des Schmelztiegels innerhalb des Ofens. Bei einer Ausführungsform ist ein Thermoelement zweckmässig in einem Ende des Positionierrohrs angeordnet zur Überwachung der Temperatur des Schmelztiegels.

Durch das Unterteil des Schmelztiegels sind Heizstäbe angeordnet für einen wirksameren und besser steuerbaren Energieübergang zur Schmelze, als es bei den Schmelztiegel umgebenden herkömmlichen Heizelementen möglich ist. Bei einer Ausführungsform stehen die Heizstabenden mit Schiebesitz im Eingriff mit elektrischen Kontaktblöcken an beiden Seiten des Schmelztiegels, wobei der Schiebesitz die Wärmeausdehnung und -zusammenziehung der Heizstäbe aufnimmt. Darüberhinaus können Ungleichförmigkeiten des Temperaturprofils der Schmelze durch Ändern der Grosse und Form der einzelnen Heizstäbe korrigiert werden.

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Schnureinführungsrohre sind an den Schnureinführungsstellen im Boden des Schmelztiegels vorgesehen, um durch Kapillarwirkung jegliche Leckverluste an Schmelze an diesen Stellen zu verhindern. Zur Verhinderung des Einfrierens des geschmolzenen Materials innerhalb eines Rohrs ist das Rohr innerhalb des Schmelztiegels derart ausgenommen, dass der Bodenteil des Schmelztiegels das Rohr umgibt, wobei eine Erhitzung durch Übergang von Strahlungswärme von den umgebenden Schmelztiegelwänden erfolgt. Schnurpositionier- oder führungsrohre befinden sich unter dem Schmelztiegel ausgefluchtet mit den Schnureinführungsrohren zur Erleichterung der Schnureinführung.

Ein Schmelzenablaufrohr gestattet ein gesteuertes Entfernen oder Ablaufen von geschmolzenem Material, wenn die Schmelze nachgefüllt wird. Ein derartiges Entfernen wird gesteuert: bei einer Ausführungsform durch selektives Einfrieren und lauen der im Rohr befindlichen Schmelze, bei einer weiteren Ausführungsform durch Kapillarwirkung und bei einer weiteren Ausführungsform durch gesteuerte Saugwirkung.

Die Ebenheit des Bands kann beim abgewickelten Züchten durch ein mit geraden Rändern versehenes befeuchtetes Stabilisierungsglied in der Schmelze aufrechterhalten werden, das die Meniskusform derart steuert, dass ein Krümmen oder Biegen des Bands verhindert wird. Bei einer Ausführungsform mit geneigter Fläche, bei der die Schnüre senkrecht durch eine geneigte Fläche gezogen werden, längs welcher gepumpte Schmelze nach unten strömt, ist ein plötzlicher Wechsel der Strömungsrichtung vorgesehen, um ein Krümmen oder Biegen des Bands zu verhindern. Bei einer Ausführungsform wird die Schmelze durch elektromagnetisches Pumpen auf die Oberseite der geneigten Fläche gepumpt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

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Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bandzüchtungsprozesses nach dem Stand der Technik, bei dem zum nach oben erfolgenden Zuführen von geschmolzenem Material aus einer Schmelze eine Form verwendet wird;

Fig. 2 eine schematische Barstellung eines dendritischen Bahnzüchtungsprozesses nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform nach der Erfindung, bei der die Randbildung das Ergebnis der Anwendung von befeuchteten Schnüren oder Strängen ist;

Fig. 4- eine schematische Darstellung des Prozesses nach der Erfindung mit Anwendung eines Keimkristalls für den Beginn;

Fig.5A-5D schematische Darstellungen der Keimzüchtung unter einem Winkel gegenüber der Senkrechten für schnurgetragene Systeme;

Fig. 6 einen Querschnitt mit einer Darstellung eines Verfahrens der Schnureinführung, bei dem sich in der Schmelze eine mit einer Rolle oder dgl. arbeitende Richtungsänderungsvorrichtung befindet;

Fig. 7 einen Querschnitt eines v/eiteren Verfahrens der Schnureinführung, bei dem die Schnur in die Schmelze durch eine Öffnung im Boden des Schmelztiegels eingeführt wird, wobei die Schmelze durch Oberflächenspannung gehalten wird;

Fig. 8 einen Querschnitt der Schnurzuführung und Schmelzenrückhaltung unter Anwendung einer Druckkammer, um der Schwerkraft entgegenzuwirken ;

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Fig. 9 einen Querschnitt der Schnurzufuhrung und Schmelzenrückhaltung unter Anwendung von elektromagnetischen Kräften, um der durch Schwerkraft induzierten Strömung entgegenzuwirken;

Fig.10 eine schematische Darstellung des thermoelektrisehen Einfrierens der Schmelze, was ein Einfangen von Verunreinigungen an der Schnur ergibt;

Fig.11 eine schematische Darstellung der Verunreinigungskontrolle durch elektromagnetisches Umrühren in Verbindung mit dem Ablassen von Schmelze;

Fig.12 eine Schrägansicht einer Ausführungsform eines verbesserten Ofens zur Anwendung bei der schnurstabilisierten Züchtung eines Bands;

Fig.13A-13F eine auseinandergezogene und teilweise sowie vollständig zusammengebaute Ansicht der Schmelztiegelanordnung für den Ofen von Fig. 12;

Fig.14 einen Teilschnitt der ßchnureinführungs- und Bandziehvorrichtung ;

Fig.15 einen Querschnitt eines Schnurpositionierrohrs für den Ofen von Fig. 12;

Fig.16 eine schematische Darstellung eines Heizstabs und Verbindungsblocks für den Ofen von Fig. 12;

Fig.17 einen Querschnitt eines Schnureinführungsrohrs, das von den Schmelztiegelwänden umgeben ist, um ein Einfrieren der Schmelze im Schnureinführungsrohr zu verhindern;

Fig.18 bis 20 Meniskuskontrollflansche zur Verhinderung des Kriechens des Meniskus;

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Fig.21 einen Querschnitt einer Saugsteuerung für das Entfernen von Schmelze;

Fig.22 eine schematische Darstellung der Anwendung eines Kapillarrohrs für die Steuerung des Entfernens von Schmelze;

Fig.23 eine schematische Darstellung der Bedingungen für das senkrechte Kornzüchten;

Fig.24 und 25 schematische Darstellungen der Bedingungen für ein abgewinkeltes Züchten mit einer Darstellung der Messung der lieniskushöhe und -krümmung;

Fig.26 eine schematische Darstellung des wannenförmigen Ansprechens des Bands auf das abgewinkelte Züchten;

Fig.27 eine schematische Darstellung der Wirkung auf die Bandebenheit auf Grund von Änderungen der Meniskusradien ;

Fig.28A und 28B schematische Darstellungen der Wirkung der Zwischenschaltung einer Stabilisierungsvorrichtung in der Schmelze zur Förderung des ebenen Bandzüchtens;

Fig.29 eine schematische Darstellung eines befeuchteten Stabilisierungsglieds zur Verhinderung der Bandkrümmung oder -biegung während des abgewinkelten Züchtens;

Fig.3OA und 3OB eine Darstellung der Befestigung des unteren Meniskus am befeuchteten Stabilisxerungsglied;

Fig.31 einen Querschnitt und eine schematische Darstellung einer mit geneigter Fläche arbeitenden Bandzüchtungstechnik, bei der eine gesonderte geneigte Fläche verwendet wird;

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Fig.32 einen Querschnitt und eine schematische Darstellung einer mit einer geneigten Fläche arbeitenden Bandzüchtung stechnik, bei der die geneigte Fläche integraler Bestandteil des Schmelztiegels ist;

Pig·33 einen Querschnitt und eine schematische Darstellung der mit geneigter Fläche arbeitenden Züchtungstechnik mit einer Darstellung der Strömungsunstetigkeit zum Ermöglichen einer ebenen Bandzüchtung;

Fig.34- einen Querschnitt und eine schematische Darstellung eines Heils von Fig. 33 mit einer Darstellung des Bereichs um die Strömungsunstetigkeit;

Fig.35 und 36 Querschnitts- und schematische Darstellungen zweier alternativer Verfahren zur Bildung von Strömungsunstetigkeiten der mit geneigter Fläche arbeitenden Züchtungstechnik von Fig. 31 und 32;

Fig.37 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Schmelzenpumptechnik in Anwendung beim Verfahren von Fig. 31.

Fig. 1 zeigt einen Prozess nach dem Stand der Technik für das Züchten eines kristallinen Bands unter Anwendung einer Form 10 aus beabstandeten Gliedern 11, die dazwischen einen kapillaren gefüllten Schlitz 12 bilden. Oberflächenspannungskräfte drücken geschmolzenes Material nach oben durch den Schlitz 12, wobei am Auslass 18 der Form ein Meniskus 16 aufgebaut wird. Bei dieserm Prozess des Aufbauens eines Bands muss eine Anzahl von Parametern so kontrolliert werden, dass das Band gleichmässig gebildet wird. Darüberhinaus umfassen weitere Nachteile bei der Anwendung einer Form die Schwierigkeit beim Erzielen einer Züchtungsstabilität auf Grund einer Versetzung der Randposition und der Unfähigkeit, während der Bildung des Bands Verunreinigungen in der Schmelze zu konzentrieren.

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Gemäss Fig. 2 wurde die Eandstabilität bisher durch Anwendung von Dendriten gefördert, die aus einem Keim 20 mit einem sich seitlich erstreckenden Teil 22 gezüchtet werden. Unter Anwendung geeigneter Züchtungsbedingungen, werden Randdendriten 24 zusammen mit einer sich dazwischen erstrekkenden mittleren Bahn 26 gebildet. Das seitliche Wachstum beginnt, wenn der Keim in eine Schmelze 28 getaucht wird, die an den Stellen unterkühlt ist, an denen die Dendriten gezüchtet werden sollen. Bei einer Ausführungsform besteht die Schmelze aus flüssigem Silicium. Bei Beginn des Ziehens wachsen zwei koplanare Dendriten ausgehend von den Enden des Keims nach unten in die Schmelze. Zur Bildung der Bahn wird die Schmelze zwischen den Dendriten durch Oberflächenspannung nach oben gezogen. Die Verfestigung der Bahn erfolgt oberhalb der Schmelzenoberfläche, während die Dendriten unterhalb der Oberfläche wachsen, wobei die Züchtung der Dendriten eine Unterkühlung der Schmelze an den Bandrändern erfodert. Wie oben angegeben, liegt das Hauptproblem bei dieser Technik im hohen Grad an Temperaturkontrolle, die zum Aufrechterhalten des dendritischen Züchtens an den Bandrändern benötigt wird, während längs der Bandbahn ein herkömmliches Züchten aufrechterhalten wird.

Im Gegensatz zu den bisherigen Techniken von Fig. 1 und 2 bildet die Erfindung gemäss Fig. 3 einen dünnen verhältnismässig breiten kristallinen Körper 30, der unmittelbar aus einer Schmelze 32 desselben Materials gezüchtet wird, wobei die Bandränder von durch die Schmelze nach oben gezogenen befeuchteten Schnüren 3^ begrenzt werden. Wenn das Band geformt wird, werden die Schnüre in das in Züchtung begriffene Band eingefroren, wobei ein dünner Film von Schmelze um die Schnüre 34- gefroren wird. Der mittlere Teil des Bands wird durch die kapillare Formwirkung des Meniskus 36 gebildet. Das in Züchtung begriffene Band oder die Bahn 38 ist zwischen den Schnüren enthalten und verfestigt sich an einer Grenzschicht 40. V/ährend gemäss Fig. 3 einen Fall darstellt, bei dem der Durchmesser der Schnur etwa gleich der

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Banddicke ist, kann dieselbe Technik zum Züchten eines Bands angewendet werden, dessen Dicke entweder grosser oder kleiner als der Durchmesser der Schnur ist.

Fig. 4 zeigt das Einleiten des Züchtungsprozesses. Ein Keim 42 mit daran befestigten Schnüren 34 wird in die Schmelze 32 abgesenkt, wobei eine Berührung erfolgt und ein Meniskus aufgebaut wird. Das Züchten wird dann durch Ziehen der Schnüre und des Keims nach oben eingeleitet. Die aus Keim und Schnur bestehende Einheit kann ein Teil eines vorher gezüchteten Band enthalten.

Die Züchtung des kristallinen Bands selbst wird nun im einzelnen erläutert. Die Züchtung einer dünnen Folie unmittelbar aus der Schmelze wird kontrolliert durch eine Kombination von geometrischen und thermischen Grenzwertbedingungen, was noch erläutert wird. Die geometrischen Grenzwertbedingungen v/erden durch die Meniskusgeometrie diktiert. Der örtliche Krümmungsradius des Meniskus längs der Fläche des Bands ist durch einen Ausgleich des durch Schwerkraft eingeleiteten Druckhöhe und des durch Oberflächenspannung eingeleiteten Druckabfalls über der Flüssigkeit-Gas-Grenzschicht bestimmt. Die an allen Punken des Bands mit Ausnahme in der Nähe der Ränder angewendete Laplace'sehe Gleichung ergibt:

wobei R der örtliche Krümmungsradius des Meniskus in einer zum Band senkrechten Ebene, γ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, f die Massendichte der Flüssigkeit, g die örtliche Schwerkraftbeschleunigung und h die Höhe eines Punkts über der Schmelzenoberfläche sind. Der Meniskus muss sich kontinuierlich an die Schmelzenoberfläche anschliessen, d. h. er muss an dieser eine Neigung vom Wert gleich Null haben. Zusätzlich muss der Meniskus den in

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Züchtung begriffenen Kristall unter einem speziellen Winkel treffen, der durch die Eigenschaften des gerade gezüchteten Materials gegeben ist. Dieser Winkel beträgt für Silicium etwa 11°.

Die Laplace'sehe Gleichung und die beiden Grenzbedingungen für den Meniskus können verwendet werden zum Auffinden eines Ausdrucks für die Meniskushöhe, d. h. die Höhe der Grenzschicht über der Schmelze, die für ein Züchten mit konstanter Dicke benötigt wird. Für das senkrechte Züchten von Silicium gilt:

Meniskushöhe =1,09 (2)

Ein ähnlicher Ausdruck kann für eine Bandzüchtung aus beliebigem Material unter einem beliebigen Winkel gegenüber der Schmelze gefunden werden.

Somit erfordert ein stetiges mit konstanter Dicke erfolgendes Züchten, dass sich der Meniskus selbst auf einem sehr spezifischen Niveau für jede Züchtungssituation bildet. Ein Meniskus, der höher als dieser Wert ist, führt zu einem Band mit abnehmender Dicke, während ein Meniskus, der niedriger als dieser Wert ist, zu einer zunehmenden Dicke führt.

Während der Meniskus die Änderungsrate der Banddicke bestimmt, bestimmen thermische Betrachtungen hauptsächlich die eigentliche Meniskushöhe. Ein luomeiitaui gültiger Energieausgleich muss an der Grenzschicht aufrechterhalten werden: zwischen der von der Schmelze aus nach oben zum Meniskus erfolgenden Wärmeleitung, der durch den sich verfestigenden Kristall an der Grenzschicht erzeugten Schmelzwärme und der von der Grenzschicht nach oben und durch das Band geleiteten Wärme. Die zum Meniskus hinaufgeleitete Wärme hängt von der Temperatur der Schmelze und der Meniskus-

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höhe ab. Die erzeugte Schmelzwärme hängt hauptsächlich von der Banddicke und von der Züchtungsgeschwindigkeit ab, während die aufwärts zum und durch das Band geleitete Wärme von der Banddicke und der Art der Wärmeabfuhr von der Bandoberfläche abhängt. Somit bildet das Erfordernis eines augenblicklichen Energieausgleichs an der Grenzschicht eine ziemlich komplexe Beziehung zwischen allen relevanten Züchtungsvariablen. Diese Beziehung diktiert in Verbindung mit den oben erläuterten geometrischen Überlegungen die Physik der Züchtung des Bands aus der Schmelze.

Der Prozess kann für im wesentlichen alle Ausbildungen als stabil gezeigt werden. Bei der stetigen Züchtung fixieren geometrische Erfordernisse, wie die Winkel der Meniskusbefestigung, die Krümmung der Meniskusflächen usw., die Meniskushöhe und folglich den den Meniskus hinauf erfolgenden Wärmestrom bei einer gegebenen Schmelzentemperatur. Somit wird die stetige Banddicke im Prinzip festgelegt durch Wechselwirkung der an der Grenzschicht erzeugten Schmelzwäre mit der hinauf und durch das Band geleiteten Wärme, wobei das System stabil reagiert zur Einstellung der Dicke des gezüchteten Bands,bis der richtige Wärmeausgleich erreicht ist. Diese Erläuterung findet Anwendung sowohl beim senkrechten Züchten eines Bands, als auch bei unter einem Winkel gegenüber der Schmelze erfolgenden Züchten.

Die Breite des Bands ist natürlich definiert durch die kapillare Befestigung an den Eandstabilisierungsschnüren. Diese Oberflächenspannungsbefestigung ermöglich einen grossen Bereich an zulässigen Temperaturen an den Bandrändern, da die Bandstellung nicht mehr hauptsächlich durch thermische Wirkungen bestimmt wird. Die Schnüre tragen auch in hohem Mass zur Stabilität des Bands bei, wenn es unter einem Winkel gegenüber der Senkrechten hergestellt wird.

Fig.5A bis 5D zeigen Querschnitte der Bandzüchtung unter verschiedenen Winkeln gegenüber der Schmelze.Diese in unge-

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fährem Masstab ausgeführten Zeichnungen gelten für ein Material mit einem Befestigungswinkel 0 des Meniskus am festen Material von 30°. Fig. 5A zeigt das senkrechte Züchten aus der Schmelze. Fig. 5B zeigt das Züchten unter 60° gegenüber der Waagerechten. Fig. ^C zeigt das Züchten unter 30° gegenüber der Waagerechten, Fig. 5D zeigt das Züchten unter 15° gegenüber der Waagerechten.

Diese Figuren dienen zur Darstellung der Art, in der die Grenzbedingungen der Meniskusbefestigung am gerade gezüchteten Kristall erfüllt werden, während dieser bei der stetigen Züchtung unter einem beliebigen Winkel gegenüber der Schmelze gezüchtet wird. Während die Grenzschichten 40 in Fig. 5A bis 5D als gerade Linien dargestellt sind, müssen sie dies jedoch nicht sein. Sie können ,je nach den thermischen Bedingungen eine beliebige Form, konkav nach oben, konkav nach unten usw., haben. Die Endpunkte der Grenzschicht befinden sich dort, wo die Dreifachverbindungen von Feststoff, Flüssigkeit und Gas bestehen. Der Abstand zwischen diesen Endpunkten bestimmt in Verbindung mit dem Winkel der Züchtung aus der Schmelze geometrisch die Dicke des stetig gezüchteten Bands.

Es sei hervorgehoben, dass die Schnurrandstabilisierungstechnik die Fähigkeit zum Züchten eines Bands unter einem beliebigen Winkel gegenüber der Schmelze stark verbessert. Der Hauptvorteil des Ziehens unter einem Winkel liegt in der erhöhten Züchtungsgeschwindigkeit auf Grund einer vergrösserten Grenzschichtfläche.

Einführung der Schnur in die Schmelze

Fig. 6 bis 9 zeigen Verfahren zum Einführen der Randstabilisierungsschnur in die Schmelze. In Fig. 6 wird eine Schnur 34 um eine Rolle 44· geführt, die in einer Schmelze 32 vollständig eingetaucht ist. Die Schnur tritt in die Schmelze ein, läuft um die Rolle und tritt dann aus der Schmelze

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aus, wo sie in das in Züchtung begriffene Band eingebaut wird. Die Bewegungsrichtung der Schnur ist durch Pfeile dargestellt.

In Fig. 7 nimmt eine verhältnismässig kleine Schnuröffnung 50 im Boden eines Schmelztiegels 52 eine Schnur auf. Der Gravitationsdruckhöhe der Schmelze wird durch die Oberflächenspannung der Schmelze entgegengewirkt, die sowohl am Schmelztiegel als auch an der sich aufwärts bewegenden Schnur haftet, was durch den Pfeil 54 dargestellt ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäss Fig. 8 ist eine kleine Kammer 60 unmittelbar unter einer Schnuröffnung 62 in einem Schmelztiegel 64 vorgesehen. Diese Kammer ist mit Gas unter Druck gesetzt, um der Gravitationsdruckhöhe der Schmelze 66 im Schmelztiegel entgegenzuwirken. Die Kammer hat einen Gaseinlasskanal 68, der mit einer geeigneten nicht gezeigten Druckgasquelle in Verbindung steht.

Bei einer in Fig. 9 gezeigten weiteren Ausführungsform werden elektromagnetische Kräfte in das geschmolzene Material eingeführt, um dem durch Schwerkraft eingeführten Druck entgegenzuwirken. Diese Kräfte wirken in Richtung von Pfeilen Bei diesem Verfahren wird ein durch mehrere grosse X angegebenes Magnetfeld senkrecht zu einem Schnurführungsrohr 71 erzeugt, das von einem Schmelztiegel 72 nach unten absteht. Danach xcLrd ein Strom, erzeugt durch anschliessend einer Gleichstromquelle 76 am Schnurführungsrohr 71 durch die Schmelze in diesem Bereich senkrecht zur Achse des Führungsrohrs und zum ausgeübten Magnetfeld geleitet. Das Ergebnis ist eine aufwärtsgerichtete elektromagnetische Kraft, die unmittelbar in die Schmelze eingeleitet wird. Diese Technik xi/ird bei Materialien angewendet, die elektrische Leiter im geschmolzenen Zustand sind und wo der Schmelztiegel einen gewissen Widerstand hat, so dass der Strom quer zur Rohrachse fliesst. Das Magnetfeld kann durch Stromschleifen angewendet werden, xi/ährend das Magnetfeld unmittelbar durch den Schmelztiegel eingeführt werden kann.

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Verringerung der von der Schnur getragenen Verunreinigungen

Es ist ersichtlich, dass jegliche Schnur, unabhängig davon wie gut sie gereinigt ist, einige Verunreinigungen mit sich trägt. Wenn sich die Schnur durch die Schmelze bewegt, dringen diese Verunreinigungen in die Schmelze ein und verursachen deren Kontamination.

Zwei Techniken werden gleichzeitig verwendet zur Verringerung des Ausmasses einer derartigen Verunreinigungseinführung. Als erstes wird die Verweilzeit der Schnur innerhalb der Schmelze dadurch minimiert, dass die Schmelzentiefe so klein wie möglich gemacht wird. Unabhängig davon, wie kurz die Verweilzeit ist, gelangen jedoch einige Verunreinigungen von der Schnur in die Schmelze. Dies kann durch Einfrieren einer Schicht aus Schmelze an der Schnur vermieden werden, wenn diese in die Schmelze eintritt.

Bei einer Ausführungsform wird die Schnur vor ihrem Eintritt in die Schmelze gekühlt, wodurch die Schmelze bei Berührung auf die Schnur gefroren wird. Bei einem Verfahren wird die Schnur durch Leiten von Gas über sie abgekühlt, wenn sie in die Schmelze eintritt. Jedoch wärmt sich die Schnur nach einer kurzen Zeitdauer auf die Temperatur der Schmelze auf und schmilzt das frisch gefrorene Material. Hierdurch wird eine Geometrie erforderlich, bei der die Verweilzeit der Schnur in der Schmelze, etwa durch Verringerung der Schmelzentiefe, minimiert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird der thermoelektrische Effekt zwischen der Schnur und der Schmelze zum Frieren des Silicons um die Schnur verwendet. Bei dieser in Fig. 10 gezeigten Technik wird durch die Schnur im Bereich unterhalb der Schmelze Strom geleitet. Dieser Strom wird durch eine Gleichstromquelle 80 erzeugt, die über eine Leitung 86 an den Schmelztiegel 82 und über eine Leitung 88 sowie leitende Walzen 84 an die Schnur 34- angeschlossen ist. Im Betrieb

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fliesst der Strom längs der Schnur durch die Verbindungsstelle zwischen der Schnur und der Schmelze, durch die Schmelze und den Schmelztiegel und zurück über die Leitung 86 zur Gleichstromquelle. Es ist ersichtlich, dass jegliche zwei unterschiedliche Leiter zwischen sich einen relativen Peltier-Koeffizienten aufweisen, der ein Mass für das thermoelektrische Potential ist. Wenn Strom durch eine derartige Verbindungsstelle fliesst, wird je nach der Stromrichtung an ihr entweder Wärme entwickelt oder abgeführt. Im Fall von Silicium und Graphit, kann das Graphit, etwa mit Bor, derart dotiert werden, dass es gegenüber dem Silicium einen ausgeprägten Peltier-Koeffizienten hat. Somit kann der Peltier-Effekt zum unmittelbaren Abführen einer geringen Wärmemenge von der Grenzschicht Schnur-Schmelze verwendet werden. Unter Annahme eines ausreichenden Stroms bewirkt der Peltier-Effekt das schnelle Frieren einer geringen Materialmenge um die Schnur, wenn diese in die Schmelze eintritt, wodurch die Verunreinigungen eingesiegelt werden.

In der Technik können beide Techniken, das Kühlen der Schnur und das Peltier-Kühlen, angewendet werden, jedoch sei angegegeben, dass das Leiten von Strom durch die Schnur einen gewissen Betrag an Stromwärme in dem zur Schmelze führenden Teil der Schnur erzeugt.

Entmischung von Verunreinigungen in die Schmelze

Jedes Mal wenn an einer wohl definierten Grenzschicht eine Verfestigung stattfindet, findet gemäss Fig. 11 eine als Verunreinigungsentmischung bekannte Erscheinung statt. Auf Grund von Betrachtungen des chemischen Gleichgewichts kann nur ein gewisser Bruchteil der in der Schmelze enthaltenen Verunreinigungen in das feste Material eingebaut werden, während der Rest an der Grenzschicht abgewiesen wird. Diese Entmischung wird vorteilhaft bei beinahe allen Kristallzüchtungsprozessen verwendet zur Reinigung des gerade gezüchteten Materials.

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Zur Maximierung der günstigen Wirkungen der Ver türreinigung sabscheidung muss durch die Grenzschicht ein Strom von Schmelze aufrechterhalten werden, um abgewiesene Verunreinigungen wegzubefordern. Somit umfasst die Erfindung das Aufrechterhalten eines im wesentlichen zur Ebene des Bands senkrechten Schmelzenstroms unterhalb des gerade gezüchteten Bands.

Jedoch ist die Entmischung der Verunreinigungen in die Schmelze nicht ausreichend, um eine ausgeprägte Reinigung des Materials in einem kontinuierlichen Züchtungsprozess zu gewährleisten. Dies beruht darauf, dass bei einem kontinuierlichen Züchtungsprozess unter Anwendung der Nachfüllung der Schmelze die an der Züchtungsgrenzschicht abgewiesenen Verunreinigungen sich kontinuierlich in der Schmelze aufbauen.Wenn das Mass an Verunreinigungen in der Schmelze zunimmt, nimmt ebenfalls die Menge an in das Band eingebauten Verunreinigungen zu. Bei der Erfindung wird dieses Problem durch Aufrechterhalten eines konstanten Ablaufs oder einer konstanten Entfernung der Schmelze gelöst. Das Funktionieren dieser Technik kann wie folgt erläutert werden.

Bei Betrachtung einer Verunreinigung, deren Entmischungskoeffizient 0,001 ist, wird ein Teil von Tausend an der Grenzschicht ankommenden Verunreinigungen in den Kristall eingebaut. Unter der Annahme, dass das Rohmaterial ein Verunreinigungsniveau von 10 ppm hat, falls die Schmelze nur aus einem solchen Material zusammengesetzt ist, wie es anfänglich der Fall ist, ist ein Züchten eines Kristalls mit einem Verunreinigungsniveau von 0,01 ppm auf Grund des Entmischungskoeffizienten von 0,001 zu erwarten. Jedoch sammeln sich mit der Zeit die Verunreinigungen in der Schmelze an und hat eventuell der Kristall eine Verunreinigung von 10 ppm, d. h. das Verunreinigungsniveau des hereinkommenden Materials. Da der Kristall eine Verunreinigungskonzentration von 10 ppm hat, hat an diesem Punkt die Schmelze tatsächlich eine Verunreinigung von 10,000 ppm.

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Wenn jedoch 1/10 der Schmelze kontinuierlich und ständig entfernt wird, so kann in Verbindung mit einem Nachfüllen von frischem Material mit einer Verunreinigungskonzentration von 10 ppm gezeigt werden, dass die Schmelze eine Verunreinigung von etwa 100 ppm und der Kristall eine Verunreinigung von 0,1 ppm haben wird. Somit wird selbst beim Dauerbetrieb ein hoher Grad an Reinigung aufrechterhalten.

F'ig- 11 zeigt die Art der kontinuierlichen Nachfüllung, Zirkulation und Abführung der Schmelze. Eine Einrichtung zum Verringern der Schmelzentiefe zum Minimieren der Schnurverweildauer ist ebenfalls dargestellt. Las Nachfüllsystem ist scheiaatisch durch ein Rohr 90 angegeben, durch das kleine Kengen an Rohmaterial in die Schmelze getropft werden. Die Zirkulation der Schmelze unterhalb der Züchtungsgrenzschicht erfolgt durch im wesentlichen eine kreisförmige Bewegung der Schmelze mit einem Zirkulationsstrom beiderseits der Bandmittellinie, was durch gestrichelte Pfeile dargestellt ist. Im Fall einer elektrisch leitenden Schmelze kann diese Zirkulation durch induzierte elektromagnetische Kräfte in der flüssigen Schmelze erzielt werden. Venn z. B. der Schmelztiegel aus Graphit und die Schmelze aus Silicium besteht, können von einer Gleichstromquelle 95 zum Schmelztiegelboden führende Leitungen 94 an Kontakte 96 angeschlossen werden, die sich in der Nähe der an die Schnureinführungsöffnungen 114 befindlichen Bandränder befinden. Die wesentlich höhere elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Siliciums gegenüber Graphit bewirkt, dass der grösste Teil des Stroms durch das flüssige Silicium strömt, was durch einen gestrichelten Pfeil 98 dargestellt ist. Gleichzeitig wird ein Magnetfeld senkrecht zur Schmelzenfläche 102 so ausgeübt, dass die in der Schmelze induzierten Kräfte sie zum Zirkulieren im wesentlichen in der angegebenen Weise veranlassen. Die Richtung des Magnetfelds ist durch Pfeile B angegeben. Diese Magnetfeld kann durch äussere Magnete oder zweckmässiger durch das Feld ausgeübt werden, das durch den durch das Hauptofenheizelement strömenden Strom induziert wird, falls eine Heizwicklung verwendet wird.

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Im Schmelztiegel 112 befindet sich eine hohle Barriere 110 zur Verringerung des Verunreinigungsniveaus durch Verringerung der Schmelzentiefe. Diese Barriere weist die genannten hindurchführenden Schnureinführungsöffnungen auf.

Das Entfernen von Schmelze erfolgt durch Anwendung eines Schmelzenablaufrohrs 120, das vom Schmelztiegelboden 122 nach unten ragt. Das Entfernen kann durch die selektive Abdichtung kontrolliert werden, die durch die oben beschriebenen induzierten elektromagnetischen Kräfte verfügbar ist. Alternativ kann das Rohr dadurch abgedichtet werden, dass das Ende auf einer Temperatur geringfügig unter der Schmelztemperatur der Schmelze gehalten wird. Eine geringfügige Wärmeanwendung an der Spitze durch ein kleines Widerstandsheizelement oder dgl. genügt, um das Material in der Spitze aufzutauen und ihm ein Ausfliessen aus dem Schmelztiegel zu ermöglichen.

Ofenkonstruktion

Fig. 12 zeigt einen Ofen 130 mit einem Unterteil 132, an dem ein wassergekühltes Hauptgehäuse 134· befestigt ist, in dem eine senkrechte Kammer 136 ausgebildet ist. Der Ofen enthält: einen im Winkel versetzten Betrachtungsfortsatz 138 mit einer abgedichteten Betrachtungsöffnung 140 aus Glas oder einem anderen lichtdurchlässigen Material, eine Ladeöffnung 14-2, durch die ein Schmelztiegel 144 und alle Ofenbauteile eingesetzt werden können, und einen Gehäusefortsatz 150, der vom Hauptgehäuse 134- aus radial auswärts ragt. Innerhalb der Kammer 136 befindet sich ein Heizelement kontaktblock 200, der Heiz stäbe 198 aufnimmt, die sich durch das Unterteil des Schmelztiegels erstrecken, um die darin gehaltene Schmelze zu erhitzen, vgl. Fig. 13A. Wassergekühlte elektrische Leiter 156 und 158 liefern elektrische Energie zu den Heizelementkontaktblocken.

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Der Geliäusefortsatz 150 enthält einen Vakuumpumpenfortsatz 152, der verwendbar ist zum Evakuieren des Gehäuses oder zum Einführen eines Schutzgases, das über den Schmelztiegel strömt und durch eine für den Bandaustritt vorgesehene öffnung aus dem Oberteil der Kammer I36 austritt. Wicklungen 154 zirkulieren zur Wärmeabfuhr von der Kammer 136 eine Kühlflüssigkeit. Eine am Oberteil des Hauptgehäuses 134 befindliche Bandziehvorrichtung 160 enthält Walzen 162, die durch einen Hilfsmotor 164- angetrieben werden und ein Band 166 berühren können, um es gemäss einem Pfeil 142 nach oben zu ziehen. Eine Befestigung 174- dient zum Halten eines Keimkristalls, der zum Einleiten der Bandzüchtung verwendet wird und an dem das Band befestigt ist.

Fig. 13A ist eine auseinaidergezogene Ansicht der in der Kammer 136 enthaltenen Vorrichtung. Der Schmelztiegel 144 ist auf einem Sockel 17O befestigt, der eine Oberseite 172 aufweist, in die Öffnungen 174 von unterschiedlichem Durchmesser eingearbeitet sind zur Aufnahme von Teilen mit Gewinde, Presssitz oder Schiebesitz. Ein unterer Isolierblock 176 befindet sich auf dem Sockel I70 und wird in seiner Stellung durch Fixierstifte 178 gehalten, die sich durch Öffnungen 179 im Isolierblock I76 erstrecken. Der Schmelztiegel 144 ist über dem Isolierblock 176 gefestigt und durch Tragpfosten 180-186 positioniert und getragen, die durch Öffnungen 188 im unteren Isolierblock ragen. Der untere Isolierblock I76 ist auch mit Öffnungen 190 versehen, durch die Schnurpositionierrohre (Fig. 14) ragen, die zum Führen der stabilisierenden Schnüre in den Schmelztiegel 144 durch Öffnungen 192 im Schmelztiegelboden dienen. Zusätzlich ist im unteren Isolierblock eine Öffnung 194 vorgesehen zur Aufnahme eines ein Thermoelement aufnehmenden zentralen Thermoelementschutzrohrs, vgl. Fig. 14. Der Sockel I70 ist mit entsprechenden Öffnungen 190¹ und 194' versehen zur Aufnahme der Schnurpositionierrohre und des Thermoelementschutzrohrs.

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Her Schmelztiegel 144 ist mit Kanälen 196 versehen, die als Strahlungsräume für sich hindurcherstreckende Heizstäbe 198 wirken. Die Heizstäbe werden von Heizeleinent-Kontaktblöcken 200 getragen;, die so mit öffnungen versehen sind, dass sie Enden 202 der Heizstäbe mit Schiebesitz aufnehmen, was noch beschrieben wird. Die Kontaktblöcke werden auf dem Sockel 170 durch Tragpfosten 204 getragen, die durch hülsenförmige Buchsen 206 gegenüber dem Sockel 170 elektrisch isoliert sind. Die Tragpfosten 204 bestehen wie die Fixierpfosten 178 aus Graphit, während die Buchsen 206 aus Bornitrid bestehen. Der Schmelztiegel besteht bei einer Ausführungsform aus Graphit und kann selbstverständlich aus einer Vielzahl von Materialien bestehen, deren Befeuchtungsfälligkeit von derjenigen von Kohlens"coff bis zu derjenigen von ^uarz oder Bornitrid reichen kann. Die Isolierblöcke bei einer Ausfuhr ι mgs form sind aus 'Fiberform', das eine Handelsbezeichnung der Eiber Materials, Inc. of Biddford, Haine, ist. Im allgemeinen wird'iiberform'aus einer kolloidalen Suspension von Graphit geformt.

Der Schmelztiegel 144 ist von einem oberen Isolierblock umgeben, der zur Aufnahme der Fixierpfosten 178 geeignet mit Öffnungen versehen ist. Dieser Isolierblock ist mit einem mittleren ausgeschnittenen Abschnitt 212 versehen, der die äusseren Wände des Schmelztiegels 144 umgibt. Auf die Fixierpfosten 178 geschraubte Graphitmuttern 214 klmmen die gesamte Konstruktion zusammen. Durch Graphitscheiben 218 im Abstand angeordnete doppelte Strahlungsabschirmungen 216 aus Graphit werden waagerecht im Abstand aneindnergrenzend auf der Fläche 220 auf der Oberseite des oberen Isolierblocks durch erhabene Abschnitte 222 gehalten, die einstückig mit dem oberen Isolierblock ausgebildet sind. Zur Aufnahme des austretenden Bands ist zwischen den Strahlungsabschirmungen ein ausreichender Raum vorgesehen. Die Strahlungsabschirmungen bestehen im Gegensatz zu^lFiberform^raus festem Graphit, so dass hier kein teilchenförmiges Material in die Schmelze fallen kann.

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Die Art des Zusammenbaus der Vorrichtung von i'ig. 13A ist iß Fig. I3B-I3K angegeben. Gemäss Fig. 13B wird der Sockel 170 zuerst versehen mit den Fixierpfosten 178, den Tragpfosten 180-186 (der Tragpfosten 180 ist in dieser Figur nicht gezeigt) und den Kontaktblock-Tragpfosten 204. Die Kontaktblöcke 200 sind an ihren jeweiligen Tragpfosten befestigt. Gemäss Fig. 13C wird der untere Isolierblock I76 auf den i'ixierpfosten 178 positioniert und zwischen den Kontaktblöcken 200 des Schmelztiegeisi44 darüber befestigt. Gemäss Fig. I3D wird dann der obere Isolierblock 210 auf den unteren Isolierblock 176 gesetzt und umgibt hierdurch den Schmelztiegel 144. Gemäss Fig. I3E werden die Heizstäbe 198 durch die Öffnungen im Kontaktblock 200, durch, den oberen Isolierblock 210, durch die Schmelztiegelfeaaäle und durch die öffnungen im gegenüberliegenden Kontaktblock geführt. Danach werden im Abstand nebeneinander Abschirmungen 216 auf die Oberseite des oberen Isolierblocks 210 geschraubt.

Gemäss Fig. 13F ist die Unterseite des Schmelztiegels 144 rait äen angegebenen Öffnungen 192 versehen für den allgemeinen Zweck der Schnureinführung. Eine angesenkte Öffnung 230 kann ein Thermoelementschutzrohr 248 und ein darin untergebrachtes Thermoelement aufnehmen, wobei Thermoelementleitungen 249 vorgesehen sind. Das Thermoelementschutzrohr hat örei Funktionen. Es gewährleistet die X-, Y-Positionierung des Schmelztiegels gegenüber dem Sockel. Es ist mit einer kurzen Länge eines Gewindes versehen, das den Schmelztiegel gegen die Tragpfosten 180-186 nach unten hält. Scnliesslich nimmt es das Hauptofensteuerthermoelement auf.

Die Unterseite des Schmelztiegels 144 ist mit radialen Kanälen 232 versehen, die Fixierstifte 234 aufnehmen können, die über die Oberseiten 236 der Tragpfosten 180 und 186 ragen. Wenn der Schmelztiegel so angeordnet ist, dass seine Unterseite die Oberseiten 236 der Tragpfosten 182 und 184 berührt, ragen die Fixierstifte 234 in die Kanäle 232. Der Zweck die-

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ser Konstruktion des Schmelztiegels besteht darin, die Winkelpositionierung des Schmelztiegels zu gewährleisten und die lineare thermische Ausdehnung und Zusammenziehung der Schmelztiegels aufzunehmen. Es sei hervorgehoben, dass der Schmelztiegel sich um 1 % von der Raumtemperatur bis zur Betriebstemperatur ausdehnen kann, die im .Fall von Silicium 1420° C beträgt.

!'ig. 14 zeigt das Schnurzuführungssystem, bei dem Schnüre anfänglich auf Spulen 240 gewiekelt sind. BLe Spulen können durch Motoren oder Federn vorgespannt sein oder angetrieben v/erden, die entgegengesetzt der Zuführungsrichtung wirken, um die erforderliche Spannung zu erzeugen. Die Spulen sind an Trägern 244 aufgehängt, die von einer Platte 246 nach unten abstehen, die am unteren Flansch des Ofens befestigt ist. Der Sockel 170 ist auch an der Platte 246 befestigt, wobei sich Schnurpositionierrohre 252 und ein Thermoelementschutzrohr 248 durch die Platte 246 und dann durch zusammenpassende Öffnungen 190' und 194' im Sockel 170 erstrecken. An der Platte 246 ist ebenfalls eine kleine Gaskappe 254 befestigt. Diese Gaskappe ist unabhängig vom Hauptofen mit Argon gefüllt, wodurch um alle Öffnungen in der Ofenunterseite eine kleine Plenumkammer gebildet ist. Dies gewährleistet, dass jegliche Strömung an Gas in den Ofen durch diese Öffnung im Gegensatz zur umgebenden Luft aus Schutzgas besteht, wobei die Strömung durch einen "Kamineffekt" eingeleitet wird, bei dem heisses, wenigerdichtes Gas im Ofen eine Aufwärtsströmung verursacht.

Das Bandziehen erfolgt durch eine Bandantriebseinheit 260, die an der Ofenoberseite angebracht ist und in der das Band 262 zwischen gegenüberliegenden Walzen der Bandeintriebseinheit 260 angeordnet ist. Eine angetriebene Walze 264 ist paarweise mit einer nicht gezeigten Mitlaufwalze angeordnet, während eine Mitlaufwalze 266 paarweise mit einer nicht gezeigten angetriebenen Walze angeordnet ist. Die Walze 264

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ergibt eine Drehung eines Zahnrads 268, die ein versetztes Zahnrad 270 antreibt für den Antrieb der angetriebenen Walze des unteren Satzes.

Die Schnurpositionierrohre 252 von Fig. 14- können die in Fig. 15 gezeigte Anordnung haben, wo ihre Beziehung zu einem Schnureinführungsrohr 271 eines Schmelztiegels 272 dargestellt ist. Eine zylindrische hohle Stange 273 ist mit Einsätzen 274- versehen. Die Einsätze haben einen hohlen zentralen Kanal 276 und angesenkte Enden 278. Darüberhinaus kann das Schnureinführungsrohr 271 zur Erleichterung der Schnureinführung einen angesenkten Teil 279 haben.

ELg. 16 zeigt einen Teil 280 eines Heizstabs eingesetzt in den Kontaktblock 200. Die Heizstäbe einer Ausführungsform sind aus rundem Graphitmaterial gedreht zur Bildung eines mittleren Stangenabschnitts 282 mit verringertem Durchmesser und eines erweiterten Schaftendes 284 mit einer in Umfangsrichtung verlaufenden Berührungsrippe 286. Das Schaftende mit der Berührungsrippe berührt einen Kanal 288 im Block mit gleitendem Federsitz. Das Schaftende 284- und die Berührungsrippe 286 sind durch Schlitze 290 in waagerechten und senkrechten Ebenen in vier Viertel unterteilt. Dies erzeugt vier integrale Graphitfedern und die Nachgiebigkeit für den genannten gleitenden Federsitz.

Der Heizstab enthält somit eine Art von gleitendem Stecker zur Aufnahme der Wärmedehnung auf seiner Länge auf Grund der Erhitzung. Diese Ausdehnung kann in der Grössenordnung von 2 % liegen, so dass, wenn die Heizstäbe an den Kontaktblock geklemmt sind, ein unzulässiges Biegen auftreten würde. An jedem Ende des Heizstabs ist ein Stift 292 angeordnet, der den Heizstab in der richtigen Stellung hält, um ihn am "Ausarbeiten" des Steckers auf Grund kleiner Hin- und Herbewegungen in Längsrichtung während der thermischen Taktfolge zu hindern.

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Ofenbetrieb

Im Betrieb wird an die parallelgeschalteten Heizstäbe über wassergekühlte Leitungen 156 und 158 eine Spannung angelegt. ooiait wird Strom durch die Leitung 156 und durch den Heizelement-Kontaktblock 200 geleitet unterteilt sich in den vier parallelgeschalteten Heizstäben, wird vom zweiten Heizelement-Kontaktblock 200 gesammelt und fliesst durch die Leitung 158 ab.

Der Ofen ist so gebaut, dass er die während des Betriebs verbrauchte Leistung auf ein Minimum bringt. Hierzu befinden sich die Heizstäbe 198 innerhalb der im eigentlichen Schmelztiegel angeordneten Kanäle 196, um sicherzustellen, dass die gesamte vom Heizstab abgegebene Energie unmittelbar vom Schmelztiegel aufgenommen wird und dass nicht ein Teil des Heizstabs unmittelbar auf den Isolierblock strahlt, was bei äusseren Heizelementen der Fall wäre. Das Ergebnis besteht darin, dass während des Betriebs mit geschmolzenem Silicium bei 14-30° C der gesamte Ofenenergieverbrauch 3500 W beträgt. Die Erzielung dieses niedrigen Energieverbrauchs erklärt sich dadurch, dass beim herkömmlichen Ofen der Schmelztiegel vollständig von einem grossen Graphitwiderstandsheizelement umgeben ist. Dieses Heizelement muss mit einer Temperatur betrieben werden, die höher als die Schmelztiegelbetriebstemperatur ist, um auf den Schmelztiegel Wärme zu übertragen. Zusätzlich hat das herkömmliche grosse Graphitwiderstandsheizelement eine grössere Oberfläche als der Schmelztiegel, den es umgibt. Diese beiden Faktoren zusammen ergeben eine Ofenenergieverschwendung, die weitaus grosser als der Mindestbedarf zum Warmhalten des Schmelztiegels ist. Durch Verwendung von durch den Schmelztiegel eingeschlossenen Heizstäben kann eine Annäherung an den theoretischen Mindestenergieverbrauch gemacht werden, der mit einer gegebenen Menge an umgebender Isolierung verbunden ist.

Ferner erleichtert die Anwendung von Heizstäben die Nachfor-

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mung des Temperaturprofils über dem Schmelztiegel zur Erzielung eines beinahe gleichmässigen Profils. Derartige Abänderungen können durch Ändern des Gesamtwiderstands eines oder mehrerer Elemente gegenüber den anderen gemacht werden, mit denen es parallel geschaltet ist. Ein Heizstab mit grössereiii Durchmesser hat einen geringeren Widerstand und verschwendet daher mehr Wärme als andere parallelgeschaltete Heizstäbe. Die einzelnen Heiz stäbe können auch in ihrer LängserStreckung geformt sein, wobei auf Grund der Reihenanordnung grossere Teile mit geringerem Widerstand weniger Energie verschwenden als ein benachbarter schmälerer Teil. Scüliesslich können die Heizstäbe neu positioniert werden, wodurch wesentliche Änderungen im Profil bewirkt werden. Ist einmal ein zufriedenstellendes Profil erreicht, so ist es in hohem Mass reproduzierbar, was nur den Austausch eines ähnlich bearbeiteten Heizelements gegen ein verbrauchtes Heizelement erfordert.

Während des Anfahrens wird Silicium oder anderes Arbeitsmaterial im Schmelztiegel 144 durch Zufuhr von Energie zu den Heizstäben 198 geschmolzen. Danach werden die Schnüre in die Unterseite der Schnurpositionierrohre 252 eingeführt und durch diese Rohre sowie durch die Öffnungen 142 im Boden des Schmelztiegels 144 nach oben zugeführt. Die richtige Positionierung der Schnurpositionierrohre 252 gegenüber dem Schmelztiegel 144 erfolgt durch die Schmelztiegelfixiereinrichtung, die aus dem Thermoelementschutzrohr 248 und den !Eragpf osten 180-186 besteht. Das Thermoelement schutzrohr bestimmt die X-Y-Positionierung des Schmelztiegels an einer Stelle unmittelbar zwischen den beiden Schnureinführungsöffnungen 192, wodurch jegliche Positionsfehler der Schnureinführungsöffnungen 192 gegenüber den Schnureinführungsrohren 252 auf ein Minimum gebracht werden. Die leichte Aufwärtsbewegung der Schnüre wird ferner gewährleistet durch die Anordnung der in Verbindung mit Fig. 15 beschriebenen Ansenkungen.

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Ein anderer Aspekt der Ofenanwendung ist die Fälligkeit zum Herausziehen der Schnurpositionierrohre 252 aus dem Ofen während des Betriebs. Dies wird erforderlich im Fall eines Schnurklemmens oder wenn Tröpfchen im Rohr einfrieren. In einem solchen Fall kann das Rohr einfach aus dem Boden des Ofens abgezogen, gereinigt und wieder angebracht werden. In ähnlicher Weise kann das Thermoelement aus dem Thermoelement schutzrohr 248 herausgezogen und während des Betriebs mit einer minimalen verstrichenen Zeit wieder angebracht werden.

Kapillare Rückhaltunp; der Schmelze innerhalb der Öffnungen im SchmelztieRelboden

Es wird nun die kapilare Rückhaltung der Schmelze an der Öffnung im Schmelztiegelboden beschrieben. Bei einer Ausführungsform erfolgt die kapillare Rückhaltung durch Anwendung eines nach unten ragenden zylindrischen Rohrs an der öffnung. Hierbei ist das Rohr aus dem befeuchteten oder teilweise befeuchteten Schmelztiegelmaterial hergestellt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. I7 gezeigt und in Verbindung mit der Schnureinführung beschrieben. Die vorliegende Erläuterung wird ohne vorhandene Schnur vorgenommen.

Im Prinzip arbeitet dieses Rohr durch Ausgleich der Gravitationsdruckhöhe der Schmelze mit kapillaren Kräften, die mit dem sich an der Unterseite des Rohrs bildenden Kügelchen von Schmelze verbunden sind. Für jede gegebene Anordnung und Flüssigkeit gibt es eine maximale Druckhöhe, die auf diese Weise getragen werden kann. Sind H der Abstand der freien Schmelzenoberfläche zur Unterseite des Rohrs und r der Aussenradius des zylindrischen Rohrs, so kann die maximale tragbare Druckhöhe unter der Annahme gefunden werden, dass der Tropfen unterhalb des VorSprungs halbkugelförmig ist und einen Radius r hat.

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₅₂ _ 310Q245

Es folgt:

^rfW - Te" ⁽³⁾

oder

max

Wenn somit das Schmelzenniveau so gross ist, dass der Abstand von der freien Oberfläche zur Unterseite des Rohrs kleiner als H , ist, so treten keine Leckverluste auf. Wenn jedoch

Iu el Ji

dieser Abstand über H^ zunehmen sollte, treten Leckverluste auf, bis das Schmelzenniveau abgesenkt ist und der Abstand von der Schmelzenoberfläche zur Unterseite des Rohrs gleich EL,,-, ist. An diesem Punkt hören die Leckverluste auf. max

Kir jedes gegebene Material ist r«H eine allein durch die Materialparameter bestimmte Konstante. Für Silicium gilt:

^r*^Hmax ⁼ ff£ ~ °»5⁸7 cm . Jedoch kann der Konstrukteur eine Kontrolle über H durch Änderung des Radius r des Rohrs ausüben. Zum Beispiel erhöht eine Verringerung dieses Radius die getragene maximale Druckhöhe.

Kapillare Rückhaltung der Schmelze während der Schnureinführung

Die in Big. 7 gezeigte Schnureinführungstechnik kann bei Verwendung eines angefeuchteten Schmelztiegels einen instabilen Zustand darstellen, da, wenn das Silicium den Boden des Schmelztiegels befeuchtet, dessen Befeuchtungsbereich zunimmt und daher die Druckhöhe abnimmt, die an der Einführungsöffnung getragen werden kann. Dies führt zur Möglichkeit von Leckverlusten an Schmelze. Wenn ein kleines abvärtsgerichtetes zylindrisches Rohr, wie oben angegeben, verwendet wird, bildet das Rohr die Grenze am Befeuchtungsbereich der Flüssigkeit.

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Für den Fall der Sehnureinführung wird H bedeutend grosser als der maximal erwartete Abstand H zwischen der Schmelzenober fläche und dem .Rohrende gemacht. In typischer Weise wird für ein System mit H = 1,3 cm ein Schnureinführungsrohr verwendet, bei dem r - 0,16 cm, was eine maximale stabile Druckhöhe H von 3,6? cm ergibt.

lUcOC

Jas Vorsehen einer Schnur im Rohr hat eine geringe Wirkung auf den Betrag der Druckhöhe, die getragen werden kann. Dies kann wie folgt verstanden werden: Gemäss Fig. 17 bewegt sich die Schnur 294 in der Pfeilrichtung 296 nach oben. Die Art der Befeuchtung, die an der Unterseite des Schnureinführungsrohrs 271 besteht, ist durch ein Schmelzentröpfchen 300 dargestellt. Diese Art der Befeuchtung der Schnur erhöht tatsächlich die maximal zulässige Druckhöhe, da mehr Fläche für die Meniskusbefestigung verfügbar ist. Selbst eine Abwärtsbewegung der Schnur hat eine nur geringe Wirkung auf die tragbare Druckhöhe, da der kleine Krümmungsradius um eine dünne Schnur gewährleistet, dass bedeutende Druckhöhe unabhängig vom Befestigungswinkel der Schnur getragen werden können. Diese Art von Schnureinführungsrohr kann für senkrechtes und abgewinkeltes Züchten verwendet werden.

In Abhängigkeit von der genauen Natur der Wechselwirkung zwischen der Schmelze und dem Schmelztiegelmaterial .kann ein Tröpfchen an der Unterseite des Schnureinführungsrοhrs die Seiten des Rohrs hinaufkriechen, was auf Grund eines grösseren befeuchteten Bereichs eine geringere maximal tragbare Druckhöhe ergibt. Dieser Prozess kann angehalten werden durch die Ausführungsformen von Fig. 18 oder 19. In Fig. 18 dient eine kleine ringförmige Einkerbung 302 zum Unterbrechen des den Vorsprung hinauf erfolgenden Vorwärtsbewegens der Schmelze auf Grund der Meniskusbefestigungseigenschaften, die bewirken, dass sich der Meniskus an der Unstetigkeit befestigt, der an der Verbindungsstelle einer von einer nach innen ragenden Fläche mit einer senkrecht verlaufenden Fläche gebildet

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ist. In Fig. 19 dient eine ringförmige Rippe oder ein Flansch 304 demselben Zweck.

Geiaäss Fig. 20 kann ein Schnureinführungsrohr 506 mit einer Sippe oder einem Flansch 308 an seinem Unterteil so versehen werden, dass eine winkelförmige Ausrichtung der Schnur gegenüber der Schmelzenoberfläche aufgenommen und ein erhöhter Leckverlustschutz vorgesehen werden. Zusätzlich können die Ausbildungen von Fig. 18 und 19 auch für ein angewinkelt erfolgendes Züchten verwendet werden. Die Verbesserungen von S'ig. 18 bis 20 sind nicht auf Schnureinführungsöffnungen beschränkt, sondern können auch bei dem im folgenden beschriebenen durch Saugabzug oder kapillaren Überlauf erfolgendes Entfernen von Schmelze Anwendung finden.

Verhinderung des Frierens der Schmelze

M.e Schnureinführungsrohre von Fig. 18 bis 20 können, falls freiliegend gelassen, ein Frieren der Schmelze in den Rohren ergeben. Zum Aufrechterhalten der Temperaturen der Rohre über der Schmelztemperatur, kann sich ein Teil 310 des Schmelztiegels 272 so erstrecken, dass er das vorstehende Bohr vollständig umgibt, wodurch um das Rohr ein Strahlungsraum gebildet wird. Bei einer Ausführungsform ist der Boden des Schmelztiegels an der Schnureinführungsöffηung angesenkt und ist ein kleineres Schnureinführungsrohr konzentrisch in der Senkbohrung so befestigt, dass die umgebenden Schmelztiegelwände in engem Abstand zum Schnureinführungsrohr stehen.

der Schmelze

Bezüglich des Entfernens von Schmelze und insbesondere bezüglich ELg. 21 kann die Schmelze, wie oben beschrieben, dadurch entfernt werden, dass der Schmelztiegel mit einem nach unten ragenden Rohr versehen wird und dass die Ausströmung aus dem

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Rohr durch Einfrieren und Tauen des Materials am Ende kontrolliert wird. Dies erfolgt unter der Annahme, dass der "Ansatz" lang genug ist, d. h. sich ausreichend unterhalb der Schmelze erstreckt, so dass die Kapillarität die Flüssigkeit nicht am Verlassen des Endes hindern kann, wenn das Ende aufgetaut ist.

Jedoch besteht gemäss Fig. 21 eine Alternative darin, das geschmolzene Silicium durch Kapillarität zurückzuhalten, wobei rH = 2γ/f> g ist, und eine Saugwirkung am Ende auszuüben, wenn eine Entnahme von Silicium gewünscht ist. Hierzu verbindet eine Auslassleitung 312 den Schmelztiegel mit einem Ablassbehälter 314·» der durch ein nicht gezeigtes Vakuumgerät über eine Leitung 316 evakuiert werden kann. DLe Saugwirkung wird auf den Ablassbehälter immer dann angewendet, wenn eine Entnahme von Schmelze aus dem Schmelztiegel gewünscht ist. Dies erfolgt nach Wunsch in einem Halbchargenbetrieb oder einem beinahe kontinuierlichen Betrieb. Das Ergebnis besteht darin, dass das verfestigte abgewiesene Silicium, wie dargestellt, bei 318 abgelagert wird, wobei eine verhältnismässig grosse Länge der Leitung 312 vorgesehen ist. Der Ablassbehälter 314 kann aus Graphit hergestellt und, wie dargestellt, durch ein Flansch-Schrauben-Befestigungssystem 320 gelöst werden.

Entnahme von Schmelze durch kapillaren Überlauf

Gemäss Fig. 22 ist der Schmelztiegel 144 mit einem Schmelzenentnahmerohr 311 versehen. Da die Schnureinführungsrohre eine tragbare gegebene maximale Druckhöhe haben, bewirkt jegliche Druckhöhe über diesem. Maximum einen geringen Leckverlust, bis ein beständiges Niveau erreicht ist. Wenn das Schmelzenentnahmerohr 311 entweder länger ist oder im Vergleich mit den Schnureinführungsrohren 330 einen grösseren Durchmesser hat, wirkt es im wesentlichen in der Weise eines Überströmventils.

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Die von einem Rohr getragene maximale Druckhöhe H _r ist durch dessen Aussendurchmesser gegeben· Somit tragen zwei Rohre mit gleichen Aussendurchmessern denselben Haximalbetrag an Druckhöhe. Wird bei Zunahme des Schmelzenniveaus das Schmelzenentnahmerohr 311 länger als die Schnureinführungsrohre 330 gemacht, so wird das Schmelzenniveau, an welchem Leckverluste am Schmelzenentnahmerohr 311 auftreten, vor dem Niveau erreicht, an dem die Schmelze aus den Schnureinführungsrohren 311 sickert. Selbstverständlich können die Rohre 330 und 311 unterschiedliche Durchmesser haben und somit unterschiedliche maximale Schmelzendruckhöhen tragen. Somit können die relativen Durchmesser und Längen so eingestellt werden, dass Leckverluste zuerst am Schmelzenentnahmerohr auftreten. Diese Leckverluste dauern an, bis das Schmelzenniveau ausreichend verringert ist, um ein durch Kapillarität erfolgendes Abdichten des Schmelzenentnahmerohr s 311 zu ermöglichen.

Die durch kapillaren Überlauf erfolgende Schmelzenentnahme kann eine sehr genaue Schmelzenniveaukontrolle ausüben, da die Schmelze an dem Punkt vorbei ansteigt, an dem H = H beträgt, an welchem der Leckverlust beginnt und andauert, bis H = H. ist, an welchem Punkt er aufhört. Somit wird

IHclX

das Schmelzenniveau in einer Weise automatisch gesteuert, die keine Sclimelzenhöhenmessung oder äussere Rückkopplung benötigt. !Ferner sei angegeben, dass die Schmelze in einer gut kontrollierten Weise tropfaiweise überströmt. Dies ist daraus ersichtlich, dass für ein H, das geringfügig grosser als H ist, die Kapillarkräfte an der Unterseite des Schmelzenentnahmerohrs beinahe, jedoob. nicht ganz, die von der Gravitationsdruckhöhe herrührenden Kräfte ausgleichen. Somit wird die Schmelze nur durch eine geringe Druckdifferenz gezwungen auszuströmen und tut dies in wohl kontrollierter Weise. Bei einer Ausführungsform ist die Nachfüllrate so gross gemacht, dass sie die Züchtungsrate um beispielsweise 20 % übersteigt. Somit werden 20 % der Schmelze ständig entfernt, was zu einer beträchtlichen Schmelzenreinigung führt.

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Jegliche geeignete Kombination von Rohrlänge und -radius kann verwendet werden. In der Praxis jedoch bestimmt der Radius des Schmelzenentnahmerohrs grob die Grosse der ausfliessenden Tröpfchen. Verhältnismässig feine Tröpfchen sind erwünscht, so dass sie den Bereich 336 nicht verstopfen. Dies errichtet eine obere Grenze für den Rohrradius. Bei einer Ausführungsform betragen r = 0,2 cm und H = 2,93 cm.

Züchtung unter einem Winkel gegenüber der freien Schmelzenoberfläche

Theoretische Überlegungen

Es kann gezeigt v/erden, dass das Band eine Wannenform annimmt, wenn ein randstabilisiertes Band unter einem Winkel aus der Schmelze gezogen wird. Es wurde gefunden, dass ein ebene Band durch Vorsehen einer Einrichtung gezüchtet v/erden kann, die eine Winkelausrichtung der Meniskusfläche an deren unteren Befestigungspunkt ermöglicht, die etwas von ihrem normalen Tangentialwinkel abweicht, d. h. tangential zur Schmelzenoberfläche. Die Fähigkeit zum Züchten eines ebenen Bands kann durch die Wirkungen der geometrischen und thermischen Grenzwertbedingungen beim Züchten einer dünnen Folie oder eines dünnen Bands erklärt werden.

Die geometrischen Grenzwertbedingungen entstehen hauptsächlich aus der Wirkung der Überflächenspannung am Meniskus und den zulässigen Befestigungswinkeln des Meniskus an der Schmelze, am Band usw. Die thermischen Grenzwertbedingungen stammen von Materialparametern, etwa der Schmelzwärme und der Wärmeleitfähigkeit und auch von den vorliegenden Wärmeabfuhrmechanismen, d. h. mit Strahlung oder Leitung. Bezüglich dieser Grenzwertbedingungen und ihrer Wechselwirkungen wird nun eine detailliertere Erläuterung der geometrischen Grenzwertbedingungen als in Verbindung mit Fig. 5A-5D gegeben. Wenn sich auch diese Diskussion auf das Züchten unter einem

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beliebigen Winkel gegenüber der Schmelze erstreckt, wird sie in Verbindung'mit einem Querschnitt durch ein Band dargelegt, das gemäss I¹Xg. 23 senkrecht gezüchtet wird. Wie oben angegeben, muss sich der Meniskus an die Schmelzenoberfiäche glatt so anschliessen (vgl. Bezugszeichen 400), dass der -Abschluss an die Schmelzenoberfläche tangential erfolgt. Das heisst, der Meniskus muss an der freien waagerechten Schmelzenoberfläche eine Steigung mit dem Wert Null haben. Somit ist der Befestigungswinkel des Meniskus an der Schmelze gleich Null. Dies kann physikalisch dadurch verstanden τι/erden, dass der Meniskus tatsächlich aus nichts anderem als Schmelze besteht. Daher besteht keine physikalische Grenze, die eine Basis für eine Unstetigkeit in der Steigung der Flüssigkeitsoberfläche bilden würde. Jedes Mal wenn sich der Meniskus an einem festen Körper, etwa einem verfestigtem Band, befestigt, wird jedoch im allgemeinen ein Befestigungswinkel von der Grosse gleich Null gebildet. Der Meniskus muss den in Züchtung befindlichen Kristall unter einem spezifischen Winkel 0 treffen, der durch die Eigenschaften des gerade gezüchteten Mazerial bestimmt ist. Für Silicium beträgt dieser Winkel etwa 11°.. Die Befestigungslinie des Meniskus am in Züchtung befindlichen Kristall wird hier als Grenzschichtkante 402 bezeichnet.

Bei der Berechnung der genauen Form der Meniskusfläche bilden diese Bedingungen der Meniskusneigung die Grenzbedingungen. Zwischen den Enden ist die Meniskusform durch den Einfluss der kapillaren Kräfte bestimmt, was in der Laplace' sehen Gleichung ausgedrückt ist:

ΔΡ = ?gh - γ (^ + ^₂ ) (5)

wobei Δρ der Druckabfall ist, der durch Kapillarität über der Grenzschicht Flüssigkeit-Gas getragen wird, f , g, h und γ sind bereits oben definiert, während E^ und H₂ ^dxe Hauptkrümmungsradien der Meniskusfläche sind. Jedes Mal wenn ein

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ebenes Band gezüchtet wird, entweder senkrecht oder unter einem Winkel, ist einer (Ro) der Hauptradien unendlich gross. In diesem Fall reduziert sich die Gleichung (5) auf die Gleichung (1), wobei R^ = R. Da im allgemeinen das Züchten eines ebenen Bands erwünscht ist, ist die reduzierte Form der Gleichung (1) im allgemeinen anwendbar. Um jedoch das unter einem Winkel erfolgende Züchten ganz zu verstehen, wird im allgemeinen Gebrauch von der Gleichung (5) gemacht. Wie aus beiden Gleichungen (1) und (5) ersichtlich ist, sind die örtlichen Krümmungsradien der Meniskusfläche eine Funktion von der Höhe h der in Frage kommenden Punkts oberhalb der freien Schmelzenfläche. Somit nimmt bei einem einfachen senkrechten Züchten der Krümmungsradius der Meniskusfläche kontinuierlich ab, wenn man sich den Meniskus ausgehend von der Schmelzenoberfläche bis zur Züchtungsgrenzschicht aufwärts bewegt.

Zur Klarstellung der folgenden Diskussion werden ohne Verlust an Allgemeingültigkeit einige Vereinfachungen gemacht: Der Befestigungswinkel des Meniskus am Band oder der Grenzschichtbefestigungswinkel 0 , wird zu Null Grad angenommen, während die Meniskusfläche mit einer konstanten Krümmung angenommen v/ird, wodurch die Abhängigkeit von der Oberflächenkrümmung von der Höhe h ignoriert wird.

Bezüglich der Züchtung unter einem Winkel 0 gegenüber der Schmelzenoberfläche zeigt Fig. 24 einen Querschnitt der Züchtung eines ebenen Bands aus der Schmelzenoberfläche mit den obigen Annahmen eines Grenschichtbefestigungswinkels mit dem Wert gleich Null und eines konstanten Krümmungsradius für die Meniskusoberflächen. Wie oben angegeben, bilden die Grenzschichtkanten 402 die Befestigungslinie des Meniskus am in Züchtung begriffenen Band. Wie aus Fig. 24 ersichtlich ist, besteht ein sehr grosser Abstand L zwischen diesen Grenzschichtkanten, gemessen längs der Bandlänge. Gemäss Fig. 23 fordert die Symmetrie, dass dieser Abstand für den einfachen Fall der senkrechten Züchtung des Bands

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aus der Schmelzenoberfläche gleich Null ist. Jedoch besteht bei der angewinkelten Züchtung von Fig. 24 eine Trennung der beiden Grenzschichtkanten mit einer resultierenden starken Yergrösserung der gezüchteten Grenzschicht. Diese vergrösserte Züchtungsgrenzschicht und deren Ausrichtung im wesentlichen parallel zum Band erbringen die Eauptvorteile der angewinkelten Züchtung, nämlich höhere Geschwindigkeit auf Grund einer grösseren Fläche für die Wärmeabfuhr, geringere Wärmespannungen auf Grund der statt parallel senkrecht zur Zugrichtung erfolgenden Wärmeabfuhr und grössere Neigung dafür, dass jegliche unerwünschte Kristallstruktur, etwa Korngrenzen, nur um eine kurze Strecke wachsen auf Grund des Fortschreitens zur Bandfläche im Gegensatz des Fortschreitens in der Bandlängsrichtung.

Gemäss Fig. .24 unterscheiden sich die Meniskushöhen an beiden Seiten eines unter einem Winkel gegenüber der Schmelze gezüchteten Bands. Der Ausdruck Heniskushöhe ist genauer definiert der senkrechte Abstand zwischen der freien Schmelzenoberfläche und der Grenzschichtkante an der entsprechenden Seite des Bands. Die unter einem Winkel erfolgende Züchtung ist verständlich mit einem qualitativen Verständnis des Ursprungs dieses Unterschieds der Meniskushöhen.

Fig. 25 dient zur Erläuterung der kritischen Parameter der Grenzschicht von Fig. 24. Wie aus Fig. 25 ersichtlich ist, sind die rechten und linken Meniskusflächen kreisbogenförmige Segmente. Wenn ein senkrechtes Band gezüchtet wird, sind die Bandränder durch die enger zueinander bewegten gestrichelten Linien 410 definiert. Im Fall der rechten Meniskusfläche von Fig. 24 ist der Tangentialpunkt der Bandfläche auf dem Bogen weiter nach aussen bewegt, und zwar vom Punkt 412 für die senkrechte Züchtung zum Punkt 414 für die angewinkelte Züchtung. Im Fall der linken Meniskusfläche befindet sich der Tangentialpunkt an der Bandflache näher an der Schmelze. Dies ist durch den Positionsunterschied zwischen dem Punkt

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für die senkrechte Züchtung und dem rankt 4-18 für die angewinkelte Züchtung dargestellt. Somit wird die rechte Meniskushöhe K_fi über die entsprechende Höhe für die senkrechte Züchtung erhöht, während die linke Meniskushöhe K-^ erniedrigt wird. Das Ergebnis ist eine vergrösserte Züchtungsgrenzschicht und ein grosser Abstand zwischen den Grenzschichtkanten, gemessen längs des Bandes.

Es entsteht Jedoch ein wichtiges Problem hinsichtlich dieser Züchtungsanordnung. Bis zu diesem Punkt wurde nur der Einfluss der geometrischen Grenzwertbedingungen betrachtet. Jedoch müssen auch der Wärmeübergang und thermische Grenzwertbedingungen in Betracht gezogen werden. Die gesamte Züchtungsgrenzschicht ist durch Definition bei derselben Temperatur der Schmelzpunkt des Jeweiligen Materials. Diese grosse isotherme Fläche ergibt eine strenge Einschränkung der Temperatur der Oberfläche des Bands in der Nähe der Grenzschicht, da sie auf einem grossen Bereich sich auf dem oder in der Nähe des Schmelzpunkts des Materials befinden muss.

Gemäss Fig. 25 ist ein spezifischer Abstand zwischen den Grenzschichtkanten für jeden Züchtungswinkel gegenüber der Schmelzenoberfläche definiert. Die obige Diskussion macht es Jedoch klar, dass den thermischen Grenzwertbedingungen durch diese Züchtungsgeometrie nicht notwendigerweise genügt wird. Im allgemeinen begünstigen die thermischen Grenzviertbedingungen einen kleineren Abstand zwischen den Grenzschichtkanten als den Abstand,der durch die geometrischen Grenzwertbedingungen allein diktiert wird. Jedoch müssen sowohl geometrische als auch thermische Grenzwertbedingungen gleichzeitig erfüllt werden. Tatsächlich reagiert das Band dadurch, dass es gemäss Fig. 26 wannenförmig gezüchtet wird.

Die gleichzeitige Erfüllung der geometrischen und thermischen Grenzwertbedingungen durch die wannenförmige Züchtung ist

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aus öer vollständigen I¹OrHi der Laplace' sehen Gleichung (5) ersichtlich. Gemäss Mg. 26 bev;irken das v/annenförmige Band. 420 und der folglich gekrümmte Heniskus 422 eine endliche Krümmung Rp des Bands. Dies steht in unmittelbarem Gegensatz zur Züchtung eines ebenen Bands, bei dem Ep unendlich ist.

Me Krümmungsradien R^ und R^x der fteniskusflachen im senkrechten Querschnitt sind auf beiden Seiten des Bands positiv. Das heisst, die Meniskusfläche ist im senkrechten Schnitt auf der linken oder oberen und auf der rechten oder unteren Bandfläche konkav. Jedoch hat auf Grund der IJannenform des Bands der Hauptkrümmungsradius Ro ^au^ den beiden Seiten des Bands entgegengesetzte Vorzeichen. Die linke Seite ist konkav mit einer positiven Krümmung, während äie rechte Seite konvex ist mit einer negativen Krümmung.

Gemäss Gleichung (5) muss (1/R^i + 1/Rp) ^^ ^eine gegebene Höhe h unverändert bleiben. Auf der linken Seite des Bands bedingt ein endliches und positives Ro* dass 1/R^ kleiner ist, wenn die Summe (1/R^ + 1/Ro) konstant bleiben soll. Somit muss R^_L einen grösseren positiven Wert annehmen als es hatte, als R₂ im Fall des ebenen Bands unendlich war. Auf der rechten Seite bedingt ein endliches und negatives Ep, dass 1/R^] einen grösseren Wert annehmen muss, wenn die Summe (l/R,* + 1/Rp) konstant bleiben soll. Somit muss R^_r einen kleineren positiven Wert annehmen, als es hatte, als So unendlich war.

Zusammengefasst erfordert die geometrische Grenzwertbedingung der Kapillarität beim übergang von der Züchtung eines ebenen Bands zur Züchtung eines wannenförmigen Bands, das der Krümmungsradius R^ auf der oberen Fläche zunimmt, während auf der unteren Fläche abnehmen muss.

Die Wirkung dieser Radienänderung ist aus Fig. 27 ersichtlich, die einen senkrechten Querschnitt der angewinkelten

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Züchtungdarstellt, und zwar durch die Mitte eines eben züchtenden Bands 430 (gestrichelt) und durch die Mitte eines v/annenförmig züchtenden Band 432. Wie dargestellt, hat das wannenförmige Band einen grösseren oberen Radius der Krümmung 434 als bei der Krümmung 436 des ebenen Bands und einen kleineren unteren Radius der Krümmung 438 als bei der Krümmung 440 des ebenen Bands. Das Ergebnis ist ein verringerter Abstand zwischen den Grenzschichtkanten, was durch Pfeile 442 und 444 dargestellt ist. Somit ist die Züchtung des wannenförmigen Bands432 die natürliche Antwort des Systems beim Bemühen zum Erfüllen sowohl der geometrischen als auch der thermischen Grenzwertbedingungen.

Züchtung des ebenen Bands

Es wurde gefunden, dass durch Zulassen einer Änderung der Winkelausrichtung der Meniskusfläche an ihrem unteren Befestigungspunkt vom normalen tangentialen Winkel, d. h. tangential zur Schmelzenoberfläche, das Band flach gezüchtet wird.

Fig. 28A ist ein senkrechter Querschnitt durch ein unter einem Winkel gegenüber der Schmelzenoberfläche gezüchtetes Band. In Fig. 28B wurde eine Vorrichtung 450 eingesetzt, die einen weiten Bereich von Meniskusbefestigungswinkeln am unteren Befestigungspunkt 451 der Meniskusfläche 452 zulässt. Das Ergebnis des steilen Befestigungswinkels des rechten Meniskus ist eine wesentliche Verringerung des Abstands L zwischen den Grenzschichtkanten. Dies ist die gewünschte Bedingung für das ebene Züchten des Bands und wird erzielt durch Nachlassen (Relaxation) der Grenzwertbedingunge am Winkel der unteren Meniskusbefestigung, was eine Anpassungsfähigkeit beim Erfüllen der thermischen Grenzwertbedingungen während des Züchtens eines ebenen Bands ermöglicht. Während die Züchtung eines ebenen Bands für unter einem Winkel gezogene Bänder beschrieben ist, ist das Zulassen von veränderlichen Befestigungswinkel von Nutzen, um ein Biegen in der

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Nähe der senkrechten Zuchtungssituation zu verhindern. Die folgenden Abschnitte behandeln insgesamt oder teilweise praktische Ausführungsformen der Vorrichtung 450 von Fig. 28B.

Befeuchtete Stabilisierungsglieder

Wie oben erläutert, kann die unter einem Winkel erfolgende Züchtung durch Vorsehen einer Einrichtung stabilisiert werden, die einen weiten Bereich von Meniskusbefestigungswinkeln ermöglicht. Ein Mittel zum Vorsehen eines derartigen Bereichs von Meniskusbefestigungswinkeln besteht in der Anwendung eines befeuchteten Stabilisierungsglieds oder Boots 330 gemäss i'ig. 29- Das Boot 330 wird im Schmelztiegel 144 auf der Oberseite der Schmelze 332 getragen. Bei der dargestellten Ausfiihrungsform ist das Boot 330 U-förmig mit.einer geraden Kante, die sich in einer waagerechten Ebene parallel zur Ebene des Bands 166 erstreckt. Das Band 166 wird unter einem Winkel gegenüber der Senkrechten gezogen, wobei angrenzend an die Kante 331 ein Meniskus 333 gebildet wird. Gemäss Fig. 29 ist der Meniskus 333 an der Kante 331 und am Band auf einer Linie 334 befestigt, an der das Band einfriert.

Damit der Meniskus 333 die geeignete Krümmung bildet, befindet sich zwischen der vom Band 166 eingenommenen Ebene und der geraden Linie 331 ein endlicher Abstand. Das Boot 330 oder eine ähnliche Konstruktion wird durch die Schmelze befeuchtet, wobei eine seiner Funktionen darin besteht, zu gewährleisten, dass, gegenüber dem unteren Meniskusbefestigungspunkt ein Bereich vorhanden ist, wo sich keine Schmelze oder Flüssigkeit befindet. Tatsächlich kann die Kante des Schmelztiegels als Befestigungslinie dienen.

Fig. 3OA und 30B zeigen den Betrieb des Stabilisierungsglieds oder Boots 330. Fig. 3OA ist ein senkrechter Querschnitt des in Züchtung befindlichen Bands von Fig. 29, während Fig. 30B eine vergrösserte Ansicht des angegebenen Bereichs von Fig. 30A ist.

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Gemäss Fig. 3OA beträgt am Befestigungspunkt 33ö der unteren Iieniskusf lache 340 am Stabilisierungsglied der Winkel der Fläche 340 etwa 60° gegenüber der Waagerechten. Dies steht im Gegensatz zum Fall einer Züchtung unmittelbar aus der freien Schmelzenoberfläche, bei dem dieser Winkel an der Schmelzenoberfläche gleich Null ist.

Fig. 30B zeigt eine Einrichtung, durch die der Winkel der Meniskusfläche sich gegenüber der Waagerechten ändern kann. Gemäss dieser Figur ist die Kante 331 des Boots 330 in sich geringfügig abgerundet. Jegliches Paar von Materialien, etwa Siliciumschmelze und ein Graphitstabilisierungsglied, bestimmt einen Befestigungswinkel, für die genannten Materialien in typischer Weise 30°, der Schmelze am Stabilisierung sglied. Jedoch kann der Winkel der Meniskusfläche gegenüber der Waagerechten geändert werden, da der Meniskus frei ist zur Befestigung an der Ecke des Stabilisierungsglieds irgendwo längs dessen gekrümmter Kante. Somit kann sich die Meniskusfläche auf einen Bereich von Winkeln an der Kante 331 befestigen.

Unter einem Winkel erfolgende Züchtung bei einem senkrecht gezogenen 5and

Fig. 31 zeigt eine alternative Ausführungsform für die Züchtung eines Bands unter einem Winkel gegenüber der Schmelzenoberfläche. Bei dieser Ausführungsform hebt eine Pumpe 400 geschmolzenes Material aus der Schmelze 402 in einem Schmelztiegel 404 zur Oberseite 406 der Fläche 408 einer geneigten Rampe 409. Das geschmolzene Material bewegt sich bei 406 die Fläche 408 abwärts, wobei einiges hiervon zu einem in Züchtung befindlichen Band 410 kristallisiert und das meiste hiervon zur Schmelze 402 zurückkehrt.

Bei dieser Ausführungsform bewegt sich jede Schnur 412 nach oben durch ein entsprechendes integrales Standrohr 414,

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bewegt sich dann durch ein kapillares Rückhalterohr 416 an der Öffnung 418 in der Rampe 409 und tritt schliesslich durch die strömende Schmelze 420 aus. Der die Ebene abwärts erfolgende Strom v/ird auf einer Durchsatzmenge gehalten, die bedeutend grosser als die für den in Züchtung befindlichen Kristall erforderlich ist, wobei der Überschusstrom zur Schmelze zurückkehrt, wo sie wieder durch das System rezirkuliert wird.

Die Züchtung aus einer geneigten Fläche hat einige Vorteile gegenüber der unmittelbar aus der Schinelzenoberf lache erfolgenden abgewinkelten Züchtung. Als erstes steht unterhalb der Züchtungsgrenzschicht auf Grund der stromernden Schmelze eine hervorragende Zirkulation der Schmelze. Dies ergibt ein wirksames fiatfernen von an der Züchtungsgrenzschicht abgewiesenen Verunreinigungen. Als zweites werden alle Vorteile der abgewinkelten Züchtung mit der Herstellungs- und Handhabungszweckmässigkeit eines senkrecht gezogenen Bands kombiniert.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 32 gezeigt, in der eine Rampe 421 einstückig mit einem Schmelztiegel 422 ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung tritt eine Schnur 423 durch eine tiefe Senkbohrung 424 ein und bewegt sich dann durch ein kapillares Rückhalterohr 426, deren Innenraum mit der Oberseite 428 der Rampe 421 in Verbindung steht. Die Schnur bewegt sich dann durch die bei 432 aus der Schmelze 434 gepumpte strömende Schmelze 430, wobei in senkrechter Richtung ein Band 436 gebildet wird. Diese Anordnung hat die Möglichkeit einer verbesserten mechanischen Stabilität und einer grösseren thermischen Gleichförmigkeit, verglichen mit der Anordnung von Fig. 31·

Der die geneigte Fläche abwärts erfolgende Strom wird hauptsächlich, durch die Schwerkraft und die Fluidviskosität kontrolliert. Die Oberfläche der die Rampe 421 hinabströmenden Flüssigkeit ist eine freie Oberfläche und befindet sich folg-

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lieh auf Umgebungstemperatur. Beim Verständnis der Züchtungsmechanismen des senkrechten Bands aus einer geneigten Fläche kann die mit der geneigten Fläche arbeitende Technik als eine Variante der unter einem Winkel gegenüber der Schmelze erfolgenden Züchtung des Bands betrachtet werden. Die Situation ist etwas abgeändert, da die Bewegung des Fluids die Rampe hinunter eine Wirkung auf die Züchtung haben kann und da die freie Schmelzenoberfläche nicht mehr senkrecht zum bchwerkraftvektor ist. Jedoch finden sie grundlegenden qualitativen Argumente, die vorher im Hinblick auf die Züchtung eines Bands unter einem Winkel gegenüber der Schmelzenoberfläche entwickelt wurden, Anwendung bei dieser Züchtungsanordnung. Fig. 31 und 32 zeigen, dass das Band, ebenso wie in Fig. 24, mit einer langgestreckten Grenzschicht gezüchtet wird. Tatsächlich kann die Züchtung von einer geneigten Fläche als grob parallel zur angewinkelten Züchtung des Bands aus einer waagerechten Schmelzenoberfläche betrachtet werden, wobei das gesamte um einen Winkel derart gedreht ist, dass das Band senkrecht gezüchtet wird, d. h. der Winkel Θ. (Fig. 3D = ö_a (Fig. 24).

Im Fall der Züchtung unter einem Winkel gegenüber der waagerechten Schmelzenoberfläche wurde angegeben, dass das Band natürlicherweise in einer Wannenform gezüchtet wird. Die in Fig. 28B gezeigte Lösung dieses Problems besteht darin, es dem Berührungswinkel des Heniskus an der Schmelzenoberfläche zu ermöglichen, einen anderen Wert als den tangentialen Wert an der Schmelzenoberfläche anzunehmen. Die senkrechte Züchtung eines Bands aus einer geneigten Fläche erzeugt dasselbe Problem der Bandwannenbildung. Die Lösung des Problems folgt in diesem Fall dem Prinzip von Fig. 28B.

Fig. 33 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform der Züchtung unter einem Winkel gegenüber der Schmelzenoberfläche bei Ermöglichung der Züchtung eines ebenen Bands. Bei dieser Ausführungsform ist die Rampe 421 mit einer plötzlichen Unstetigkeit 440 in der Oberseite 428 derart versehen,

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dass die Neigung der Fläche sich, längs einer zur Ebene des Bands 4-36 parallelen Linie plötzlich ändert. Über einem grossen Bereich von Strömungsparametern folgt die Strömung 4-30 dieser Unstetigkeit sehr eng, was eine scharfe Richtungsänderung der Schmelzenoberfläche ergibt. Wie im einzelnen in Fig. 34- gezeigt, kann sich ein Meniskus 442 an der Schnielzenober fläche 44-4- an Jedem beliebigen Ort um die bei 440 durch die Strömungsunstetigkeit gebildete Kante befestigen. Während somit die Meniskusfläche stets die örtliche Schmelzenoberfläche tangential treffen muss, wenn sie ihre Stellung um die durch die Strömungsunstetigkeit gebildete Kante ändert, ändert sich der Winkel Λ der Meniskusfläche an seinem Befestigungspunkt, entsprechend der Messung gegenüber einer Bezugslinie, etwa der Waagerechten 446. Somit funktioniert die Strömungsunstetigkeit von Fig. 34 genau in derselben Weise wie das Kapillarstabilisierungsboot von Fig. 29.

Es sei angegeben, dass andere Geometrien möglich sind, die zur Erzielung einer Kantenstabilisierung eine Strömungsunstetigkeit anwenden. Das wesentliche Erfordernis besteht in der Erzeugung einer freien Schmelzenoberfläche mit einer plötzlichen Richtungsänderung. Fig. 35 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Schmelze einen zentralen Strömungskanal 460 bis zum Scheitel einer zeltförmigen Rampe 462 hinaufgepumpt wird und dann die abgeschrägten Seiten 464 und 466 der Rampe 462 abwärtsströmt. Die plötzliche Änderung der Strömungsrichtung im Bereich 468 bewirkt die Bildung eines Bereichs von Befestigungswinkeln und eine grössere Änderung des Winkels der Meniskusfläche gegenüber der Waagerechten, als es bei der Anordnung von Fig. 33 der Fall ist. Wenn schliesslich zur Stabilisierung der Züchtung nur ein kleiner zulässiger Bereich der Winkeländerung der Meniskusfläche gegenüber der Waagerechten als ausreichend gefunden wird, kann dies durch die Anordnung von Fig. 36 bewirkt werden. Bei dieser Anordnung passt sich die Strömung 470 an einen hohlen Kanal 472 an, der in die Oberseite 474 der Rampe 476 eingearbeitet

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ist, wodurch ein kleiner Bereich der Winkelwahl durch die lieniskusflache an diesem Befestigungspunkt an der Schmelze vorgesehen wird.

Es sei angegeben, dass bei gewissen Strömungsanordnungen eine nach oben ragende Rippe den Kanal 472 von Fig. 36 ersetzen kann, um eine Stromungsunstetxgkeit zu bilden, an der ein Bereich von Befestigungswinkeln möglich ist.

Zusamiaengefasst wird bei den mit geneigter Fläche arbeitenden Ausführungsformen eine Strömungsunstetigkeit vorgesehen, um einen Bereich von Befestigungswinkeln derart zu ermöglichen, dass ein ebenes Band gezüchtet werden kann. Die Strömungsunstetigkeit wird in waagerechter Richtung in einer Ebene erzeugt, die parallel zu derjenigen des gezüchteten Bands ist, und kann durch verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Kanten, Scheiteln, Wannen und Rippen erzeugt werden.

Alle gerade beschriebenen Anordnungen benötigen zum Anheben der Schmelze auf die Spitze der Rampe eine Pumpe. Gemäss Fig. 37 kann ein elektromagnetisches Pumpen angewendet werden, bei dem durch ein Rohr 500 in Richtung eines Pfeils 502 Strom hindurchgeleitet werden kann. Hier ist das Rohr in die Schmelze 50^zl· eingetaucht. Ein durchquertes Magnetfeld 506, dargestellt durch mehrere X, verursacht eine Pumpwirkung mit dem Ergebnis einer Pumpenströmung 503 im Rohr bei Anwendung von Strom.

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7ο

Leerseite

Claims

Patentanwälte 3 1 O O 2 A BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ München 22 - Steinsdorfstr. 10 o52-31.839P(31.84oH) 7. Jan. 1981 Ansprüche

1. Verfahren zum kontinuierlichen Züchten von kristallinen oder halb-kristallinen bandähnlichen Körpern aus einer Schmelze desselben Materials, wobei ein Körper einen dünnen ebenen ungestörten langgestreckten Mittelabschnitt aufweist, der unmittelbar aus der Schmelzenoberfläche gezüchtet wird,
gekennzeichnet

- durch Ziehen des Körpers aus der Oberfläche der Schmelze und

- durch Stabilisieren der RandStellungen des Körpers durch längs dessen Ränder angeordnete Schnüre , die im in Züchtung befindlichen Band eingefroren werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre aus einem von der Schmelze abweichenden Material bestehen.

3· Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass sich die Schnüre im wesentlichen mit derselben Geschwindigkeit wie der Züchtungsrate des Bands durch die Schmelze bewegen.

O52-(SAC-3A)

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M-. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre während des Züchtens die Bänder eines Meniskus bilden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre durch die Schmelze befeuchtet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Band senkrecht zur Schmelzenoberfläche gezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Band gegenüber der Schmelze unter einem Winkel gezogen wird, der von der Senkrechten abweicht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schmelze aus Silicium besteht und

- dass die Schnüre aus einer aus Graphit, Kohlenstoff und Quarz bestehenden Gruppe gewählt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schmelze in einem oben offenen Schmelztiegel begrenzt wird und

- dass die Schnüre durch die Oberfläche der Schmelze eingeführt werden, um eine untergetauchte Rolle geführt werden und an der Oberfläche aus der Schmelze austreten.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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- dass die Schmelze in einem Schmelztiegel begrenzt wird, der in seinem Boden Löcher hat,

- dass die Schnüre durch die Löcher in die Schmelze eingeführt werden und

- dass die Oberflächenspannungskräfte die Schmelze gegen ein Aussickern halten.

11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre durch die Löcher eingeführt werden und

- dass an einer die Schnüre umgebenden Stelle Gasdruck angewendet wird zum Ausgleichen des durch die Druckhohe der Schmelze eingeleiteten Schwerkraftdrucks, wodurch Leckverluste ausgeglichen werden sollen.

12. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schmelze in einem Schmelztiefel begrenzt wird, der in seinem Boden Löcher hat,

- dass eine Schnur durch ein Loch im Boden des Schmelztiegels eintritt,

- dass in der Nähe der Schnureintrittsstelle am Boden des Schmelztiegels durch die Schmelze ein Strom geleitet wird,

- dass im wesentlichen senkrecht zur Stromrichtung ein Magnetfeld ausgeübt wird, und

- dass der Strom und das Magnetfeld derart ausgeübt werden, dass die in der Schmelze induzierten elektromagnetischen Kräfte die auf die Schmelze wirkenden Schwerkraftskräfte ausgleichen, wodurch Leckverluste verhindert werden.

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13. Verfahren nach .Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schmelzentiefe, durch die die Schnur hindurchgeführt wird, minimiert wird, wodurch die von der Schnur zur Schmelze erfolgende Einführung von Verunreinigungen minimiert wird.

14. Verfahren zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schnur in eine Schmelze in einem sciuiurstabilisierten Bandzüchtungssystem, gekennzeichnet durch ausreichendes Abkühlen der Schnur vor deren Eintritt in die Schmelze derart, dass die abgekühlte Schnur zum Festlegen von Verunreinigungen schnell eine Materialschicht um sich herum einfriert .

15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Wärmekapazität der Schnur ausreicht zum halten der gefrorenen Materialschicht während des gesamten Eintauchens der Schnur in der Schmelze.

16. Verfahren zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schnur in eine Schmelze bei einer schnurstabilisierten Züchtung eines Bands aus der Schmelze,

gekennzeichnet
-durch Leiten eines Stroms längs der Schnur, -wobei die Schnur aus einem derartigen Material besteht, dass sie mit dem Material der Schmelze als Thermoelement derart wirkt, dass bei Hindurchführung des Stroms durch die Schnur auf Grund des Peltier-Effekts so abgekühlt wird, dass beim Eintreten der Schnur in die Schmelze diese schnell in einer Materialschicht um die Schnur herum gefroren wird, wodurch Verunreinigungen festgelegt werden.

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Ί'7· Verfahren zum Iiinir.ieren der Einführung von Verunreinigungen aus einer Schmelze in ein aus dieser gezüchtetes Band,
gekennzei chnet

- durch konstantes Strömen der Schmelze unter der gezüchteten Grenzschicht im wesentlichen senkrecht zur -Ebene des gezüchteten Bands, wodurch die Verunreinigungen entfernt werden, die sich durch ihre Entmischung an der gezüchteten Grenzschicht aufbauen.

16. Verfahren nach Anspruch 17 <
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Strömung durch e2.ektromagnetisches Umrühren eingeleitet wird.

19. Verfahren zum iiinimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schmelze in einen hieraus gezüchteten Kristall,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schmelze ständig mit neuem fiohmaterial nachgefüllt wird, wobei während des Nachfüllvorgangs ständig eine Platerialmenge aus der Schmelze entfernt wird, wodurch die Konzentration an Verunreinigungen in der Schmelze und daher im gezüchteten Kristall verringert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,

- dass das Entfernen erfolgt durch Begrenzen der Schmelze auf einen Schmelztiegel, durch Versehen des Schmelztiegels mit einer Auslassöffnung und durch Vorsehen einer elektromagnetisch erzeugten Kraft an der Auslassöffnung, die der Strömung an der Auslassöffnung entgegenwirkt.

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21. Verfahren nach. Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schmelze in einem Schmelztiegel begrenzt wird,

- dass der Schmelztiegel mit einer Auslassöffnung versehen wird und

- dass eine Einrichtung vorgesehen wird, zum abwechselnden Einfrieren und Auftauen des Materials an der Auslassöffnung, wodurch das Entfernen gesteuert wird.

22. Kristallines oder halb-kristallines Band, gekennzeichnet

- durch eine ungestörte mittlere Bahn und

- durch gut definierte Ränder, in denen das Band Schnüre enthält, die in Längsrichtung verlaufen und in den Sandern des Bands eingebettet sind.

2.

3. Band nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Bandmaterial um die Schnüre eingefroren ist.

24. Band nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre durch das Bandmaterial befeuchtet sind.

25. Band nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre aus einem vom Material des Bands abweichenden Material bestehen.

26. Vorrichtung zum kontinuierlichen Züchten von kristallinen oder halb-kristallinen bandähnlichen Körpern aus einer Schmelze desselben Materials, wobei ein Körper einen ebenen ungestörten langgestreckten Mittelabschnitt aufweist, der unmittelbar aus der Schmelzenoberfläche gezüchtet ist,

gekennzeichnet

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- durch eine Einrichtung zum Ziehen des Körpers aus der Oberfläche der Schmelze und

- durch eine Einrichtung zum Stabilisieren der Randstellung des Körpers mit im Abstand befindlichen und längs der Ränder des Körpers angeordneten Schnüren, die in das in Züchtung befindliche Band eingefroren sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre aus einem vom Material der Schmelze abweichenden Material bestehen.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Bewegen der Schnüre durch die Schmelze mit im wesentlichen derselben Geschwindigkeit wie der Züchtungsrate des Bands.

29. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre derart wirken, dass sie während der Bandzüchtung die Ränder eines Meniskus bilden.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre durch die Schmelze befeuchtet werden.

31. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Ziehen des Bands senkrecht zur Schmelzenoberflache.

32. Vorrichtung nach Anspruch 26, gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Ziehen des Bands unter einem Winkel gegenüber der Schmelze, der von der Senkrechten abweicht.

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33· Vorrichtung nach Anspruch 26,
gekennzeichnet

- durch einen oben offenen Schmelztiegel zur Begrenzung der Schmelze und

- durch eine Einrichtung zum Einführen der Schnüre in die Schmelze durch deren Oberfläche,

- vjobei die letztgenannte Einrichtung eine untergetauchte Rolle und eine Einrichtung enthält, zum Zuführen der Schnüre um die ßolle derart, dass die Schnüre an der Oberfläche der Schmelze austreten.

34-. Vorrichtung nach Anspruch 26,
gekennzeichnet

- durch einen Schmelztiegel zur Begrenzung der Schmelze, der in seinem Boden Löcher hat, und

- durch eine Einrichtung zum Einführen der Schnüre in die Schmelze durch die Löcher,

- wobei die Oberflächenspannungskräfte die Schmelze gegen Aussickern halten.

35. Vorrichtung nach Anspruch 26,
gekennzeichnet

- durch einen Schmelztiegel zur Begrenzung der Schmelze, der in seinem Boden Löcher hat,

- durch eine Einrichtung zum Einführen tier Schnüre durch die Löcher und

- durch eine Einrichtung zum Ausüben von Gasdruck an einer eine Schnur umgebenden Stelle zum Ausgleichen der durch Gravitationsdruck eingeleiteten Druckhöhe der Schmelze, wodurch Leckverluste verhindert werden.

36. Vorrichtung nach Anspruch 26,
gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Einführen einer Schnur durch

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ein Loch im Boden des Schmelztiegels,

- durch eine Einrichtung zum Leiten eines Stroms durch die Schmelze in der iiähe des Schnureintrittspunkts im Boden des Schnielztiegels und

- durch eine Einrichtung zum Ausüben eines Magnetfelds im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Stroms,

- wobei der Strom und das Magnetfeld so ausgeübt werden, dass die induzierten elektromagnetischen Kräfte in der Schmelze die auf sie wirkenden Gravitationskräfte ausgleichen, wodurch Leckverluste verhindert werden.

37. Vorrichtung zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schnur in eine Schmelze in einem schnurstabilisierten Bandzüchtungssystem, gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum s.usreichenden Abkühlen der Schnur vor deren Eintritt in die Schmelze derart, dass die abgekühlte Sclinur zur Festlegung von Verunreinigungen schnell eine Materialschicht um sich herum einfriert.

38. Vorrichtung nach Anspruch 5⁷,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Wärmekapazität der Schnur ausreicht zum HcIten der eingefrorenen Katerialschicht während des gesamten Eintauchens der Schnur in der Schmelze.

39. Vorrichtung zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schnur in eine Schmelze bei einer schnurstabilisierten Züchtung eines Bands aus der Schmelze,

gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Leiten eines Stroms längs der Schnur,

- wobei die Schnur aus einem Material besteht, das mit dem Material der Schmelze als Thermoelement derart

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wirkt, dass beim Leiten von Strom durch die Schnur diese durch den Peltier-Effekt so abgekühlt wird, dass bei ihrem Eintreten in die Schmelze diese schnell in eine Material schicht um die Schnur herum eingefroren wird, wodurch Verunreinigungen festgelegt werden.

40. Vorrichtung zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schmelze in ein aus der Schmelze gezüchtetes Band,
gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum ständigen Strömen der Schmelze unter der gezüchteten Grenzschicht im wesentlichen senkrecht zur Ebene des gezüchteten Bands zum Entfernen von Verunreinigungen, die sich durch das Entmischen der Verunreinigungen an der gezüchteten Grenz seid, cht aufbauen.

41. Vorrichtung nach Anspruch 40,
gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Einleiten einer Strömung durch elektromagnetisches Umrühren.

42. Vorrichtung zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen von einer Schmelze in einen hieraus gezüchteten Kristall,

dadurch gekennzeichnet

- dass die Schmelze ständig mit Rohmaterial nachgefüllt wir d,

- wobei eine Einrichtung vorgesehen ist zum ständigen Entfernen einer Materialmenge aus der Schmelze während des Hachfüllvorgangs.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42,
gekennzeichnet

- durch einen Schmelztiegel mit einer Auslassöffnung und

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- durch eine Einrichtung zum Ausüben eines elektromagnetischen Felds an der Auslassöffnung derart, dass die daraus austretende Strömung behindert wird.

44. Vorrichtung nach Anspruch 42,
gekennzeichnet

- durch einen Schmelztiegel mit einer Auslassöffnung und

- durch eine Einrichtung zum abwechselnden Einfrieren und Auftauen des Materials an der Auslassöffnung zur Steuerung des Entfernens.

45. Vorrichtung zum kontinuierlichen und aus einer Schmelze erfolgenden Züchten eines kristallinen oder halbkristallinen Bands mit Randstabilisierungsschnüren, gekennzeichnet

- durch eine Kammer,

- durch einen Schmelztiegel mit einem Raum zur Aufnahme der Schmelze,

- durch eine Einrichtung zum Tragen des Schmelztiegels innerhalb der Kammer,

- durch eine Einrichtung zum Einführen der Schnüre in engem Abstand durch den die Schmelze aufnehmenden Raum,

- durch eine Einrichtung zum Ziehen der Schnüre und

- durch eine Einrichtung zum Erhitzen des Schmelztiegels, wodurch das Band bei seinem Ziehen aus der Schmelze zwischen den Schnüren gezüchtet wird.

46. Vorrichtung nach Anspruch 45,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel Kanäle aufweist, die sich durch ihn seitlich unter dem die Schmelze enthaltenden Raum erstrecken, und

- dass die Erhitzungseinrichtung Heizstäbe mit in den Kanälen angeordneten Teilen aufweisen.

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47. Vorrichtung nach. Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Heizeinrichtung elektrisch leitende Kontaktblöcke aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Schmelztiegels befestigt sind, und

- dass jeder Kontaktblock Öffnungen aufweist zur Aufnahme der Heizstabenden in einem gleitenden Federsitz, der eine Längsbewegung der Heizstabenden gegenüber einem entsprechenden Kontaktblock ermöglicht zur Aufnahme der Zusammenziehung und Ausdehnung der Heizstäbe.

48. Vorrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Enden der Heizstäbe Längsschlitze aufweisen, um eine radiale Zusammendrückung des entsprechenden Endes zu ermöglichen.

49. Vorrichtung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet,

- dass ein Längsschlitz in einer Ebene liegt und sich vollständig von einer Seite eines Heizstabendes zur anderen Seite erstreckt.

50. Vorrichtung nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Heizstabende einen ringförmigen erhabenen Teil aufweist.

51. Vorrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Einrichtung zum Tragen des Schmelztiegels eine Anzahl von Tragpfosten aufweist, die den Boden des Schmelztiegels aufweist,

- dass zwei diametral gegenüberliegende Tragpfosten an ihren Oberseiten Fixierstifte aufweisen,

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- dass der Boden des Schmelztiegels radiale Schlitze aufweist, die die Fixierstifte aufnehmen können, wodurch der Schmelztiegel innerhalb der Kammer festgelegt und darin getragen ist, und

- dass die Winkelausrichtung des Schmelztiegels durch die Fixierstift-Schiitz-Anordnung unabhängig von der Zusammenziehung und Ausdehnung des Schmelztiegels aufrechterhalten wird.

52. Vorrichtung nach Anspruch 4-5,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Einrichtung zum Tragen des Schmelztiegels innerhalb der Kammer enthält: einen Sockel mit einer zentralen Bohrung, ein durch die zentrale Bohrung sich aufwärts erstreckendes Rohr und eine Einrichtung zum Befestigen des Rohrs an der Mitte des Bodens des Schmelztiegels, wodurch der Schmelztiegel senkrecht zum Sockel festgelegt ist.

53- Vorrichtung nach Anspruch 52,
dadurch gekennzeichnet,

- dass das sich durch den Sockel erstreckende Rohr eine an ihrem Ende befestigte Temperaturabfühleinrichtung aufweist.

54-. Vorrichtung nach Anspruch 53»
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Temperaturabfühleinrichtung ein Thermoelement aufweist,

- dass das Rohr eine zentrale Bohrung von ausreichendem Durchmesser aufweist zur Aufnahme des Thermoelements und

- dass das Rohr den Schmelztiegel festlegt und das Thermoelement schützt.

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55· Vorrichtung nach. Anspruch 45,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel am Boden des Raums Öffnungen aufweist zur Aufnahme der hindurchverlaufenden Schnüre in engem Abstand,

- dass der Schmelztiegel nach unten abstehende Rohre aufweist, deren jedes Ende mit einer der Öffnungen in Verbindung steht, und

- dass die Rohre einen derartigen Durchmesser aufweisen, dass die Schmelze darin durch Kapillarität gehalten wird.

56. Vorrichtung nach Anspruch 55,
dadurch gekennzeichnet,

- dass jedes der Rohre eine Einrichtung aufweist, die an der Aussenseite des Rohrs an dem mit der Öffnung in Verbindung stehenden gegenüberliegenden Ende festgelegt ist, um ein Hinaufkriechen des Meniskus an der Aussenseite des Rohrs zu verhindern.

57· Vorrichtung nach Anspruch 56,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die das Hinaufkriechen des Meniskus verhindernde Einrichtung an der Aussenfläche des Rohrs eine Unstetigkeit aufweist.

58. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel eine an jede Öffnung angrenzende Senkbohrung aufweist und

- dass sich das entsprechende Rohr innerhalb einer entsprechenden Senkbohrung derart befindet, dass die Wände der Senkbohrung sich im Abstand vom entsprechenden Rohr befinden,

- wodurch die von einem ein Rohr umgebenden Teil des Schmelztiegels ausgehende Wärme die Schmelze am Einfrieren im Rohr hindert.

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59· Vorrichtung nach Anspruch 45,
gekennzei chnet

- durch einen in der Kammer angeordneten Sockel mit Öffnungen zur Aufnahme der Tragpfosten, Feststellstifte und Schnüre,

- durch einen an der Oberseite des Sockels angebrachten unteren Isolierblock mit Öffnungen zur Aufnahme der Feststellpfosten, Fixierstifte und Schnüre, wobei der Schmelztiegel an der Oberseite des unteren Isolierblocks angebracht ist,

- durch einen die Seiten des Schmelztiegels umgebenden oberen Isolierblock, der auf dem unteren Isolierblock getragen ist und folgendes aufweist: Öffnungen zur Aufnahme der Feststellstifte und Öffnungen in den gegenüberliegenden Seitenwänden zur Aufnahme der sich hindurch erstreckenden Heizstäbe,

- durch an entsprechenden Öffnungen am Sockel befestigte Fixierstifte, die durch den unteren und den oberen Isolierblock hindurchragen,

- durch Tragpfosten für den Schmelztiegel, die in entsprechenden Öffnungen des Pfostens befestigt sind und durch entsprechende Öffnungen im unteren Isolierblock hindurchragen,

- durch zwei Heizelementkontaktblöcke,

- durch Tragpfosten zum Positionieren der Heizelementkontaktblöcke angrenzend an gegenüberliegenden Seiten des Schmelztiegels, wobei die Kontaktblock-Tragpfosten gegenüber dem Sockel isoliert und an diesem befestigt sind und wobei der Schmelztiegel durch seinen Boden seitlich verlaufende Kanäle aufweist, und

- durch Heizstäbe,die sich von einem Kontaktblock aus erstrecken: durch Öffnungen in einer Seitenwand des oberen Isolierblocks, durch die Kanäle im Schmelztiegel und durch Öffnungen in den gegenüberliegenden Seitenwänden des oberen Isolierblocks zum anderen der Kontaktblöcke.

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60. Vorrichtung nach Anspruch 59* gekennzeichnet

- durch eine WärmeabSchirmeinrichtung, die oberhalb des Schmelztiegels angeordnet und an der Oberseite des oberen Isolierblocks befestigt ist,

- wobei die Wärmeabschirmeinrichtung waagerecht und senkrecht beabstandete Platten aufweist, und

- wobei der Abstand in der waagerechten Richtung ein Spiel bildet für den Austritt des durch das Ziehen der Schnüre aus dem Schmelztiegel geformten Band.

61. Vorrichtung nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel und die Einrichtung zum Tragen des Schmelztiegels aus Kohlenstoff hergestellt sind.

62. Vorrichtung nach Anspruch 4-5» gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum Entfernen der Schmelze aus dem Schmelztiegel.

63· Vorrichtung nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Einrichtung zum Entfernen der Schmelze eine hohle Leitung aufweist, die an einem Ende mit dem die Schmelze enthaltenden Raum in Verbindung steht, und

- dass die Länge und der Durchmesser der Leitung so bemessen sind, dass Leckverluste an Schmelze durch kapillare Rückhaltung verhindert werden,

- durch einen Behälter am anderen Ende der Leitung und

- durch eine mit dem Behälter in Verbindung stehende Einrichtung zum Entleeren der Leitung, wodurch Schmelze aus dem Schmelztiegel in den Behälter tropft.

64. Vorrichtung nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet,

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- dass der Schmelztiegel Schnureinführungsrohre aufweist, die eine gegebene Druckhöhe der Schmelze tragen können,

- dass die Einrichtung zur Entfernung der Schmelze eine Schmelzenentfernungskapillare aufweist, die mit dem die Schmelze enthaltenden Raum in Verbindung steht und einen Durchmesser sowie eine Länge derart aufweist, dass sie einen Betrag an Schmelzendruckhöhe trägt, wodurch sicher gestellt ist, dass das Entfernen von Schmelze an der die Schmelze entfernenden Kapillare anstatt am Schnureinführungsrohr stattfindet, wenn eine zusätzliche Menge der Schmelze zugeführt wird.

65. Vorrichtung nach Anspruch 4-5,
gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung, die eine Veränderung der Winkelausrichtung der Meniskusfläche an ihrem unteren Befestigungspunkt zulässt, wodurch eine Biegung des Bands verhindert wird, wenn dieses nicht senkrecht gezogen wird.

66. Vorrichtung nach Anspruch 65,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Einrichtung zur Ermöglichung einer Veränderung der Winkelausrichtung ein durch die Schmelze befeuchtetes Glied aufweist.

67. Vorrichtung nach Anspruch 66,
dadurch gekennzeichnet,

- dass das Glied eine Wand mit einem geraden Rand aufweist, der parallel zur Ebene des Bands ist und von dieser Ebene im Abstand verläuft.

68. Vorrichtung nach Anspruch 66,
dadurch gekennzeichnet,

- dass das Glied einen U-förmigen Querschnitt hat.

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69. Vorrichtung nach Anspruch 45,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel eine geneigte Fläche mit sich hindurch erstreckenden Schnureinführungsöffnungen aufweist, die in engem waagerechten Abstand quer durch die geneigte Fläche positioniert sind,

- dass die Bandzieheinrichtung eine Einrichtung aufweist zum senkrechten Ziehen der Schnüre durch die Schnureinführungsöffnungen, und

- dass die Vorrichtung eine Einrichtung aufweist zum Leiten von Schmelze aus dem Schmelztiegel zur Oberseite der geneigten Fläche derart, dass die Schmelze die geneigte Fläche bis zu der Stelle abwärts rinnt, an der die Schnüre durch die Öffnungen gezogen werden.

70. Vorrichtung nach Anspruch 69,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die leitende Einrichtung enthält: eine Leitung, deren eines Ende in der Schmelze eingetaucht ist, und eine Einrichtung zum elektromagnetischen Pumpen von Schmelze durch die Leitung.

71. Vorrichtung nach Anspruch 69,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die geneigte Fläche eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strömungsunstetigkeit oberhalb der Schnureinführungsöffnungen aufweist, und

- dass die Strömungsunstetigkeit sich in einer Ebene befindet, die zur Ebene des Bands parallel ist, wodurch das Züchten eines ebenen Bands erleichtert wird.

72. Vorrichtung nach Anspruch 45,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel durch seinen Boden verlaufende Öffnungen aufweist zur Aufnahme der Einführung der Schnüre,

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- dass der Schmelztiegel an den Schnureinführungsöffnungen nach unten ragende Rohre aufweist, und

- dass die Vorrichtung Schnurführungsröhre aufweist, die angrenzend an die nach unten ragende Rohre positioniert sind zum Führen der Schnüre, wenn ein nach oben durch den Schmelztiegelraum erfolgendes Einsetzen der Schnüre durch die nach unten ragende Rohre erwünscht ist.

73· Vorrichtung nach Anspruch 72,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnurführungsröhre an beiden Enden Einsätze mit einer sich hindurcherstreckenden zentralen Bohrung aufweisen, die an Jedem Ende des Einsatzes nach aussen abgeschrägt ist.

74. Vorrichtung nach Anspruch 45,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Schmelztiegel durch seinen Boden verlaufende Schnureinführungsöffnungen und eine Einrichtung aufweist, zum Erzeugen eines Schutzgasraums angrenzend an die Öffnungen, an denen die Schnüre durch den Boden des Schmelztiegels eingeführt werden.

75. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Schnüre aus Siliciumcarbid hergestellt werden.

76. Vorrichtung in einem System, das einen eine Schmelze enthaltenden Raum verwendet,

- zum Minimieren der Einführung von Verunreinigungen aus der Schmelze in einen hieraus gezüchteten Kristall,

- wobei die Schmelze ständig mit neuem Rohmaterial nachgefüllt wird,

gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum ständigen Entfernen einer Menge an Material aus der Schmelze während des Nachfüllvorgangs,

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310Q245

- wobei die die Schmelze entfernende Einrichtung eine hohle Leitung aufweist, die an einem Ende mit dem die Schmelze enthaltenden Raum in Verbindung steht, und

- wobei die Länge und der Durchmesser der Leitung so bemessen sind, dass Leckverluste an Schmelze durch kapillare Rückhaltung vermieden werden,

- durch einen Behälter am anderen Ende der Leitung und

- durch eine zum Entleeren der Leitung mit dem Behälter in Verbindung stehende Einrichtung,

- wodurch Schmelze aus dem Schmelztiegel in den Behälter tropft.

77* Vorrichtung in einem System, das einen eine Schmelze enthaltenden Raum verwendet,

- wobei die Schmelze ständig mit neuem Rohmaterial nachgefüllt wird,

gekennzeichnet

- durch eine Einrichtung zum kontinuierlichen Entfernen einer Menge an Material aus der Schmelze während des Hachfüllvorgangs,

- wobei der Schmelztiegel Schnureinführungsrohre aufweist, die eine gegebene Druckhöhe der Schmelze tragen können, und

- dass die Einrichtung zum Entfernen der Schmelze eine die Schmelze entfernende Kapillare aufweist, die mit dem die Schmelze enthaltenden Raum in Verbindung steht und einen Durchmesser sowie eine Länge derart hat, dass sie einen Betrag der Schmelzendruckhöhe trägt,

- wodurch sichergestellt ist, dass das Entfernen von Schmelze an der die Schmelze entfernenden Kapillare anstatt am Schnureinführungsrohr stattfindet, wenn zusätzliches Material der Schmelze hinzugefügt wird.

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