DE3136454A1

DE3136454A1 - Process and appliance for forming crystalline strip from a melt

Info

Publication number: DE3136454A1
Application number: DE19813136454
Authority: DE
Inventors: David N. 01451 Harvard Mass. Jewett
Original assignee: Energy Materials Corp
Current assignee: Energy Materials Corp
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1981-09-14
Publication date: 1983-03-24

Abstract

The invention relates to a process and an appropriate appliance for the continuous formation of monocrystalline silicon strips. A seed crystal (34) is disposed on the surface of a bath (12) of molten silicon and is drawn, at a small angle above the horizontal, across the edge (36) of a meniscus agglomeration or adhesion part (20) with a speed which is adjusted to the growth rate of the strip (14). The formation of the strip is in part controlled by an immersed stabiliser (22) which is arranged below the silicon melt below the front edge of the strip at the surface of the silicon. A thermal resistance is designed to be present below the surface of the molten silicon in order to provide stability during the formation of the strip, as well as a correct temperature gradient, thus resulting in effective formation of the strip from the molten material. <IMAGE>

Description

Verfahren und Vorrichtung zum BildenMethod and apparatus for forming

von Kristallband aus einer Schmelze Beschreibung Die Erfindung betrifft allgemein die Bildung eines Einkristallbandes, und insbesondere ist sie gerichtet auf ein neuartiges Verfahren und eine zugeordnete Vorrichtung für kontinuierliche Bildung von Siliciumkristallbändern.of crystal ribbon from a melt Description Die The invention relates generally to the formation of a single crystal ribbon, and more particularly it is directed to a novel method and associated device for continuous formation of silicon crystal ribbons.

Halbleitende Einkristallplättchen oder -scheiben (wafers) für verschiedene elektronische Anwendungen wurden bisher typisch in Form von Stäben gezüchtet bzw. wachsen gelassen, indem ein Anregekristall oder Keimkristall aus einem Bad geschmolzenen Siliciums langsam nach oben gezogen wurde. Der Stab wird, wenn er gebildet ist, in dünne Plättchen geschnitten, die wiederum zu kleineren halbleitenden Komponenten oder Bauteilen geschnitten werden können. Diese Arbeitsweise ist sehr langsam und teuer im Hinblick auf die Tatsache, daß eine große Menge des Materials beim Schneidvorgang vergeudet wird.Semiconducting single crystal wafers for various Electronic applications have so far typically been grown or grown in the form of rods. grown by melting an excitation crystal or seed crystal from a bath Silicon was slowly pulled up. When the staff is formed, cut into thin flakes, which in turn become smaller semiconducting components or components can be cut. This way of working is very slow and expensive in view of the fact that a large amount of the material is involved in the cutting process is wasted.

Um gewisse oder einige der Probleme zu beseitigen, die den Techniken des senkrechten oder vertikalen Ziehens innewohnen, wurde beträchtlicher Aufwand dahingehend gerichtet, das halbleitende Material direkt zu einem Band zu bilden, wodurch die Vergeudung bzw. der Abfall vermieden und die Zeit eingespart wird, die erforderlich ist, um die Stäbe zu Plättchen zu schneiden. Ein dünnes monokristallines Band kann, wenn es einmal gebildet ist, in zweckentsprechender Weise in einem gewünschten Muster gerieft werden,und die verschiedenen Elemente können von dem Band abgebrochen werden zur Verwendung als halbleitender Bauteil.To eliminate some or some of the problems that the techniques inherent in vertical or vertical pulling involved considerable effort directed to form the semiconducting material directly into a tape, thereby avoiding the waste and saving the time that is required to cut the rods into platelets. A thin monocrystalline Once formed, tape can be used in an appropriate manner in a desired manner Patterns can be scored, and the various elements can be broken off the tape are used as a semiconducting component.

Es ist zwar möglich, ein dünnes Band direkt durch einen Schlitz in einer Form in senkrechter Richtung oberhalb eines Bades geschmolzenen Materials zu ziehen, jedoch ist diese Arbeitsweise außerordentlich langsam. Neuere Versuche wurden dahingehend gerichtet, ein Band waagerecht von der Oberfläche eines Bades geschmolzenen halbleitenden Materials abzuziehen, und eine solche Technik schafft einen größeren Feststoff/Flüssigkeits-Grenzflächenbereich der Kristallbildung, und sie ist demgemäß produktiver als die Arbeitsweisen, bei denen senkrechtes Kristallwachsen bzw. senkrechte Kristallzüchtung stattfindet. Jedoch sind die Techniken und Vorrichtungen, die bisher angewendet wurden, beim Züchten von monokristallinen halbleitenden Bändern unter Benutzung waagerechten Ziehens vom Standpunkt der Qualität, der gleichmäßigen Dicke und Breite und vom Standpunkt der Arbeitssstabilität her nicht zufriedenstellend gewesen.While it is possible to put a thin ribbon straight through a slot in a shape vertically above a bath of molten material to pull, but this way of working is extremely slow. Recent attempts were directed to a tape horizontally from the surface of a bath to withdraw molten semiconducting material, and one such Technology creates a larger solid / liquid interface area of crystal formation, and it is accordingly more productive than the methods in which the crystals are grown perpendicularly or vertical crystal growth takes place. However, the techniques and devices previously used in growing monocrystalline semiconducting ribbons using horizontal pulling from the standpoint of quality, uniform Thickness and width, and unsatisfactory from the standpoint of working stability been.

Demgemäß besteht-ein Zweck der vorliegenden Erfindung darin, Verbesserungen zu schaffen bei einem Verfahren und einer zugeordneten Vorrichtung zum Bilden von halbleitenden kristallinen Bändern auf kontinuierlicher Basis.Accordingly, one purpose of the present invention is to provide improvements to be created in a method and an associated apparatus for forming semiconducting crystalline ribbons on a continuous basis.

Ein anderer Zweck der Erfindung besteht darin, ein neuartiges Verfahren und eine zugeordnete Vorrichtung zu schaffen, um hochqualitative halbleitende Bänder mit hoher Produktionsgeschwindigkeit und mit gleichmäßigen Abmessungen zu erzeugen.Another purpose of the invention is to provide a novel method and to provide associated apparatus for making high quality semiconducting tapes with high production speed and with uniform dimensions.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum kontinuierlichen Züchten oder Wachsenlassen eines Bandes aus kristallinem halbleitendem Material, und dieses Verfahren umfaßt die Schritte des Bildens eines Bades geschmolzenen halbleitenden Materials, des Anordnens eines kristallinen Keimes an der Oberfläche dieses Bades, des Ziehens des Keimes in einem kleinen Winkel von der Oberfläche des Bades und über die Kante einer Meniskusanlagerungs- oder -ahhaftungswand in einem Ausmaß bzw. in einer Geschwindigkeit entsprechend der Bildung des festen Kristallbandes, und des Steuerns und Stabilisierens des Ausmaßes bzw. der Geschwindigkeit der Kristallbildung hinsichtlich Breite und Dicke unterhalb der Badoberfläche des geschmolzenen halb leitenden Materials.The invention provides a method for continuous growing or Growing a ribbon of crystalline semiconducting material, and this method comprises the steps of forming a bath of molten semiconducting material, of placing a crystalline seed on the surface of this bath, of pulling of the germ at a small angle from the surface of the bath and over the edge a meniscus attachment or attachment wall to an extent or rate corresponding to the formation of the solid crystal band, and the control and stabilization the extent or the speed of crystal formation in terms of width and Thickness below the bath surface of the molten semi-conductive material.

Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Verwendung bei der kontinuierlichen Erzeugung oder Herstellung von kristallinen halbleitenden Bändern, und die Vorrichtung umfaßteinen relativ flachen Trog, der eine Menge geschmolzenen Materials enthalten kann, einen Abstreicher, der unter der Oberfläche des geschmolzenen Materials derart angeordnet ist, daß seine obere Kante nahe der genannten Oberfläche liegt und so ausgebildet ist, daß sie einen erhöhten Meniskus zwischen der unteren Fläche des Bandes, welches in einem kleinen Winkel über die Kante der Meniskusanlagerungswand - gezogen wird und der Oberfläche des geschmolzenen Materials gebildet ist. Eine die sich vorwärts bewegende Kante stabilisierende Einrichtung ist unter der Oberfläche des Bades geschmolzenen Materials und unter der sich vorbewegenden Kante des festen Bandes angeordnet für automatisches Kompensieren oder Ausgleichen von Änderungen der Ziehgeschwindigkeit, der Wachstlmsgeschwandigkeit, der Temperatur der Schmelze und anderer Faktoren.The invention also provides an apparatus for use in continuous production or manufacture of crystalline semiconducting ribbons, and the apparatus comprises a relatively shallow trough containing a quantity of molten May contain a scraper that is beneath the surface of the molten material Material is arranged so that its upper edge is close to said surface and is designed so that it has a raised meniscus between the lower Area of the band that extends at a small angle over the edge of the meniscus attachment wall - is drawn and the surface of the molten material is formed. One the advancing edge stabilizing device is below the surface of the bath of molten material and under the advancing edge of the solid Ribbon arranged for automatic compensation or compensation for changes the drawing speed, the growth rate, the temperature of the melt and other factors.

Seitliche Stabilisatoren sind auf jeder Seite des Bandes unter der Oberfläche der Menge geschmolzenen Materials vorgesehen, um die Breite des Bandes zu steuern,und ein Wärmewiderstand ist unter der Zwischenfläche des Bandes und des flüssigen Materials angeordnet, um Wärmekonvektion zu steuern.Side stabilizers are on each side of the belt under the Surface of the amount of molten material provided to the width of the belt to control, and a thermal resistance is under the interface of the belt and the liquid material arranged to control thermal convection.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.The invention is illustrated below with reference to the drawing, for example explained.

Fig. 1 ist eine seitliche Schnittansicht einer Vorrichtung zum Züchten eines Kristallbandes gemäß der Erfindung.Fig. 1 is a side sectional view of an apparatus for growing a crystal ribbon according to the invention.

Fig. 2 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1.FIG. 2 is a fragmentary view, on an enlarged scale, of FIG Device according to FIG. 1.

Fig. 3 ist eine Draufsicht der Fig. 2.FIG. 3 is a top view of FIG. 2.

Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 4-4 der Fig. 3.FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of FIG. 3.

Fig. 5 ist eine etwas schematische Draufsicht, in welcher die Züchtungscharakteristiken bzw. Wachstumscharakteristiken eines Bandes wiedergegeben sind, welches gemäß der Erfindung hergestellt ist.Fig. 5 is a somewhat schematic plan view showing the growth characteristics and growth characteristics of a band are shown, which according to FIG Invention is made.

Fig. 6 ist eine Draufsicht einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.6 is a top plan view of an alternate embodiment of FIG Invention.

Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 7-7 der Fig. 6.FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 of FIG. 6.

Fig. 8 ist eine Draufsicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.Fig. 8 is a plan view of another modified embodiment the invention.

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht nach Linie 9-9 der Fig. 8.FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line 9-9 of FIG. 8.

Fig.10 ist eine geschnittene schaubildliche Ansicht der Ausführungsform gemäß der Fig. 8.Fig. 10 is a sectional perspective view of the embodiment according to FIG. 8.

Fig.11 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 1.Fig. 11 is a partial sectional view on an enlarged scale the embodiment according to FIG. 1.

Fig.12 ist eine seitliche Schnittansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.Fig. 12 is a side sectional view of another modified one Embodiment of the invention.

Gemäß der Erfindung wird ein kontinuierliches Band gebildet durch Anordnen eines Keimkristalls oder Anregekristalls an der Oberfläche eines Bades geschmolzenen Siliciums, wobei die Temperatur an der Oberfläche so eingestellt ist, daß Verfestigung hervorgerufen ist. Der Keimkristall bzw. Anregekristall wird dann von der Oberfläche der Menge geschmolzenen Siliciums abgezogen, und zwar in einem kleinen positiven spitzen Winkel über die obere Kante einer Wand und in einem Ausmaß bzw. mit einer Geschwindigkeit, die angepaßt ist an die Geschwindigkeit des Wachsens der Vorderkante des Kristalls in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung, in welcher gezogen wird. Das Bad geschmolzenen Siliciums wird auf geringer Tiefe und auf relativ konstanter Höhe gehalten, um zu gewährleisten, daß die Vorderkante oder die Vorbewegungskante des Bandes an der Feststoff/Flüssigkeits-Grenzfläche stabil bleibt. Das Wachsen des Kristalls wird stabilisiert durch automatisches Erhöhen oder Verringern der Vorbewegungsgeschwindigkeit der Bandwachstumskante, indem die sich vorbewegende Kante des Bandes unterhalb der Badoberfläche des geschmolzenen Siliciums über einen Stabilisator bewegt wird. Das Band wird weiterhin unterhalb der Badoberfläche des geschmolzenen Siliciums zwischen seitliche Stabilisatoren gerührt, welche die Breite des Bandes steuern.According to the invention, a continuous belt is formed by Arranging a seed crystal or excitation crystal on the surface of a bath molten silicon, the temperature at the surface being set so that that solidification is caused. The seed crystal or excitation crystal is then withdrawn from the surface of the amount of molten silicon, all in one small positive acute angle across the top edge of a wall and to an extent or at a speed that is adapted to the speed of growing the leading edge of the crystal in a direction opposite to Direction in which to pull. The bath of molten silicon decreases Depth and kept at a relatively constant height to ensure that the leading edge or the leading edge of the belt at the solid / liquid interface remains stable. The growth of the crystal is stabilized by increasing it automatically or reducing the advancement speed of the ribbon growth edge by the advancing edge of the belt below the bath surface of the molten Silicon is moved over a stabilizer. The tape will continue underneath the bath surface of the molten silicon between lateral stabilizers stirred, which control the width of the belt.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Durchführen des obengenannten Verfahrens dargestellt, nämlich des Verfahrens zum kontinuierlichen Ziehen eines Kristallbandes aus einer Siliciumschmelze gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung ist allgemein um ein Gefäß 10 herum aufgebaut, welches ein flacher Trog ist , der eine Menge einer Siliciumschmelze 12 enthalten kann, von deren Oberfläche ein Band 14 aus kristallinem Silicium gezogen wird. Der Trog ist sehr flach im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen, und durch seine Ausführung ist in großem Ausmaß der nachteilige Effekt verringert, der sich aus den Konvektionsströmen ergibt, die bei tiefen Trögen üblicherweise vorhanden sind, welche bei Ausrüstung zum Kristallziehen gewöhnlich verwendet werden. Die Gestaltung der Kristallzüchtungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist derart, daß der Wachstumsbereich des Bandes von der Hauptmasse des Schmelzereservoirs entfernt ist bzw. in einem Abstand liegt.In Fig. 1 is an apparatus for performing the above method shown, namely the method for continuously pulling a crystal ribbon from a silicon melt according to the invention. The device is generally around a vessel 10 is built around, which is a shallow trough containing a lot of one Silicon melt 12 may contain, from the surface of which a band 14 of crystalline Silicon is drawn. The trough is very shallow compared to known devices, and by its execution the adverse effect is reduced to a great extent, which results from the convection currents that usually occur with deep troughs which are commonly used in crystal pulling equipment. The design of the crystal growing device according to the invention is such, that the growth area of the ribbon is removed from the bulk of the melt reservoir is or is at a distance.

Das Gefäß 10 ist vorzugsweise aus Hochtemperaturmaterial hergestellt, welches mit dem geschmolzenen Silicium nicht reagiert. Es ist gefunden worden, daß Quarz für diesen Zweck zufriedenstellende Ergebnisse liefert. Der Tiegel 10 der.The vessel 10 is preferably made of high temperature material manufactured, which does not react with the molten silicon. It has been found that Quartz gives satisfactory results for this purpose. The crucible 10 of the.

dargestellten Ausführungsform ist allgemein rechtwinklig, und er umfaßt eine Bodenwand 16 und niedrige umgebende Seitenwände 18, zwischen denen das geschmolzene Silicium 12 enthalten ist. In dem Tiegel 10 sind mehrere passive Elemente angeordnet, welche zur richtigen Bildung des Bandes 14 beitragen. Diese Elemente umfassen eine aufrechtstehende Wand 20, eine die sich vorbewegende Kante stabilisierende Einrichtung 22, einen Wärmewiderstand 24 und zwei seitliche Stabilisatoren 26 und 28. Aktive Bauteile für die Vorrichtung umfassen eine Wärmequelle 30, die typisch in oder unter der Bodenwand 16 angeordnet ist. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung einen Mechanismus 32 zum Halten eines Anregekristalls oder Keimkristalls und zum Ziehen, und der Mechanismus 32 kann einen Keimkristall oder Anregekristall 34 erfassen, ihn an der Oberfläche der Siliciumschmelze 12 halten, wenn das Band 14 sich bildet, und den Keimkristall oder Anregekristall und das Band 14 mit konstanter Geschwindigkeit abziehen, und zwar in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des Wachsens des Kristalls. Der Kristallziehmechanismus 32 ist so angeordnet, daß er das Band 14 in einem kleinen positiven spitzen Winkel von typisch 50 gegenüber der Waagerechten mit einer Geschwindigkeit zieht, die im wesentlichen gleich zu der Geschwindigkeit der Kristallbildung auf der Badoberfläche der Schmelze 12 ist.illustrated embodiment is generally rectangular and includes a bottom wall 16 and low surrounding side walls 18 between which the molten Silicon 12 is included. Several passive elements are arranged in the crucible 10, which contribute to the correct formation of the band 14. These items include a upright wall 20, a means of stabilizing the advancing edge 22, a thermal resistor 24 and two side stabilizers 26 and 28. Active Components for the device include a heat source 30, typically in or below the bottom wall 16 is arranged. The device further comprises a mechanism 32 for holding an excitation crystal or seed crystal and pulling it, and the mechanism 32 can detect a seed crystal or excitation crystal 34, it at the surface of silicon melt 12 as ribbon 14 forms and the seed crystal or peel off the excitation crystal and the tape 14 at a constant speed, and although in a direction opposite to the direction of growth of the crystal. The crystal pulling mechanism 32 is arranged so that it the ribbon 14 in a small positive acute angle of typically 50 to the horizontal with a speed draws which is essentially equal to the rate of crystal formation the bath surface of the melt 12 is.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Band 14 über die obere Kante der Wand 20 gezogen. Die Wand 20 ist typisch aus Quarz gebildet, und sie ist bei der bevorzugten Ausführungsform ein aufrechtes starres Element, deren oberes Ende eine Kante 36 bildet, die mehr oder weniger auf der gleichen Höhe liegt wie die obere Kante einer Seitenwand 18, wie dies am besten aus Rig. 2 ersichtlich ist. Das Band 14 wird über die Wandkante in einem flachen Winkel von der Oberfläche der Schmelze 12 abgezogen, und es erzeugt hinter der Wand 20 und zwischen dem Band 14 und dem Flüssigkeitsspiegel über dem geschmolzenen Silicium 12 einen erhöhten Meniskus 38 (Fig. 2). Die Vorderkante oder fortschreitende Kante des Bandes 14, wo die Kristallbildung stattfindet, bewegt sich in einer Richtung entgegengesetzt zu derRichtung, in welcher das Band 14 gezogen wird.In the preferred embodiment of the invention, the belt 14 pulled over the top edge of the wall 20. The wall 20 is typically formed from quartz, and in the preferred embodiment it is an upright rigid member, the upper end of which forms an edge 36 which is more or less at the same height lies like the top edge of a side wall 18, as best seen from Rig. 2 can be seen is. That Tape 14 runs over the edge of the wall at a shallow angle withdrawn from the surface of the melt 12, and it is generated behind the wall 20 and between the belt 14 and the liquid level above the molten silicon 12 a raised meniscus 38 (Fig. 2). The leading edge or advancing edge of the belt 14 where the crystal formation takes place moves in one direction opposite to the direction in which the tape 14 is pulled.

Indem das Band 14 in einem kleinen positiven Winkel von der Oberfläche der Schmelze 12 abgezogen wird, werden gewisse vorteilhafte Ergebnisse erhalten. Diese vorteilhaften Ergebnisse umfassen die Beseitigung der Notwendigkeit, das Gefäß geringfügig zu überfüllen, was erforderlich wäre, wenn das Band entlang einer genau waagerechten Bahn gezogen werden müßte. Es ist gefunden worden, daß es außerordentlich schwierig ist, die Schmelze auf einer Höhe zu halten, bei der es möglich wäre, das Band von dem Gefäß waagerecht abzuziehen, ohne daß die Schmelze überfließt. Hiermit ist das Problem gekoppelt, daß das Band an der Kante des Tiegels erstarrt. Indem das Band 14 in einem kleinen Winkel nach oben abgezogen wird, werden diese Probleme überwunden. Die Vorderkante, wo der Kristall sich bildet, ist dort, wo sie mit der Oberfläche der Schmelze 12 zusammentrifft, in Gestalt eines Bogens vorhanden, wie es am besten aus den Figuren 3 und 5 ersichtlich ist. Die Gestalt der Vorderkante ist bestimmt durch das Temperaturfeld genau unter und vor der Vorderkante, und dieses Temperaturfeld ist bestimmt durch die Temperaturgradienten, die durch den Stabilisator 22 eingeführt sind.By placing the tape 14 at a small positive angle from the surface the melt 12 is withdrawn, certain beneficial results are obtained. These beneficial results include the elimination of the need for the vessel slightly overcrowding, which would be required if the tape were to be along a precisely would have to be drawn horizontally. It has been found to be extraordinary it is difficult to keep the melt at a level at which it would be possible to Remove the tape horizontally from the vessel without the melt overflowing. Herewith coupled is the problem that the tape freezes at the edge of the crucible. By doing the tape 14 is pulled up at a small angle, these problems arise overcome. The leading edge where the crystal forms is where it connects with the Surface of the melt 12 meets, present in the form of an arc, such as it can best be seen from FIGS. 3 and 5. The shape of the leading edge is determined by the temperature field exactly below and in front of the leading edge, and this Temperature field is determined by the temperature gradient created by the stabilizer 22 are introduced.

Diese Gestalt an der Vorderkante des Kristalls trägt zur Herstellung eines Bandes höherer Qualität bei, und zwar aus dem Grunde, daß irgendeine Unvollkommenheit, die sich bei der Kristallbildung entwickeln kann, zu den Seitenkanten des Bandes 14 wächst und nicht sich in Längsrichtung entlang des Bandes 14 fortsetzt, wie es der Fall ist, wenn die Wachstunakante geradlinig ist . Beispielsweise ist in Fig. 5 ein Fehler beim Kristallwachsen bei 40 dargestellt, und dieser Fehler bewegt sich allgemein entlang eines Weges 42 in Richtung gegen eine Seite des Bandes 14, wenn das Band 14 wächst, wie es durch in punktierter Linie wiedergegebene Vorverkanten dargestellt ist. Demgemäß hat jeder Fehler, der auftreten kann, nur eine minimale und eine sich selbstkorrigierende Wirkung auf das Band 14.This shape on the leading edge of the crystal contributes to the manufacture of a higher quality tape, for the reason that some imperfection, which can develop during crystal formation, to the side edges of the belt 14 grows and does not continue in the longitudinal direction along the band 14 as it does is the case when the growth edge is straight forward. For example Fig. 5 shows an error in crystal growth at 40, and this error moves generally along path 42 toward one side of the belt 14, when the band 14 grows, as indicated by pre-tilting shown in dotted lines is shown. Accordingly, any error that can occur has only a minimal one and a self-correcting effect on the belt 14.

Das Band 14, wie es in Fig. 4 im Querschnitt dargestellt ist, hat eine ebene untere Fläche und eine obere Fläche, die allgemein eben, jedoch an den Kanten geringfügig abgerundet ist. Allgemein ist die Dicke des Bandes 14 teilweise eine Funktion der Zeit, während welcher das Band 14 sich mit der Schmelze 12 in Berührung befindet, und auch eine Funktion der Schnelligkeit oder Geschwindigkeit, mit welcher das Band nach unten wächst.The band 14, as shown in Fig. 4 in cross section, has a flat lower surface and an upper surface that is generally flat but adjoining the Edges are slightly rounded. Generally, the thickness of the tape 14 is partial a function of the time the belt 14 is in contact with the melt 12 in Touch, and also a function of quickness or speed, with which the band grows downwards.

Gemäß der Erfindung, und wie am besten in Fig 12 dargestellt, ist die Hauptmenge der Schmelze von dem Kristallwachstumsbereich getrennt, indem die Hauptmenge in einem Behälter 42 enthalten ist, so daß in dem Gefäß bzw. in dem Trog 10 die Schmelze 12, aus welcher das Band 14 gebildet ist, in einer sehr geringen Tiefe gehalten ist.In accordance with the invention, and as best shown in FIG the bulk of the melt separated from the crystal growth area by the Main amount is contained in a container 42, so that in the vessel or in the trough 10 the melt 12 from which the strip 14 is formed in a very small amount Depth is kept.

Verschiedene Ausführungen zum Nachfüllen von Schmelze können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und eine Ausführungsform ist in Fig. 12 dargestellt. Jedoch stehen andere Ausführungen zur Verfügung und können auch verwendet werden. Gemäß Fig. 12 ist der Trog 10 an einem Gehäuse 44 angebracht, welches einen äußeren Kasten 46 aufweist, der vorzugsweise aus Quarz besteht. Dieser Tiegel dient als Behälter 42 für geschmolzenes Silicium 50, von welchem der Trog 10 nachgefüllt wird. Der Kasten 46 weist eine Anordnungsplatte 52 an seiner Oberseite auf, und diese Platte 52 dient dazu, eine Druckdichtung zu schaffen für die Druckkammer, die von dem Kasten 46 bestimmt ist, und auch dazu, ein Zuführrohr 54 zwischen der Druckkammer und dem Trog 10 abzustützen. Das untere Ende des Rohres 54 erstreckt sich unter die Oberfläche der Schmelze 50 und endigt über dem Boden des Tiegels 48. Das obere Ende ist derart gebogen, daß es sich über die Oberseite des Troges 10 erstreckt, so daß ein Auslaß gebildet ist, durch welchen hindurch geschmolzenes Silicium aus dem Behälter 42 zu dem Trog 10 überführt werden kann. Die Kammer in dem Kasten 46 kann mittels Druckgas unter Druck gesetzt werden, welches über ein Tragrohr 56 und Schlitze 58 zugeführt wird, wobei sich die Schlitze entlang der Innenwände des Kastens 46 und in Ausrichtung mit Durchgängen 60, welche mit dem Rohr 56 in Verbindung stehen, erstrecken. Eine Hilfsheizeinrichtung 62 kann nahe dem oberen Ende des Zuführrohres 54 vorgesehen sein, um die zugeführte Menge in geschmolzenem Zustand zu halten, und eine Strahlungsabschirmung 64 kann über der Hilfsheizeinrichtung 62 vorgesehen sein, wie es in Fig. 12 dargestellt ist.Various designs for refilling melt can be found in the present invention can be used, and one embodiment is shown in FIG shown. However, other designs are available and can be used will. According to Fig. 12, the trough 10 is attached to a housing 44 which has a has outer box 46, which is preferably made of quartz. This crucible is used as a container 42 for molten silicon 50 from which the trough 10 is replenished will. The box 46 has a placement plate 52 on its top, and this plate 52 is used to create a pressure seal for the pressure chamber defined by the box 46 and also to a feed pipe 54 to be supported between the pressure chamber and the trough 10. The lower end of the tube 54 extends below the surface of the melt 50 and terminates above the bottom of crucible 48. The top end is bent so that it extends over the top of the trough 10 extends so that an outlet is formed through which molten silicon can be transferred from the container 42 to the vat 10. The chamber in box 46 can be pressurized with pressurized gas, which is fed via a support tube 56 and slots 58, the slots running along of the inner walls of the box 46 and in alignment with passages 60 which with the tube 56 are in communication, extend. An auxiliary heater 62 can be provided near the upper end of the feed tube 54 to the amount supplied in a molten state, and a radiation shield 64 can be over the auxiliary heater 62 may be provided, as shown in FIG.

Die Verwendung eines flachen Troges 10 zur Züchtung des Bandes 14 beseitigt gewisse der den tiefen Tiegeln innewohnendendestabilisierenden Charakteristika, insbesondere mit Bezug auf Konvektionsströme, die in tiefen Bädern geschmolzenen Siliciums vorhanden sind.The use of a shallow trough 10 to grow the ribbon 14 eliminates certain of the destabilizing characteristics inherent in deep crucibles, particularly with regard to convection currents that melted in deep baths Silicon are present.

Das Profil der Mitte des Bandes ist geringfügig gebogen, und dies tritt natürlich auf, da die zunehmende Dicke des Siliciums eine geringfügige Verringerung des Ausmaßes oder der Geschwindigkeit der Aufzehrung der Schmelzwärme bewirkt. Dies kann gesteuert werden durch Anordnung eines variablen Wärmeableiters über der FeStstorfoberfläche oder durch Ändern der Zufuhr von Wärme zu der Silicumschmelze.The profile of the center of the belt is slightly curved, and this occurs naturally as the increasing thickness of silicon causes a slight decrease the extent or the rate at which the heat of fusion is consumed. this can be controlled by placing a variable heat sink over the peat surface or by changing the supply of heat to the silicon melt.

Eine bevorzugte oder erwünschte Ausführungsform der Erfindung besteht darin3 den Abstand zwischen der Vorderkante des Bandes und der Stelle zu maximieren, an welcher volle Banddicke erhalten ist. Dies führt zu der Wirkung, daß der Oberflächenbereich der Fest/Flüssig-Zwischenfläche maximiert ist, so daß die Wachstumsgeschwindigkeit maximiert ist und/oder die Temperaturgradienten, durch welche das verfestigte oder erstarrte Siliciummaterial hindurchgehen muß, minimiert sind.A preferred or desired embodiment of the invention consists therein3 to maximize the distance between the leading edge of the tape and the point at which full strip thickness is obtained. This leads to the effect that the surface area the solid / liquid interface is maximized so that the growth rate is maximized and / or the temperature gradients through which the solidified or solidified silicon material must pass through are minimized.

Das letztere führt zu verringerten Beanspruchungen im plastischen Fließbereich mit sich daraus ergebender verbesserter Qualität des Bandmaterials.The latter leads to reduced stresses in the plastic Flow area with the resulting improved quality of the strip material.

Zusätzlich zu den Anforderungen an die Ausführung bzw. an die Vorrichtung, die sich aus der gewünschten großen Fest/Flüssig-Zwischenfläche ergeben, sind andere Bedingungen vorhanden, die durch gewisse erwünschte Betriebsmerkmale oder Arbeitsmerkmale bestimmt sind. Diese umfassen integrale Kantensteuerung. Erhalten wird dies in zwei Schritten oder Stufen.In addition to the requirements for the design or the device, which result from the desired large solid / liquid interface are different Conditions exist that are determined by certain desirable operational characteristics or work characteristics are determined. These include integral edge control. This is obtained in two Steps or steps.

Erstens wird das Problem der Wärmeübertragung durch Konvektion dadurch begrenzt, daß die Verfestigung oder Erstarrung in einem flachen Trog erfolgt. Zweitens sind zwei Techniken dargestellt, mittels denen der Wärmegradient aufrechterhalten wird. Im ersten Fall sind, wie in den Fig. 6 und 7 dargestellt, seitliche Heizeinrichtungen 66 vorgesehen, mittels denen vollständig variable Wärmezufuhr zu den erstarrenden Bandkanten ermöglicht ist. Bei der zweiten Technik ist, wie in den Fig. 8 bis 10 dargestellt, der Boden des Troges unter dem Bereich dicker, in welchem die Kristallisation stattfindet, wobei eine Rampe 68 gebildet ist. Eine Bodenerhitzungseinrichtung 70 liefert Wärme gleichmäßig zu dem Boden des Troges, und als Folge der Dickenänderung des Bodens ist der Bereich des Wachstums des Kristalls begrenzt durch heißere Bereiche, welche die Bandbreite begrenzen. Diese Wirkung kann durch zusätzliche Wärmeabschirmungen an den Kanten unterstützt werden.First, it eliminates the problem of heat transfer by convection limits solidification or solidification to occur in a shallow trough. Secondly shows two techniques by which the thermal gradient is maintained will. In the first case, as shown in FIGS. 6 and 7, side heaters are used 66 provided, by means of which fully variable heat supply to the solidifying Band edges is enabled. The second technique is as in Figs. 8-10 shown, the bottom of the trough thicker under the area in which the crystallization takes place, with a ramp 68 being formed. A bottom heater 70 delivers heat evenly to the bottom of the trough, and as a result of the change in thickness of the bottom, the area of growth of the crystal is limited by hotter areas, which limit the bandwidth. This effect can be achieved by additional heat shields be supported at the edges.

Im Betrieb ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung außerordentlich einfach. Es ergibt sich eine geringfügige Zunahme an Breite mit zunehmender Wachstumsgeschwindigkeit, nachdem die gesamte Temperatur des Troges auf Grund der Erstarrungsgeschwindigkeit verringert wird. Offensichtlich können Heizeinrichtungen hinzugefügt werden, falls dies erforderlich ist.In operation, a device according to the invention is extraordinary simple. There is a slight increase in width with increasing growth rate, after the total temperature of the trough due to the rate of solidification is decreased. Obviously, heating devices can be added, if so this is necessary.

Ein zweites Merkmal einer Vorrichtung gemäß der Erfindung bezieht sich auf die Verhinderung des Erstarrens des wachsenden Bandes an der Ausrüstung. Gemäß der Erfindung wird der Erstarrungsbereich von einer kleinen heißen Zone umgeben, welche zu der Steuerung der Breite des Bandes beiträgt. Die Kante 36 der Wand 20, über welche das Band 14 gezogen wird, ist beinahe von dem flüssigen Silicium bedeckt. Die Temperatur sollte so eingestellt sein, daß sichergestellt ist, daß an dieser Stelle nur eine kleine Menge der Schmelze 12 zurück zu dem Trog 10 fließt, anstelle einer fortgesetzten Erstarrung. In der Praxis kann die Bodenheizeinrichtung in zwei getrennt gesteuerten Elementen vorgesehen sein, um angemessene Wärmeisolierung zu schaffen, obwohl der Boden des Troges die gewünschten Temperaturprofile in angemessener Weise schaffen kann. Im Fall der Erstarrung ist der Abstreifer von einem heißen Bereich der Flüssigkeit umgeben, um leichtes Zurückschmelzen zu schaffen, damit die Gefahr eines Siliciumschwalles infolge des Schmelzens nach einem Erstarrungszustand vermieden wird.A second feature of a device according to the invention relates focus on preventing the growing tape from solidifying on the equipment. According to the invention, the solidification area is surrounded by a small hot zone, which helps control the width of the belt. The edge 36 of the wall 20, over which the tape 14 is drawn is almost covered by the liquid silicon. The temperature should be set to ensure that at this Make only a small amount of the melt 12 flow back to the trough 10 instead a continued paralysis. In practice, the floor heating device can be divided into two separately controlled elements may be provided to provide adequate thermal insulation create, although the bottom of the trough the desired temperature profiles in reasonable Way can create. In the case of solidification, the scraper is hot Surround area of liquid to create easy meltback with it the danger of a silicon surge as a result of melting after a solidification state is avoided.

Beim Gebrauch wird nach dem Füllen des Troges 10 mit geschmolzenem Silicium 12 die Temperatur gesenkt, bis eine Insel aus festem Silicium sich zu bilden beginnt. Die Einstellungen von Heizeinrichtungen und Wärmeabschirmungen für spätere Ziehvorgänge basieren auf der Gestalt der Insel. Die Temperatur der Schmelze wird dann vorsichtig erhöht, bis die Insel gerade schmilzt. Der Keimkristall 34 aus Silicium wird dann so eingesetzt, daß er die Schmelze 12 in dem Bereich berührt, in welchem die Insel sich gebildet hatte. Wenn die Kante des Bandes von der Wand 20 weg wächst, wird das Band 14 über die Wand 20 abgezogen. Die Ziehgeschwindigkeit der Einrichtung 32 wird entsprechend der Erniedrigung der Temperatur des Troges 10 erhöht, wobei die Wachstumskante desKristalls in dem Bereich gehalten wird, in welchem die ursprüngliche Insel erschienen war. Wenn das Wachsen des Kristalls sich über diesen Bereich hinaus erstreckt, ist dies ein Anzeichen dafür, daß die Hitzeschutzbereiche sich der Erstarrungstemperatur nähern, und daß die Temperatur des Troges 10 geringfügig erhöht werden sollte.In use, after filling the trough 10 with molten Silicon 12 lowered the temperature until an island of solid silicon was formed begins. The settings of heating devices and heat shields for later Dragging is based on the shape of the island. The temperature of the melt is then carefully increase until the island just melts. The seed crystal 34 made of silicon it will then used so that he the melt 12 in the area where the island was formed. When the edge of the tape is from the wall 20 grows away, the tape 14 is pulled over the wall 20. The pull speed the device 32 is corresponding to the lowering of the temperature of the trough 10, keeping the growth edge of the crystal in the area in to which the original island had appeared. When the crystal grows up extends beyond this area, this is an indication that the heat protection areas approach the solidification temperature, and that the temperature of the trough 10 is slightly should be increased.

Der Stabilisator 22 ist hinter der Wand 20 angeordnet, und er erstreckt sich von der Bodenwand 16 senkrecht nach oben und quer über den Trog 10. Die obere Fläche des Stabilisators 22 kann von vorn nach hinten schräg nach unten verlaufen derart, daß die obere Kante geringfügig unter der Oberfläche der Schmelze 12 und unter der Vorderkante des Bandes 14 liegt, dort, wo dieses mit der Oberfläche der Schmelze 12 zusammentrifft. Es können auch komplexere Konturen verwendet werden. Die Funktion des Stabilisators 22 besteht darin, einen Ausgleich zu schaffen für kleine Änderungen der Geschwindigkeit des Ziehens des Bandes 14, wenn dieses aus der Schmelze 12 abgezogen wird. -Bei einem beständigen-Zustand des Ziehens und bei stabilen Temperaturbedingungen sollten keine Probleme auftreten. Wenn jedoch die Ziehgeschwindigkeit S um ansteigt, bewegt die Vorderkante des Bandes 14 sich vorwärts bzw. gemäß Fig. 11 nach rechts, und zwar um eine Strecke AX derart, daß E T sich von dT1 auf AT2 verringert, und zwar derart ausreichend, daß die Wachstumsgeschwindigkeit der Vorderkante um AS zunimmt. Der Stabilisator 22 spricht demgemäß auf Änderungen der Ziehgeschwindigkeit, der Geschwindigkeit des Wachsens, der Temperatur der Schmelze, der Emissionsfähigkeit usw. an. Die Vorbewegungsgeschwindigkeit des Bandes 14 ist gleich S = fl (1/au), worin AT = f2 (au), so daß s = f1 (F2 (btx)).The stabilizer 22 is disposed behind the wall 20 and extends from the bottom wall 16 vertically upwards and across the trough 10. The upper The surface of the stabilizer 22 can slope downward from the front to the rear such that the upper edge is slightly below the surface of the melt 12 and is under the leading edge of the tape 14, where this is with the surface of the Melt 12 meets. More complex contours can also be used. The function of the stabilizer 22 is to compensate for small changes in the speed of pulling the tape 14 when it is off the melt 12 is withdrawn. -In a steady state of pulling and at stable temperature conditions should not cause problems. However, if the Pulling speed S increases, the leading edge of the tape 14 moves forward or to the right according to FIG. 11, namely by a distance AX such that E T is reduced from dT1 to AT2, sufficiently enough that the growth rate the leading edge increases by AS. The stabilizer 22 accordingly responds to changes the pull rate, the rate of growth, the temperature of the melt, emissivity etc. The advancing speed of the tape 14 is equals S = fl (1 / au), where AT = f2 (au) such that s = f1 (F2 (btx)).

Mit der beschriebenen Arbeitsweise bleibt die Vorderkante des Bandes 14 innerhalb eines Bereiches von Ziehgeschwindigkeit und Temperatur stabil. In gleicher Weise bleibt bei Verwendung der seitlichen Stabilisatoren 26 und 28 die Bandbreite im wesentlichen stabil. Innerhalb des stabilen Bereiches der Vorderkante wird durch die Ziehgeschwindigkeit lediglich die Dicke des Bandes zusätzlich zur Produktivität gesteuert.With the procedure described, the leading edge of the tape remains 14 stable within a range of drawing speed and temperature. In the same When using the side stabilizers 26 and 28, the bandwidth remains the same essentially stable. Within the stable area of the leading edge is through the pulling speed is just the thickness of the tape in addition to productivity controlled.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen möglich.Various changes are possible within the scope of the invention.

Beispielsweise is-t zu verstehen, daß, obwohl die Erfindung hauptsächlich in-Verbindung mit der Bildung von kristallinen Siliciumbändern beschrieben ist, die Erfindung vorteilhaft angewendet werden kann bei der Bildung von Bändern aus einer Vielzahl anderer Kristallmaterialien, die direkt aus der Schmelze hergestellt werden. Solche Materialien können leitend, nichtleitend oder halbleitend sein, und sie können eine Vielzahl verschiedener Anwendungen haben. Beispielsweise können Saphirfenster mit dieser Arbeitsweise gebildet werden, oder es kann ein Blasenspeichermaterial in Bandform hergestellt werden, nämlich Gadolinium (gadolium), Gallium und Granat.For example, it should be understood that while the invention is primarily is described in connection with the formation of crystalline silicon ribbons, the invention can be advantageously applied in the formation of ribbons a variety of other crystal materials made directly from the melt will. Such materials can be conductive, non-conductive or semi-conductive, and they can have a variety of different uses. For example, can Sapphire windows can be formed using this procedure, or it can be a bubble storage material are made in ribbon form, namely gadolinium (gadolium), gallium and garnet.

LeerseiteBlank page

Claims

Claims 1. A method for forming a crystal ribbon a melt, characterized by the following steps: a) in a crucible a The melt is heated, b) a seed crystal or excitation crystal is formed on the surface of the melt arranged c) the temperature of the melt is controlled to solidify the melt at a free edge of the seed crystal or excitation crystal to allow to form a ribbon while the seed crystal or excitation crystal from the melt at a positive acute angle with respect to the surface of the melt with is withdrawn at a speed which is adapted to the longitudinal growth of the tape is, d) it becomes a separate attachment or attachment site for a meniscus created by the melt on the lower surface of the belt, when this leaves the surface of the melt to splash, overflow and solidify the melt will decrease, and e) the rate of growth of the tape will be due to the changes the speed of movement of the belt is adjusted by the growing end of the Tape is pulled off the surface of the melt via a stabilizer, which has an upper front portion which is closer to the surface of the melt as an upper back part of it.

2. The method according to claim 1, characterized in that the melt to a relatively shallow bath. is formed from which the tape is peeled off.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the Temperature of the melt optionally in the melt under both side edges of the Belt is controlled to control the width of the belt.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that that melt is replenished in the crucible in such a way that in the crucible substantially constant level of the melt is maintained.

5. The method according to any one of claims 1 to Lt, characterized in, that the melt is a silicon melt.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that that the growing end of the band is separate from others in shape and size Dividing the growth of the band is controlled.

7. Device for forming a crystal ribbon from a melt, characterized by the following features: a) It is a relatively flat crucible (10) provided, which may contain a quantity of the melt (12), b) the crucible Heaters operationally assigned to control the temperature of the melt, c) means (32) for holding a seed crystal (34) and for pulling the The crystal or ribbon (14) is operatively associated with the crucible to a seed crystal (34) from the surface of the melt as a band (14) in a small positive Angle with respect to the surface of the melt with a longitudinal velocity to pull that on the speed of solidification of the melt at the end of the belt is adapted, d) a device (20) for the attachment of a meniscus (38) is on the Crucible placed between the surface of the melt and the lower surface of the belt, around a stable lower edge for the attachment of one formed by the melt To create a meniscus, and e) means (22) for stabilizing the growth edge is placed on the crucible under the solidifying end of the belt, to selectively adjust the rate of growth of the tape in accordance with to increase or decrease the speed of the pulling device (32).

8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the stabilizing device has an upright part (22) which is arranged on the bottom (16) of the vessel and is formed with a contoured upper surface, the uppermost front part of which the surface of the melt (12) is closer than its lowermost rear part.

9. Apparatus according to claim 7 or 8, characterized in that lateral stabilization devices in the crucible below the side edges of the strip (ILt) are provided to control the width of the tape.

10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that that the attachment device for the meniscus (38) is an upright part (20) which ends in a horizontal straight edge (36) that extends below the path of the tape (14) extends transversely to provide a stable attachment point for the To create meniscus.