DE3418370A1

DE3418370A1 - Verfahren und apparatur zum ziehen von kristallkoerpern

Info

Publication number: DE3418370A1
Application number: DE19843418370
Authority: DE
Inventors: Lawrence Sudbury Mass. Eriss; Richard W. Warwick R.I. Stormont
Original assignee: Mobil Solar Energy Corp
Current assignee: Schott Solar CSP Inc
Priority date: 1983-05-19
Filing date: 1984-05-17
Publication date: 1984-11-22
Anticipated expiration: 2004-05-18
Also published as: IN160563B; NL8401604A; CA1227999A; JPH0454640B2; AU569293B2; FR2546188B1; DE3418370C2; GB2139917A; GB2139917B; JPS6046992A; FR2546188A1; IL71553A; IL71553A0; US4647437A; AU2769284A

Description

Patentanwälte ; :" ": Γ": bjjSr.*flng. Curt Wallach Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing. 6ünther Koch

European Patent Attorney_S3 418370 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 ■ Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 1 7. MAI

Unser Zeichen; 17 905 H/Nu

Mobil Solar Energy Corporation, Waltham, Mass., USA

Verfahren und Apparatur zum Ziehen von Kristallkörpern

Die Erfindung "betrifft allgemein das Kristallziehen und näherhin die Herstellung von Körpern aus kristallinen Materialien aus einer flüssigen Schmelze zur Verwendung für die Herstellung von Solarzellen und anderen Festkörperanordnungen.

Man kennt heute verschiedene Techniken zum Ziehen von Kristallkörpern aus einer Schmelze. Ein derartiges Verfahren, das sich zum Ziehen derartiger Kristallkörper als recht erfolgreich erwiesen hat, ist das Ziehen aus einem randkantenbegrenzten nachgefüllten Schmelzefilm, das gewöhnlich (und in der nachfolgenden Beschreibung) als "EFG"-Verfahren ("edge-defined film-fed growth process") bezeichnet x«Lrd. Dieses Verfahren ist in der US-Patentschrift 3 591 34-8 beschrieben und auch Gegenstand vieler nachfolgender Patente. Nach diesem Verfahren lassen sich

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Kristallkörper aus Silizium oder einem anderweitigen Material wie beispielsweise alpha-Aluminiumoxid (Saphir), Spinell, Chrysoberyll, Bariumtitanat, Lithiumniobat und Yttrium-Aluminium-Granat ziehen.

Kristallkörper wurden in verschiedenartigsten Formen wie beispielsweise Stäben, Rohren und flach-ebenen Bändern gezogen. Als rohrförmige Körper wurden solche mit verschiedenartigen Querschnittsformen einschließlich kreisförmigem, Vieleck- oder ovalem Querschnitt gezogen. Vergleiche hierzu beispielsweise die US-Patentschrift 3 687 633? welche Apparaturen zum Ziehen von Stäben, Rohren mit kreisförmigem Querschnitt sowie von Bändern betrifft, sowie die US-Patentschrift 4 036 666, welche Rohrkörper mit ovaler Querschnittsform betrifft.

Im einzelnen findet bei dem EFG-Verfahren ein "Schmelztiegel-Formgebungsteil "-Aggregat Anwendung, das typischerweise ein Schmelztiegelteil zur Aufnahme der Kristallmaterialschmelze bei einer über dem Schmelzpunkt des Materials liegenden Temperatur sowie ein teilweise in den Schmelztiegelteil eingetauchtes Kapillar-Formgebungsteil umfaßt. Das Kapillar-Formgebungsteil weist einen oder mehrere Kanäle von Ka.pillar-Abmessung auf, der bzw. die eine Strömungsverbindung zwischen der Schmelze in dem Schmelztiegelteil und der Oberseite des Kapillar-Formgebungsteils bildet. Beim Ziehen von Kristallmaterial aus einem Schmelztiegel-Formgebungs-Aggregat dieser Art wird zunächst ein Kristallkeim so zur Berührung mit der Formgebungsteiloberseite gebracht, daß genügend Kristallmaterial an der Forcngebungsteiloberseite schmelzen und in die oberhalb der Schmelze in dem Schmelztiegel

befindlichen Teile der Kapillar-Kanäle gelangen kann. Sodann wird der Kristallkeim mit einer konstanten Geschwindigkeit von der Formgebungsteiloberseite abgezogen. Bei diesem Abziehen des Kristallkeims wird die flüssige Schmelze an der Formgebungsteiloberseite, d. h. der Meniskus zwischen der FormgebungsteilOberseite und dem sich bildenden erstarrten Kristallkörper, kontinuierlich nachgefüllt, indem Schmelze durch Kapillarwirkung aus der in dem Schmelztiegelteil unterhalb dem Formgebungsoberteil befindlichen Vorratsschnolze durch die Kapillar-Kanäle des Formgebungsteils)hochgezogen wird. Die Form des aus dem Formgebungsteil gezogenen Kristallkörpers wird durch die Außen- oder Randkantenkonfiguration der oberen Stirnseite des Formgebungsteils bestimmt, d. h. durch die die Fläche der von der Schmelze benetzten oberen Stirnseite des Formgebungsteils begrenzende obere Stirnkante. So läßt sich beispielsweise ein hohler zylindrischer Kristallkörper in der Weise ziehen, daß man die obere Stirnfläche des Formgebungsoberteils mit einer öffnung gleicher Form wie der Querschnitt des hohlen T<eils des Körpers versieht, da der Nachfüll-Schmelzefilm nicht zwischen den Außenkanten und den Innenkanten der Oberseite derartiger Formgebungsteile unterscheidet; mit der Maßgabe allerdings, daß die Ausnehmung in dem Formgebungsoberteil genügend groß ist, daß der die Öffnung umgebende Film nicht durch die Oberflächenspannung dazu veranlaßt wird, sich über der öffnung zu schließen.

Die Dicke der nach diesem Verfahren gezogenen jeweiligen Kristallkörper ist eine Funktion der Temperatur an der Formgebungsteiloberseite sowie auch der Geschwindigkeit, mit welcher der Körper von der Formgebungsteiloberseite

) zur Formgebungsteil-Oberseite

abgezogen wird. Beispielshalber (und ohne einschränkende Bedeutung) beträgt eine typische Temperatur der Formgebungsteiloberseite beim Ziehen von Silizium etwa 1450 ⁰C, und ein typischer Wert der Ziehgeschwindigkeit beträgt etwa 0,75 "bis etwa 1,5 Zoll/Minute.

Anfänglich wurden Solarzellen zunächst allgemein in im wesentlichen flach-ebener Bandform hergestellt. Bänder zur Verwendung für Solarzellen müssen im wesentlichen monokristallin, in Größe und Form einheitlich und im wesentlichen frei von Kristalldefekten sein. Ein Problem beim Ziehen von im wesentlichen flach-ebenen Bandkörpern besteht jedoch darin, daß an der Formgebungsteiloberseite herrschende Temperaturgradienten zu einem ungleichmäßigen Wachstum führen und unerwünschte eingebaute Spannungen in dem Körper bei seiner Erstarrung zur Folge haben.

In der bereits erwähnten US-Pat ent schrift >\ 036 666 (Mlavsky) wird ein relativ kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Bandmaterial mit Halbleiter-Reinheitsgrad, beispielsweise aus Silizium, beschrieben, bei welchem zunächst ein Rohr aus dem Halbleitermaterial mit einem abgeflachten ovalen Querschnitt gezogen wird. Das Rohr wird sodann in Längsrichtung zur Entfernung der gekrümmten Seitenabschnitte aufgetrennt, derart, daß man getrennte im wesentlichen flach-ebene Bänder erhält. Vorzugsweise wird hierzu der zunächst gezogene Körper von abgeflachtovalern Querschnitt zunächst an seiner Außenseite mit einem herkömmlichen Photoabdeckerraaterial wie beispielsweise einem positiv arbeitenden Polymethylmethacrylat-Photoabdeckmaterial überzogen. Sodann werden die die breiten Seitenwandabschnitte bedeckenden Bereiche dieser

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Abdecksehicht mit einem schmalen Lichtbündel so belichtet, daß auf jedem Seitenwandungsabschnitt jeweils zwei geradlinige, schmale, in Längsrichtung verlaufende Bereiche des Photoabdeckmaterials belichtet und hierdurch in ein Polymer von unterschiedlichem Molekulargewicht umgewandelt werden. Sodann wird das Rohr in ein selektives Lösungs- oder Ätzmittel eingetaucht wie beispielsweise Methylisobuty!keton, mit dem Ergebnis, daß die nieht-belichteten Bereiche des Photoabdeckmaterials intakt verbleiben, während die belichteten Bereiche weggelöst werden, wodurch zwei schmale linienförmige Bereiche auf jedem derartigen Seitenwandungsabschnitt freigelegt werden. Sodann wird ein Silizium-Ätzmittel, beispielsweise Kaliumhydroxid, auf das- Rohr aufgebracht, derart, daß das Rohr längs der genannten freigelegten Bereiche aufgetrennt wird. Sodann werden in den in dieser .Weise erhaltenen bandförmigen Körpern die lichtelektrischen Sperrschic ht-tlbergänge erzeugt.

Die US-Patentschrift 4- 095 529 (Ravi) beschreibt ein anderes Verfahren für kostengünstige Herstellung bandförmiger Körper aus Silizium von Halbleiter-Reinheitsgrad. Zunächst wird ein großer rohrförmiger Körper aus dem Halbleitermaterial nach dem EFG-Verfahren gezogen. Sodann wird in dem Rohrkörper ein lichtelektrischer Sperrschicht übergang erzeugt und danach der Rohrkörper durch Ätzung in seine einzelnen Abschnitte aufgetrennt.

Ein Hauptvorteil der Vorgangsweise, bei welcher zunächst rohrförmige Körper gezogen und diese Rohrkörper sodann zu Band- oder bandähnlichen Körpern durch Ätzung aufgetrennt werden, besteht in dei)Einsparung an Ziehlänge (erforderliche Ziehlänge bezogen auf die Erzeugung einer bestimmten

⁺) Verringerung der Gestehungsstückkosten, d.h. der Gestehungskosten pro Längeneinheit des bandförmxgen Produkts, insbesondere auch in der

Länge an Bandmaterial), die man nach diesem Verfahren, bei dem im wesentlichen mehrere Bänder gleichzeitig gezogen werden, erhält. Des weiteren darf angenommen werden, daß sich hierdurch die Probleme von Randstörungen verringern, wie sie an direkt von"einem Formgebungsteil gezogenen Einzelbändern auftreten; es wird angenommen, daß diese Randstörungs-Probleme durch die Form der Flüssig/Fest-Grenzfläche an den Bandkanten beim Ziehen des Bandes bedingt sind oder durch die Ansammlung von in der Schmelze enthaltenen Unreinheiten in den den Bandkanten benachbarten Bereichen. Diese Randstörungen sind nachteilig und die direkt gezogenen Einzelbänder müssen daher vor ihrer Veiterverwendung zur Beseitigung dieser Defekte behandelt werden. Jedoch ergibt sich bei diesem Ziehen eines rohrförmigen Körpers mit nachfolgender chemischer Ätzung des Ziehkörpers zur Erzeugung der bandförmigen oder bandähnlichen Körper das Problem, daß die chemische Ätzung in einer sehr genau kontrollierten Weise durchgeführt werden muß.

Man hat auch Laser zum Auftrennen der Kristallrohre in die bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitte verwendet. Jedoch können in einem Kristallrohr während des Ziehens des Rohrs innere Spannungen hervorgerufen werden. Derartige innere Spannungen können zu Sprüngen oder sogar zum Bruch der bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitte bei deren Abtrennung von dem Rohr führen.

Durch die Erfindung sollen ein Verfahren und eine Apparatur zur Herstellung mehrerer Körper aus Kristallmaterial aus einem hohlen Rohr dieses Materials geschaffen werden, wobei die vorstehend erläuterten Nachteile des bekannten

Standes der Technik wesentlich verringert oder vermieden werden. Insbesondere soll die Rißbildung oder die Bruchgefahr von aus Rohren dec Kristallmaterials abgetrennten Kristallkörpern verringert werden und insgesamt ein Verfahren und eine Apparatur· zur Herstellung hohler rohrförmiger Kristallkörper geschaffen werden, bei welchen die genannten inneren und äußeren Spannungen sich hauptsächlich auf vorgegebene Bereiche des Rohrs konzentrieren, wodurch die Auftrennung des rohrförmigen Körpers in vorgegebene Abschnitte vereinfacht und erleichtert wird.

Die Erfindung betrifft somit eine verbesserte Apparatur des !Typs zur Verwendung in einem System zum Ziehen eines hohlen Rohrkörpers aus kristallinem Material durch Ziehen des Körpers von der Stirnseite eines Formgebungsteils, wobei der hohle rohrförmige Körper in Längsrichtung entlang vorgegebener Linien des Körpers in gesonderte Kristallkörper aufgetrennt werden kann. Die Apparatur umfaßt einen Behälter zur Aufnahme einer Schmelze des Kristallmaterials; sowie eine Formgebungseinrichtung, welche (a) eine die geschlossene geometrische Querschnittsform des hohlen Rohrkörpers umschreibende Formgebungsstirnseite aufweist, des weiteren (b) Mittel zur "Überführung der Schmelze von dem Behälter zu der Formgebungsstirnseite, während der Körper von der Formgebungsstirnseite gezogen wird, sowie (c) Mittel zur Konzentrierung der beim Ziehvorgang eingebauten Spannungen in dem hohlen Rohrkörper entlang der vorgegebenen Linien, während der Körper von der Formgebungsstirnseite gezogen wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung mehrerer Körper aus einem kristallinen Material aus einem

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hohlen Rohr. Das Verfahren umfaßt die Schritte (a) Ziehen des Rohrs von einer Formgebungsstirnseite eines Formgebungsteils, derart, daß während dem Kristallwachstum beim Ziehen des Rohres eingebaute Spannungen in dem Rohr sich längs vorgegebener Linien konzentrieren; sowie (b) Auftrennen des Rohrs längs der vorgegebenen Linien, derart, daß das hohle Rohr in die erwähnten Kristallkörper aufgetrennt wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen

Fig. Λ in geschnittener Seitenansicht ein Schmelztiegel-Formgebungsteil-Aggregat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in Anordnung in einem Warmesuszeptor,

Fig. 2 eine zugehörige Horizontal-Schnittansicht im Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine geschnittene Teil-Seitenansicht in vergrößertem Maßstab, im Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4- in Draufsicht eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 in perspektivischer Teilansicht einen typischen hohlen Kristallkörper, wie er mit einer Apparatur der in den Figg. 1 bis 3 gezeigten Art gezogen werden kann,

Pig. G in Draufsicht ein Schmelztiegel- und Formgebungsteil gernäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, in Anordnung in einem Wärtnesuszeptor,

Fig. 7 eine zugehörige Seitenansicht im Schnitt längs der Linie 7-7 aus Fig. 6,

Fig. 8 eine Seitenansicht im Schnitt längs der Linie 8-8 aus Fig. 6, ohne den Wärmesuszeptor,

Fig. 9 in Schnittansicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind gleiche oder entsprechende Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Eine Apparatur gemäß der Erfindung kann zur Herstellung von im wesentlichen einkristallinen Körx>ern von flachebener bandförmiger Konfiguration oder von einer gekrümmt-bandförmigen Konfiguration dienen, wobei die zuletzt genannte gekrümmte Bandkonfiguration auch als "ribbonoids" bezeichnet werden kann. Der oder die Werkstoff (e), aus x^elchen die Apparatur hergestellt ist, hängen weitgehend von der Art des von der Formgebungsoberseite gezogenen einkristallinen Materials ab. Beispielsweise werden zum Ziehen, von Silizium die Teile der dargestellten Apparatur vorzugsweise aus Graphit hergestellt, obzwar auch anderweitige Werkstoffe wenigstens für Teile der Apparatur vorgeschlagen wurden. Zweckmäßigkeitshalber

bezieht sich die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung auf eine Apparatur zum Ziehen von im wesentlichen einkristallinen Körpern aus Silizium; jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt.

Die Figg. 1 bis 3 veranschaulichen ein erfindungsgemäßes Aggregat zum Ziehen eines Hohlkörpers aus im wesentlichen einkristallinem Material, mit eingebauten vorgegebenen "Spannungssträngen". Die Bezeichnung "Spannungsstrang" ("stress riser") soll im hier verwendeten Sinn einen Bereich in dem festen Kristallmaterial bedeuten, in welchem bewußt innere mechanische Spannungen konzentriert sind. Vorzugsweise verlaufen die in dem erfindungsgemäß gezogenen Hohlkörper erzeugten Spannungsstränge in Längsrichtung entlang dem Körper. Das in den Pigg. 1 bis 3 veranschaulichte Aggregat weist vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, einen zylindrischen Wärmesuszeptor 20 auf, der vorzugsweise aus Molybdän oder Graphit hergestellt ist. Der Suszeptor 20 ist an seiner Oberseite offen und weist eine Bodenwandung 22 und eine zylindrische Seiteriwandung PA auf. An der Innenseite der Seitenwandung 24 sind Ausnehmungen 26 für einen weiter unten noch erläuterten Zweck vorgesehen.

Innerhalb des Suszeptors 20 ist ein als Ganzes mit 30 bezeichnetes zylindrisches Schmelztiegel-JOrmgebungsteil-Aggregat angeordnet. Wie ersichtlich, weist das Schmelztiegel- Formgebungs-Aggregat 30 zwei diskrete, vorzugsweise einstückig ausgebildete Teile 32 und 34- auf, die für die Zwecke der weiteren Beschreibung als Schmelztiegelteil und als Auskleidungsteil bezeichnet werden. Das Schmelztiegelteil 32 ist als ein einzelner, einstückig

hergestellter zylindrischer Becher zur Aufnahme einer Schmelzflüssigkeit ausgebildet und weist eine Bodenwandung JG sowie eine zylindrische Seitenwandung 38 auf. Die Vieleck-Querschnittsform des Schmelztiegel-Formgebungsteil-Aggregats 30 ergibt Kanten 39 an der Außenseite der Seitenwandung 38· Diese Kanten liegen gegen die Innenseite der Wandung 24 des Suszeptors 20 im Sinne eines engen Paßsitzes an. Die Wandung 38 weist einen mit Umfangsabständen entlang dem Aggregat angeordneten Oberteilabschnitt 40 auf, derart, daß er die geschlossene geometrische Figur umschreibt, welche der Innen-CJuerschnittsform des aus dem Aggregat 30 zu ziehenden Hohlkörpers entspricht. Der Oberteilabschnitt 40 weist eine verjüngte obere Stirnseite bzw. Kante 4-2 auf. Das Schmelztiegelteil 32 ist vorzugsweise so bemessen, daß es engsitzend in den Suszeptor 20 paßt, wobei der obere Rand 4-0 über die Oberseite des Suszeptors 20 frei übersteht.

Die zylindrische Außenseite 44- der Auskleidung 34- ist mit vertikal verlaufenden Rippen 4-6 ausgebildet, welche engsitzend gegen die Innenseite des Schmelztiegelteils anliegen, derart, daß ein Strömungskanal 4-8 zwischen der Innenseite der zylindrischen Wandung 38 des Schmelztiegelteils 32 und der Außenseite des Teils 3^ jeweils zwischen zwei benachbarten Rippen 46 gebildet wird. Die Kanäle 48 sind jeweils mit Kapillar-Abmessungen ausgebildet, derart, daß Schmelze in an sich bekannter Weise durch Kapillarwirkung in den einzelnen Kanälen aufgezogen werden kann. Die Auskleidung 34 weist ferner einen Oberteilabschnitt 50 auf, der dem Oberteilabschnitt 40 des Schmelztiegelteils 32 entspricht und diesem gegenüberstehend angeordnet ist. Der Oberteilabschnitt 50 verjüngt

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sich nach oben zu der oberen Stirnseite oder -kante 52. Entlang der Innenwandung der Auskleidung 34 ist ein Flansch 5^;+ vorgesehen, der in an sich bekannter Weise zur Halterung einer Wärmeabschirmung und Schmelzenabdeckung (beide nicht dargestellt) dient.

Mittels mehrerer Bolzen oder Stifte 56, welche sich durch geeignete Öffnungen in der Seitenwandung 38 des Schmelztiegelteils 32 und durch die Auskleidung 34 erstrecken, werden das Schmelztiegelteil 32 und die Auskleidung 3^ZI-konzentrisch zueinander gehalten und die Oberteilabschnitte 40 und 50 in Gegenüberstellung miteinander. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist benachbart den einzelnen Bolzen bzw. Stiften 56 jeweils eine Ausnehmung 26 des Suszeptors 20 vorgesehen, als Sammelraum für eventuelle entlang den Bolzen bzw. Stiften 56 austretende Schmelze.

Die verjüngten oder abgeschrägten oberen Enden 42 und 52 der einander gegenüberstehenden Oberteilabschnitte 4-0 und 50 bilden jeweils ein Paηr paralleler Stirnkanten bzw. -ränder, welche die geschlossene geometrische Form des Querschnitts des zu ziehenden Hohlkörpers umschreiben und miteinander einen Spalt 58 von Kapillar-Abmessung bilden. Diese oberen Stirnkanten bzw. -ränder 42 und 52 können schneidkantenartig ausgebildet sein oder eine vorgegebene Breite besitzen. Die oberen stirnseitigen Enden 42 und 52 können entweder in der gleichen Ebene angeordnet oder gegeneinander versetzt sein. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, liegt im eingesetzten Zustand des Auskleidungsteils 34 dessen unterer Rand GO gerade oberhalb der Innenwandung des Bodens 36 des Schmelztiegelteils 32, derart, daß Schmelze zwischen ihnen hindurchtreten kann. Alternativ

oder zusätzlich können eine oder mehrere Öffnungen in dem Auskleidungsteil vorgesehen sein, um einen Schmelzefluß durch die einzelnen Kanäle 48 zu dem Kapillarspalt 58 ^Z"U-ermöglichen.

Die von den Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50 umschriebene Querschnittsform kann, wie in den Figg. 1 bis 3 dargestellt, vieleckig oder kreisförmig gemäß Fig. 4 sein oder eine anderweitige geschlossene geometrische Form, beispielsweise Ovalform, besitzen. Bei Verwendung eines Aggregats mit Yieleck-Querschnitt, wie etwa in den Figg. 1 bis 3 gezeigt, sind die beim Auftrennen des gezogenen Hohlkörpers erhaltenen einzelnen Körper flach-ebene Bänder, während der kreisförmige Querschnitt des Aggregats 3OA nach Fig. 4 einen hohlen Ziehkörper von kreisförmigem Querschnitt ergibt, der in bandähnliche, gekrümmte Abschnitte aufgetrennt werden kann.

Das bisher beschriebene Aggregat gleicht dem in der US-Patentschrift 4 230 674 beschriebenen, jedoch mit dem Unterschied, daß Mittel zur Konzentrierung mechanischer Spannungen an vorgegebenen Stellen vorgesehen sind, vorzugsweise in Längsrichtung entlang Bruchlinien des hohlen Kristallkörpers, falls dieser zur Gewinnung der einzelnen Bänder oder bandähnlichen Körper aufgetrennt werden soll. Die Mittel zur Erzeugung einer derartigen Spannungsverteilung weisen vorzugsweise mehrere quer durch die Formgebungsoberteilenden 42 und 52 vorgesehene Einkerbungen oder Einschnitte 70 auf. Die Kerben sind vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, radial gerichtet und/oder in gleichen Umfangsabständen entlang dem Umfang der Formgebungsoberteilabschnitte 40 und 50

■bezüglich dem geometrischen Zentrum des Formgebungsoberteils verteilt. Vorzugsweise ist jeweils oberhalb jeder Rippe 44 in den Figg. 1 bis 3 (oder der entsprechenden Konstruktion in Fig. 4) zwischen benachbarten Kanälen 48. eine Kerbe 70 vorgesehen. Die Kerben 70 sind jeweils ausreichend schmal und tief bemessen, daß eine genügende Schmelzenmenge jexveils in jeder Kerbe vorliegt, damit sich Kristallmaterial zwischen dem von den beidseits jeder Kerbe benachbarten Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50 gezogenen Material ansammeln kann, wobei jedoch die Dicke des an den Stellen der Kerben gezogenen Materials kleiner als die Dicke des von den Formgebungsoberteilenden 42 und 52 zwischen jeweils zwei benachbarten Kerben gezogenen Materials ist.

Typische Abmessungen, von denen angenommen werden kann, daß sie beim Ziehen von Silizium aus einem Graphitaggregat nach Art des in den Figg. 1 bis 4 beschriebenen zufriedenstellende Ergebnisse gewährleisten, sind wie folgt: die Formgebungsoberteile können verjüngte Formgebungsoberteilabschnitte 40 und 50 mit einer Höhe von jeweils etwa 120 Tausendstel Zoll, einer Dicke von etwa 180 Tausendstel Zoll unterhalb der verjüngten Enden 42 und 52 und eine Dicke von etwa 3 Tausendstel Zoll am oberen Rand bzw. der Oberkante der jeweiligen Stirnseiten 42 und 52 besitzen. Der Spalt 58 besitzt eine Breite von etwa 30 Tausendstel Zoll zwischen den Abschnitten 40 und 50, und die einzelnen Kerben 70 sind jeweils bis zu 100 Tausendstel Zoll breit und bis zu 50 Tausendstel Zoll tief, wobei sich eine Breite der einzelnen Kerben von 32 Tausendstel Zoll und eine Tiefe von 50 Tausendstel Zoll als besonders zufriedenstellend erwiesen haben.Die

angegebenen Abmessungen des Aggregats können Jedoch variieren. .

Zum Ziehen von Kristallkörpern wird in dem Schmelztiegel eine Schmelze bei einer Temperatur von etwa 30 ⁰C oberhalb dem Schmelzpunkt des betreffenden zu ziehenden Kristallmaterials bereitgehalten. Ein Keim des Kristallmaterials mit einer geschlossenen hohlen geometrischen Konfiguration entsprechend der von den Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50 umschriebenen Konfiguration wird mit den Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50 so in Berührung gebracht, daß eine ausreichende Kristallmaterialmenge in dem Spalt 58 und den Kanälen 48 schmelzen kann. Sodann wird der Kristallkeim von dem Formgebungsoberteil mit einer im wesentliehen konstanten Geschwindigkeit von beispielsweise etwa 1,0 Zoll/Minute abgezogen. Da die Kerben so bemessen sind, daß eine ausreichende Schmelzenmenge zwischen dem von dem beidseits Jeder Kerbe benachbarten Formgebungsoberteil gezogenen Material vorliegt, erhält man einen Hohlkörper 72 mit einer Querschnittsform entsprechend der von den Formgebungsoberteilenden 42 und 52 der Formgebungs oberteil abschnitte 4-0 und 50 vorgegebenen Form, in der in Fig. 5 veranschaulichten Weise. Wie ersichtlich, ist Jedoch die Dicke der von den einzelnen Kerben 70 gezogenen Bereiche 74 des Ziehkörpers reduziert. Da der Hohlkörper mit einer konstanten Geschwindigkeit gezogen wird, zeigen die dünneren Bereiche 72, die sich jeweils in einer Richtung parallel zur Ziehrichtung des Hohlkörpers erstrecken, die Tendenz zum Auftreten höherer Spannungen als in den zwischen den Kerben 70 gezogenen Abschnitten 76 des Ziehkörpers 72. Aus diesem Grund kann xnen sagen, daß die

Kerben 70 beim Ziehen des Körpers Spannungsstränge in diesen erzeugen. Die Spannungsstränge entlang den Bereichen 74 sind entlang Linien vorgesehen, längs welchen der hohle Kristallkörper anschließend in die einzelnen Abschnitte aufgetrennt wird. Diese Spannungsstränge erleichtern so das Aufschneiden des Hohlkörpers in seine bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitte. Beispielshalber, und ohne einschränkende Bedeutung, kann ein Formgebungsoberteil mit einer Dicke von etwa 3 Tausendstel Zoll an den beiden Kanten 42 und 52 und mit einem Spalt von etwa 30 Tausendstel Zoll zwischen den Ziehkanten 42 und 52 typischerweise einen Ziehkörper von etwa 15 Tausendstel Zoll Dicke ergeben. Infolge der quer verlaufenden Kerben oder Schlitze 70 von etx>ra 3? Tausendstel Zoll Breite und etwa 50 Tausendstel Zoll Tiefe erhalten die dünneren Bereiche 74 in. dem Ziehkörper 72 gemäß Fig. 5, die von den einzelnen Kerben 70 gezogen werden, eine Dicke von etwa 5 Tausendstel Zoll an ihrer dünnsten Stelle.

Nach dem Ziehen des Körpers kann dieser entlang den dünneren Bereichen 1^L\- in beliebiger bekannter Weise in Iängsrichtung aufgetrennt werden. Beispielsweise kann der Körper nach dem Ätzverfahren, wie es etwa in den US-Patentschriften 4 036 666 oder 4 095 329 beschrieben ist, aufgetrennt werden, oder alternativ nach Verfahren etwa unter Verwendung eines Lasern (beispielsweise eines COp-Lasers), wie dem Fachmann bekannt. Bei diesem Abtrennvorgang führt infolge der in den dünneren Bereichen 74 konzentrierten eingebauten Spannungen das Auftrennen in die einzelnen Bereiche zu einer saubereren Bruchstelle zwischen den einzelnen Abschnitten 76, mit

weniger Rißbildung und verringerter Bruchgefahr für die Abschnitte. Die lichtelektrischen Sperrschicht-Übergänge können in den bandförmigen Abschnitten entweder nach deren Abtrennen oder alternativ auch vor der Auftrennung erzeugt werden, wie in den US-Patentschriften 4· 036 666 und ¹V 095 329 beschrieben. Die durch Auftrennen des vieleckförraigen Kristallkörpers gemäß Fig. 5 anschließend erhaltenen Abschnitte 76 sind im wesentlichen flach-ebene Bänder. Anderweitige Abschnitte mit anderen Formgebungen und Konturen lassen sich aus erfindungsgemäß gezogenen Hohlkörpern anderer Querschnittsformen erhalten. Beispielsweise können gekrümmte bandähnliche Abschnitte mit einer Form entsprechend gekrümmten bogenförmigen Abschnitten eines rechtwinkligen Zylinders aus einem zylindrischen Hohlkörper geschnitten werden, der mit Spannungssträngen von der Formgebungsteiloberseite des Aggregats 3OA gezogen wurde, welche einen kreisförmigen Querschnitt umschreibt und mit Kerben 70A versehen ist, x-rie in Fig. 4- veranschaulicht.

Die in den Figg. 1 bis 4· veranschaulichten Ausführungsformen können in verschiedener Weise modifiziert werden, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Beispielsweise kann gemäß den Figg. 6 bis 8 das in der US-Patentschrift 4- 230 674- beschriebene gesonderte Formgebungsteil für die Zwecke der vorliegenden Erfindung modifiziert v/erden. Dieses in den Figg. 6 bis 8 gezeigte modifizierte gesonderte diskrete Formgebungsteil SO besitzt die Form eines senkrechten Zylinders mit einem flach-ebenen Boden 82 und einer zylindrischen Seitenwandung 84, die einstückig miteinander als gesondertes Element ausgebildet sind". Das Teil 80 kann ebenfalls eine

beliebige geschlossene geometrische Querschnittsform, beispielsweise die gezeigte Vieleckform, oder Kreis- oder Ovalform besitzen. Die Seitenwandung 84 ist so bemessen, daß sie dichtsitzend in den Suszeptor 20 paßt, wie in den Figg. 6 und 7 veranschaulicht. An seiner Oberseite ist das Formgebungsteil 80 mit einem inneren Formgebungsoberteilabschnitt 86 und einem entsprechenden äußeren Formgebungsoberteilabschnitt 88 ausgebildet, die sich im Abstand voneinander unter Bildung eines Spaltes 90 von Kapillar-Abmesaung gegenüberstehen. In Umfangsabständen entlang dem Formgebungsoberteil sind durch die Formgebungsoberteilabschnitte 86 und 88 quer verlaufende (vorzugsweise in Radialrichtung zu dem durch die Forrngebungsoberteilabschnitte 86 und 88 definierten geometrischen Zentrum) Kerben 90A vorgesehen. Im unteren Teil der inneren zylindrischen Wandung des Teils 80 sind Schlitze 92 ausgebildet. Diese Schlitze besitzen ebenfalls Kapillar-Abmessungen und stehen in Strömungsverbindung mit dem Spalt 90, derart, daß in dem Teil 80 vorhandene Schmelze durch die Schlitze 92 in den Spalt 90 hinaufgezogen werden kann und von der durch die inneren und äußeren Formgebungsoberteilabschnitte 86 und 88 gebildeten Formgebungsoberseite gezogen werden kann. Die Vorrichtung ist insoweit gleichartig mit dem aus der US-Patentschrift 4- 23O 674 bekannten Aggregat, mit Ausnahme der zusätzlich angebrachten Kerben 90. Die Kerben 90 ergeben jeweils eine verringerte Dicke und daher einen "Spannungsstrang" in der Wandung des gezogenen Hohlkörpers, wobei sich während des Ziehvorgangs eingebaute Spannungen längs diesen Bereichen verringerter Dicke konzentrieren. Der gezogene Hohlkörper kann daher längs den durch diese Bereiche verringerter Dicke gebildeten Linien leichter aufgetrennt

werden.

Gemäß Fig. 9 kann in der an sich aus dor US-Patentschrift '\ 2J>0 67'I- bekannten Weise das Formgebungsteil 80 der Ausführungsform gemäß den Figg. G bis 8 in der Weise modifiziert v/erden, daß bei dem Kapillar-Formgebungsteil 100 der Boden weggelassen wird, derart, daß das zylindrische Element an seiner Unterseite offen ist. Das Formgebungsteil 100 ist engsitzend in einem zylindrischen becherförmigen Behälter 102 angeordnet, der beispielsweise aus Quarz bestehen kann und eine Bodenwandung 104- sowie eine Seitenxirandung 10G aufweist, derart, daß die Forragebungsoberteilabschnitte frei über die Seitenwandung 106 überstehen. Der Behälter 102 ist seinerseits in Paßsitz in dem Suszeptor 20 angeordnet. Eine derartige Ausführungsform kann erfindungsgemäß modifiziert vrerden, indem man in den inneren und äußeren Formgebungsoberteilabschnitten 108 und 110 Kerben 112 vorsieht.

Die dargestellten und beschriebenen Aggregate ergeben bei ihrer Anwendung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Apparatur zum Ziehen von Hohlkörpern s.us einem im wesentlichen einkristallinen Material aus einer geneinsam en Vorrntsschmelze. Die in dem Form{_;ebunp;soberteil vorgesehenen Kerben bilden eine einfache Maßnahme zur Erzeugung von Gpannungssträngen in vorgegebenen Bereichen der hohlen Ziehkörper. Infolge dieser in dem Hohlkörper beim Ziehen erzeugten Spannungssträge lassen sich die Hohlkörper leichter in einzelne Abschnitte zur Bildung bandförmiger oder bandähnlicher Körper auftrennen. Dies ergibt eine höhere Herstellungsausbeute infolge geringer Kißbildung und verringerter Bruchgefahr in den bus diesen

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Hohlkörpern geschnittenen bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitten.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung
!rönnen in mannigfacher Weise abgewandelt werden, ohne daß hierdiirch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Claims

Patentansprüche

1./ Apparatur zur Verwendung in einem System zum Ziehen eines rohrförmigen Hohlkörpers aus kristallinem Material, wobei der Körper von der Stirnseite eines Formgebungsteils (30, Fig. 1 bis 4; 80 Fig. 6 bis 8; 100, Fig. 9) gezogen wird und der erhaltene rohrförmige Körper längs vorgegebener Linien (74, Fig. 4) in einzelne Kristallkörper auftrennbar ist,

gekennzeichnet durch eine Behältereinrichtung (32;80,82,84;100) für eine Schmelze des Kristallmaterials, sowie eine Formgebungseinrichtung (30;80;100), welche (a) ein die geschlossene geometrische Querschnittsform des rohrförmigen Hohlkörpers umschreibendes Formgebungsende bzw. Formgebungsoberteil (40,50;86,88;108,110), (b) Mittel (48;92) zur Zufuhr von Schmelze aus der Behältereinrichtung zu dem Formgebungsende bzw. Formgebungsoberteil während der Körper von dem Formgebungsoberteil gezogen wird, sowie (c) Mittel (70;90a;112) aufweist, um beim Ziehen des rohrförmigen Hohlkörpers von dem Formgebungsoberteil mechanische Spannungen in dem Körper längs der genannten vorgegebenen Linien zu konzentrieren.

2. Apparatur nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Konzentrierung der mechanischen Spannungen in dem Hohlkörper jeweils eine Kerbe bzw. Nut (70; 90a;112) in dem Formgebungsoberteil (40 ,50;86,88 ; 108 ,110) jeweils an der Stelle entlang den vorgegebenen Linien konzentrierter Spannung in dem gezogenen Hohlkörper umfassen.

3. Apparatur nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß das Formgebungsende oder Formgebungsoberteil (40,50; 86,88;108,110) zwei parallel einander gegenüberstehende und durch einen Spalt (58;90) voneinander getrennte Kanten (42,5.2) aufweist, und daß die genannten Nuten bzw. Kerben (70;90a;112) sich jeweils quer zu dem Spalt (58; 90) durch die parallelen Ziehkanten (42,52) erstrecken.

4. Apparatur nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet , daß die Kerben bzw. Nuten (70;90a;112) jeweils radial in Richtung zum geometrischen Zentrum des Formgebungsendes oder Formgebungsoberteils (40,50;86,88;108,110) erstrecken.

5. Apparatur nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Kerben bzw. Nuten (70;90a;112) in gleichen Umfangsabständen entlang dem Formgebungsende bzw. Formgebung soberte il um dessen geometrisches Zentrum verteilt sind.

6. Apparatur nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die geschlossene geometrische Querschnittsform ein Kreis ist, derart daß der rohrförmige Hohlkörper in Längsrichtung entlang der vorgegebenen Linien in bandähnliche Abschnitte auftrennbar ist (Fig. 4).

7. Apparatur nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet ,

daß die geschlossene geometrische Querschnittsform ein

Vieleck ist, derart daß der rohrförmige Hohlkörper (72,

Fig. 5) in Längsrichtung entlang der vorgegebenen Linien

(74) in im wesentlichen flach-ebene Bänder auftrennbar ist (Fig. 1 bis 3,5,6 bis 9).

8. Apparatur nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Kerben bzw. Nuten (70;90a;112) jeweils weniger als etwa 50/1000 Zoll tief und weniger als etwa 100/1000 Zoll breit sind.

9. Apparatur nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen Kerben bzw. Nuten (70;90a;112) jeweils etwa 50/1000 Zoll tief und etwa 32/1000 Zoll breit sind.

10. Apparatur nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet , daß die Herstellung des rohrförmigen Körpers von dem Formgebungsende oder Formgebungsoberteil durch Ziehen des rohrförmigen Körpers von dem Formgebungsende bzw. Formgebungsoberteil (40,50;86,88;108,110) erfolgt und daß die Mittel zur Schmelzezufuhr aus der Behältereinrichtung zu dem Formgebungsende wenigstens einen Kanal (48; 92) von Kapillarabmessung aufweisen, derart daß Schmelze durch Kapillarwirkung dem Formgebungsende bzw. dem Formgebungsoberteil zugeführt werden kann,in dem Maße wie der Hohlkörper vom Formgebungsende abgezogen wird.

11. Apparatur nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß die Behältereinrichtung (32) und die Formgebungseinrichtung (30) so ausgebildet sind, daß wenigstens ein Teil der Formgebungseinrichtung ein einstückiger Teil der Behältereinrichtung und die Behältereinrichtung ein wesentlicher Teil der Formgebungseinrichtung ist. ./.

12. Apparatur nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet , daß (a) die Behältereinrichtung (32) an ihrer Oberseite offen ist, an ihrer Unterseite (36) geschlossen ist und eine einen Innenraum zur Aufnahme der Schmelze bildende Seitenwandung (38) aufweist, daß (b) das Formgebungsende oder Formgebungsoberteil (40,50) zwei parallele, voneinander durch einen Spalt (58) von Kapillarabmessung in Abstand angeordnete obere Stirnkantflächen (42,52) aufweist, und daß (c) die Seitenwandung (38) der Behältereinrichtung (32) mit ihrem oberen Ende (50) wenigstens eine (52) der oberen Stirnkantflächen (42,52) des Formgebungsoberteils bildet.

13. Apparatur nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet , daß die Formgebungseinrichtung (30) eine Auskleidung (34) mit einer Seitenwandung aufweist, die mit ihrem oberen Ende (40) die andere (42) der beiden oberen Stirnkantenflächen (42,52) des Formgebungsoberteils bildet.

14. Apparatur nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß die Behältereinrichtung (32) und die Auskleidung

(34) einstückig als gesondertes Bauteil ausgebildet sind.

15. Apparatur nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß die Behältereinrichtung (32) wenigstens einen in der Seitenwandung der Behältereinrichtung ausgebildeten Strömungskanal (48) von Kapillarabmessung aufweist.

16. Apparatur nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet

daß der Strömungskanal einen an der Innenseite der Seitenwandung (84) der Behältereinrichtung vorgesehenen Schlitz (92) aufweist.

17. Apparatur nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet , daß die Behältereinrichtung (32) und die Auskleidung (34) gesonderte Bauteile sind und daß Befestigungsmittel (56) zur Verbindung der Behältereinrichtung (32) und der Auskleidung (34) miteinander vorgesehen sind.

18. Verfahren zur Herstellung mehrerer Körper aus einem kristallinem Material ausgehend von einem rohrförmigen Hohlkörper,

gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

- Ziehen des Rohrs vom Formgebungsende bzw. -oberteil eines Formgebungsteils, derart daß in dem Rohrkörper bei dessen Ziehen mechanische Spannungen längs vorgegebener Linien (74, Fig. 5) konzentriert werden, sowie

- Aufschneiden des Rohrs (72) entlang der vorgegebenen Linien (74), um den rohrförmigen Hohlkörper (72) in die mehreren Körper (76) aus Kristallmaterial aufzutrennen.

19. Verfahren nach Anspruch 18,

dadurch gekennzeichnet , daß beim Ziehen des rohrförmigen Körpers mechanische Spannungen entlang der vorgegebenen Linien (74) in einer Richtung parallel zur Richtung des Ziehwachstums des Rohrkörpers erzeugt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet

β ♦ Ή · W

daß zur Erzeugung der mechanischen Spannungen das Ziehen des Rohrs so erfolgt, daß das Rohr entlang der vorgegebenen Linien (74) jeweils mit geringerer Wandstärke wächst.