FR2569430A1 - APPARATUS FOR EXTRACTING SINGLE CRYSTALS FROM A BATH OF MOLTEN SEMICONDUCTOR MATERIAL CONTAINED IN A CRUCIBLE - Google Patents
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
Abstract
POUR AUGMENTER LA VITESSE D'EXTRACTION DU MONOCRISTAL 6, IL FAUT AUGMENTER LE GRADIENT DE TEMPERATURE (DTDX) DANS LA PHASE SOLIDE DU MONOCRISTAL A L'INTERFACE SOLIDE-LIQUIDE. COMME LE MONOCRISTAL EST TOUJOURS CHAUFFE PAR LE RAYONNEMENT DE CHALEUR DU DISPOSITIF DE CHAUFFAGE 4, IL EST PREFERABLE DE REDUIRE LA TEMPERATURE DE CELUI-CI. L'ABAISSEMENT DE LA TEMPERATURE DU DISPOSITIF DE CHAUFFAGE CREE CEPENDANT LE PROBLEME QUE LA SURFACE DU BAIN 3 SE SOLIDIFIE FACILEMENT DANS LA ZONE SUPERFICIELLE 3A CONTIGUE A LA PAROI INTERNE DU CREUSET 2. POUR RESOUDRE CE PROBLEME, LE DISPOSITIF DE CHAUFFAGE 4 EST CONSTRUIT DE MANIERE QUE LA PARTIE SUPERIEURE DU BAIN 3 SOIT PORTEE A UNE TEMPERATURE PLUS ELEVEE QUE LA PARTIE INFERIEURE DU BAIN.TO INCREASE THE EXTRACTION SPEED OF THE MONOCRISTAL 6, IT IS NECESSARY TO INCREASE THE TEMPERATURE GRADIENT (DTDX) IN THE SOLID PHASE OF THE MONOCRISTAL AT THE SOLID-LIQUID INTERFACE. SINCE THE SINGLE CRYSTAL IS ALWAYS HEATED BY THE HEAT RADIATION FROM HEATING DEVICE 4, IT IS PREFERABLE TO REDUCE THE TEMPERATURE OF IT. THE LOWERING OF THE TEMPERATURE OF THE HEATING DEVICE, HOWEVER, CREATES THE PROBLEM THAT THE SURFACE OF THE BATH 3 IS EASILY SOLIDIFIED IN THE SURFACE ZONE 3A CONTIGATED TO THE INTERNAL WALL OF THE CRUCIBLE 2. TO SOLVE THIS PROBLEM, THE HEATING DEVICE 4 IS CONSTRUCTED. SO THAT THE UPPER PART OF THE BATH 3 IS TAKEN TO A HIGHER TEMPERATURE THAN THE LOWER PART OF THE BATH.
Description
La présente invention concerne un appareil pour produire des monocristaux,The present invention relates to an apparatus for producing single crystals,
comprenant un creuset destiné à contenir comprising a crucible intended to contain
un bain de matériau fondu d'o on peut former un cristal, un dispo- a bath of molten material from which one can form a crystal, a dispo-
sitif de chauffage pour chauffer le bain et un dispositif adéquat pour extraire le monocristal sous forme d'un barreau ou lingot du heating sitive to heat the bath and a suitable device for extracting the single crystal in the form of a bar or ingot from
bain de matériau fondu.molten material bath.
Généralement, on utilise jusqu'à présent la méthode de Czochralski (méthode CZ) pour extraire ou tirer un monocristal de silicium. Cette méthode est illustrée sur la figure 13. Un bain de matériau fondu, d'o l'on peut tirer un monocristal, est contenu dans un creuset en quartz 2, lui-même logé dans un creuset en graphite 1 Generally, the Czochralski method (CZ method) has hitherto been used to extract or draw a silicon single crystal. This method is illustrated in Figure 13. A bath of molten material, from which a single crystal can be drawn, is contained in a quartz crucible 2, itself housed in a graphite crucible 1
et chauffé par un générateur de chaleur 4 qui entoure le creuset 1. and heated by a heat generator 4 which surrounds the crucible 1.
Un monocristal 6 en forme de barreau est tiré du bain 3 à l'aide d'un mandrin 7 et à commencer par un germe 5. Lors du tirage, les creusets 1 et 2 et le monocristal 6 sont tournés à des vitesses constantes en sens inverse par un arbre 8 d'une part et le mandrin 7 d'autre part. L'arbre 8 fait en outre monter le creuset 1 de manière que la surface du bain 3 reste à une position prédéterminée par A single crystal 6 in the form of a bar is pulled from the bath 3 using a mandrel 7 and starting with a seed 5. During the drawing, the crucibles 1 and 2 and the single crystal 6 are rotated at constant speeds in direction reverse by a shaft 8 on the one hand and the mandrel 7 on the other hand. The shaft 8 also raises the crucible 1 so that the surface of the bath 3 remains at a predetermined position by
rapport au générateur de chaleur 4. relation to the heat generator 4.
A supposer que l'interface solide-liquide entre le Suppose that the solid-liquid interface between the
monocristal 6 et le bain 3 soit plane et qu'il n'y ait pas de gra- single crystal 6 and the bath 3 is flat and there is no graph
dient de température dans le sens radial du monocristal 6, la vitesse d'extraction maximale Vmax du monocristal selon cette méthode max CZ peut être définie comme suit: k dT max h' *dX o k désigne la conductivité thermique du monocristal 6, h la chaleur de fusion, p la masse volumique et dT/dX le gradient de température dient of temperature in the radial direction of the single crystal 6, the maximum extraction speed Vmax of the single crystal according to this method max CZ can be defined as follows: k dT max h '* dX ok designates the thermal conductivity of the single crystal 6, h the heat of fusion, p the density and dT / dX the temperature gradient
dans la phase solide (monocristal 6) à l'interface solide-liquide. in the solid phase (single crystal 6) at the solid-liquid interface.
X désigne une coordonnée dans la direction longitudinale du mono- X denotes a coordinate in the longitudinal direction of the mono-
cristal. Comme k, h et f sont des facteurs inhérents au matériau dans l'expression figurant ci-dessus, il faut augmenter dT/dX si l'on veut obtenir une vitesse d'extraction Vmax plus élevée. Or, avec la méthode CZ mentionnée dans ce qui précède, du fait que le monocristal tiré 6 est chauffé par le rayonnement de chaleur de la surface du bain 3,de la paroi interne du creuset 2 et du générateur de chaleur 4, la valeur dT/dX est inévitablement réduite, de sorte que la vitesse crystal. As k, h and f are factors inherent in the material in the expression given above, it is necessary to increase dT / dX if one wants to obtain a higher extraction speed Vmax. However, with the CZ method mentioned in the above, because the drawn single crystal 6 is heated by the heat radiation from the surface of the bath 3, the internal wall of the crucible 2 and the heat generator 4, the value dT / dX is inevitably reduced, so the speed
d'extraction est relativement faible dans la pratique. in practice is relatively low.
Cette vitesse d'extraction peut être accrue en rédui- This extraction speed can be increased by reducing
sant globalement la température du générateur de chaleur 4. Cepen- overall the temperature of the heat generator 4. However
dant, comme cela ressort également des figures 10A et 10B, puisque la température à la surface du bain 3 est nettement plus basse que dans la partie centrale de la masse de liquide, si la température du générateur de chaleur 4 est réduite, le matériau du bain 3 dans la zone superficielle 3a contiguë au creuset 2 se solidifie. Les perturbations qui en résultent font qu'il est impossible de tirer le monocristal 6 en continu. Par conséquent, avec la méthode CZ, en utilisant une machine d'extraction comme celle représentée sur la figure 13, la vitesse d'extraction maximale que l'on puisse obtenir est d'environ 1 mm/min. Sur les figures 10A, 11A et 12A, le gradient de température est T1<T2<T3; de plus, la température de l'isotherme ou courbe reliant des points de même température T2 est environ égale à celle de T4 et la température de l'isotherme dant, as also emerges from Figures 10A and 10B, since the temperature on the surface of the bath 3 is significantly lower than in the central part of the mass of liquid, if the temperature of the heat generator 4 is reduced, the material of the bath 3 in the surface area 3a contiguous to the crucible 2 solidifies. The resulting disturbances make it impossible to pull the single crystal 6 continuously. Therefore, with the CZ method, using an extraction machine like the one shown in Figure 13, the maximum extraction speed that can be obtained is about 1 mm / min. In FIGS. 10A, 11A and 12A, the temperature gradient is T1 <T2 <T3; moreover, the temperature of the isotherm or curve connecting points of the same temperature T2 is approximately equal to that of T4 and the temperature of the isotherm
est environ égale à celle de T5.is approximately equal to that of T5.
Les documents de l'art antérieur se rapportant à la présente invention sont les brevets japonais n 51-47153 et n 58-1080. Le dernier document en particulier décrit un mode de réalisation dans lequel un écran contre le rayonnement est disposé au-dessus du bain de matériau fondu afin de permettre l'extraction du The prior art documents relating to the present invention are Japanese Patents Nos. 51-47153 and No. 58-1080. The last document in particular describes an embodiment in which a screen against radiation is placed above the bath of molten material in order to allow the extraction of the
monocristal à une vitesse de 2 mm/min. single crystal at a speed of 2 mm / min.
Compte tenu de ce qui précède, l'invention vise en premier lieu à apporter un appareil d'extraction capable d'éliminer les inconvénients mentionnés ci-dessus des appareils d'extraction connus. In view of the above, the invention aims in the first place to provide an extraction device capable of eliminating the drawbacks mentioned above of known extraction devices.
Selon l'invention, un appareil d'extraction de mono- According to the invention, an apparatus for extracting mono-
cristaux, comprenant un creuset destiné à contenir un bain de maté- crystals, comprising a crucible intended to contain a bath of material
riau cristallisable fondu, un dispositif pour tirer un monocristal de ce bain et un dispositif de chauffage pour chauffer le bain,est caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est construit de manière qu'une plus grande quantité de chaleur puisse être apportée à la partie de creuset dont la paroi interne est contiguë à la surface du bain de matériau cristallisable fondu qu'aux autres parties du creuset. Du fait que la partie de creuset située à la hauteur de la surface du bain est chauffée davantage que le reste du creuset, la température globale du dispositif de chauffage ou générateur de chaleur peut être abaissée sans que le liquide de la zone superficielle contiguë à la paroi du creuset risque de se solidifier. Il devient ainsi possible d'extraire le monocristal à une plus grande vitesse que dans un appareil conventionnel de ce type, molten crystallizable line, a device for drawing a single crystal from this bath and a heating device for heating the bath, is characterized in that the heating device is constructed so that a greater amount of heat can be supplied to the part crucible whose internal wall is contiguous to the surface of the molten crystallizable material bath than to the other parts of the crucible. Because the crucible portion at the height of the surface of the bath is heated more than the rest of the crucible, the overall temperature of the heater or heat generator can be lowered without the liquid from the surface area contiguous to the wall of the crucible may solidify. It thus becomes possible to extract the single crystal at a higher speed than in a conventional device of this type,
sans que cela entraîne des défauts dans le monocristal et sans affec- without this causing defects in the single crystal and without affecting
ter la qualité de celui-ci d'une autre manière. ter the quality of it in another way.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ap- According to another characteristic of the invention, the ap-
pareil comporte en outre un recouvrement thermique disposé autour du monocristal tiré pour isoler celui-ci thermiquement de la chaleur similar also includes a thermal covering arranged around the drawn single crystal to thermally insulate it from heat
du générateur de chaleur.of the heat generator.
Selon un mode de réalisation particulièrement avanta- According to a particularly advantageous embodiment
geux, le générateur de chaleur est un corps creux de forme générale cylindrique, en matériau conducteur électrique, dans la paroi duquel sont formées des fentes supérieures et inférieures, s'étendant toutes geux, the heat generator is a hollow body of generally cylindrical shape, of electrically conductive material, in the wall of which are formed upper and lower slots, all extending
dans le sens de l'axe du générateur de chaleur et se succédant alter- in the direction of the axis of the heat generator and succeeding one another
nativement à intervalles angulaires réguliers dans le sens de la circonférence du générateur de chaleur, de manière à définir dans la paroi du générateur de chaleur un trajet en méandres pour un courant électrique de chauffage. Avec un générateur de chaleur ainsi réalisé, différentes possibilités s'offrent pour augmenter la résistance et natively at regular angular intervals in the direction of the circumference of the heat generator, so as to define in the wall of the heat generator a meandering path for an electric heating current. With a heat generator thus produced, various possibilities are offered to increase the resistance and
par suite la température de la partie du générateur de chaleur agis- therefore the temperature of the part of the heat generator
sant plus spécialement sur la partie de creuset o se trouve la especially on the part of the crucible where the
surface du bain.bath surface.
Une de ces possibilités consiste à doter la partie supérieure du générateur de chaleur d'un amincissement régulier vers le haut. Il est possible aussi, ou en plus, de prolonger chacune des fentes inférieures à son extrémité du haut par deux courtes fentes en V. Selon une autre variante, la paroi du générateur s'amincit de One of these possibilities consists in providing the upper part of the heat generator with a regular upward thinning. It is also possible, or in addition, to extend each of the lower slots at its top end by two short V-shaped slots. According to another variant, the wall of the generator thins out
bas en haut de manière que l'aire de sa section droite diminue linéai- bottom up so that the area of its cross section decreases linearly
rement dans la partie supérieure.rement in the upper part.
La partie supérieure de la paroi du générateur de cha- The upper part of the heat generator wall
leur peut également présenter au moins un-rétrécissement qui s'étend sur tout le pourtour du générateur et est défini par au moins un évidement courbe, ce qui réduit également L'aire de la section droite du générateur de chaleur dans la partie supérieure. Encore une autre possibilité consiste à doter la partie supérieure de la paroi du générateur de chaleur de plusieurs gorges circonférentielles de section rectangulaire, qui sont également destinées à diminuer l'aire their can also have at least one constriction which extends around the entire periphery of the generator and is defined by at least one curved recess, which also reduces the cross-sectional area of the heat generator in the upper part. Yet another possibility is to provide the upper part of the wall of the heat generator with several circumferential grooves of rectangular section, which are also intended to reduce the area
de la section droite - c'est-à-dire la section utile pour la circula- of the straight section - that is to say the section useful for circulation -
tion du courant électrique de chauffage - du générateur de chaleur, de manière à produire de nouveau l'augmentation de la température à la partie supérieure du générateur de chaleur et de La partie de creuset située à la hauteur de la surface du bain. IL est possible encore, dans le même but, de réduire la largeur des sections de paroi situées entre les fentes dans la partie supérieure du générateur de tion of the electric heating current - of the heat generator, so as to again produce the increase in temperature at the top of the heat generator and of the crucible part situated at the level of the surface of the bath. It is also possible, for the same purpose, to reduce the width of the wall sections located between the slots in the upper part of the generator.
chaleur, comparativement à la partie inférieure de celui-ci. heat, compared to the bottom of it.
Un autre mode de réalisation prévoit le partage du générateur de chaleur en deux éléments de forme générale cylindrique, également en matériau conducteur électrique, un élément supérieur et un élément-inférieur. L'effet recherché est obtenu dans ce cas par le fait que l'élément supérieur est porté à une température plus Another embodiment provides for the division of the heat generator into two elements of generally cylindrical shape, also made of electrically conductive material, an upper element and a lower element. The desired effect is obtained in this case by the fact that the upper element is brought to a higher temperature.
élevée que l'élément inférieur. higher than the lower element.
Selon uneautre caractéristique de l'invention, un According to another characteristic of the invention, a
champ électrique est appliqué au générateur de chaleur. electric field is applied to the heat generator.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention Other characteristics and advantages of the invention
ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de will emerge more clearly from the description which follows from
plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: several non-limiting exemplary embodiments, as well as the accompanying drawings, in which:
- la figure 1 est une coupe axiale d'un mode de réali- - Figure 1 is an axial section of an embodiment
sation de l'appareil d'extraction selon l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective partielle et à plus grande échelle d'un générateur de chaleur utilisable dans l'appareil de la figure 1; - la figure 3 est une représentation graphique montrant la relation entre la densité de défauts de texture et la concentration sation of the extraction apparatus according to the invention; - Figure 2 is a partial perspective view on a larger scale of a heat generator usable in the apparatus of Figure 1; - Figure 3 is a graphical representation showing the relationship between the density of texture defects and the concentration
en oxygène dans le monocristal tiré; - oxygen in the drawn single crystal; -
- Lesfigures 4 à 6 sont des coupes verticales de la - Figures 4 to 6 are vertical sections of the
paroi du générateur de chaleur selon différentes variantes de réali- wall of the heat generator according to different variants of
sation; - la figure 7 est une vue en élévation latérale d'une partie de la paroi d'un générateur de chaleur selon encore une autre variante de réalisation; - les figures 8 et 9 sont des coupes axiales montrant d'autres modes de réalisation de l'appareil d'extraction de monocris- taux selon l'invention; - les figures 10A et lOB sont respectivement une coupe axiale schématique d'un appareil d'extraction de l'art antérieur, montrant par des isothermes la distribution de température dans le station; - Figure 7 is a side elevational view of part of the wall of a heat generator according to yet another alternative embodiment; - Figures 8 and 9 are axial sections showing other embodiments of the monocrystalline extraction apparatus according to the invention; - Figures 10A and LOB are respectively a schematic axial section of an extraction apparatus of the prior art, showing by isotherms the temperature distribution in the
bain de matériau cristallisable contenu dans le creuset et une repré- bath of crystallizable material contained in the crucible and a representation
sentation graphique correspondante de la distribution de température T dans le sens de l'axe central du bain; - les figures 11A et 11B sont des représentations corresponding graphical feeling of the temperature distribution T in the direction of the central axis of the bath; - Figures 11A and 11B are representations
semblables mais se rapportant à un appareil d'extraction selon l'inven- similar but relating to an extraction device according to the invention
tion;tion;
- les figures 12A et 12B sont également des représen- - Figures 12A and 12B are also representations
tations semblables, mais avec application d'un champ magnétique au générateur de chaleur d'un appareil selon un autre mode de réalisation de l'invention; et similar tations, but with the application of a magnetic field to the heat generator of an apparatus according to another embodiment of the invention; and
- la figure 13 est une coupe axiale montrant un appa- - Figure 13 is an axial section showing an apparatus
reil d'extraction de l'art antérieur selon la méthode CZ. reil of extraction of the prior art according to the CZ method.
La description qui va suivre du premier mode de réali- The following description of the first embodiment
sation de l'invention utilise les mêmes références que la figure 13 pour des éLéments identiques ou semblablest dont les diverses fonctions ne seront pas décrites plus en détail Lorsque cela n'est sation of the invention uses the same references as Figure 13 for identical or similar elements whose various functions will not be described in more detail When this is not
pas nécessaire.not necessary.
Dans ce premier mode de réalisation, représenté sur la figure 1, comme dans l'appareil connu de La figure 13, un creuset en graphite 1 contient un creuset en quartz 2 avec un bain 3, de silicium fondu en l'occurrence. Un dispositif de chauffage ou générateur de chaleur 4 en graphite et un calorifugeage 9 sont In this first embodiment, represented in FIG. 1, as in the known apparatus of FIG. 13, a graphite crucible 1 contains a quartz crucible 2 with a bath 3, in this case of molten silicon. A graphite heating device or heat generator 4 and a thermal insulation 9 are
disposés autour du creuset 1 et le calorifugeage 9 est lui-même entou- arranged around the crucible 1 and the insulation 9 is itself surrounded
ré de chemises de refroidissement 10a, o10b et 10c, La chemise de refroidissement 1Gb présente un regard 12 pour l'observation du monocristal 6 tireé. Le fond de la chemise de refroidissement10a contient un tuyau d'échappement 13 pour l'évacuation d'un gaz neutre (gaz atmosphérique) introduit d'en haut dans l'enceinte délimitée par les chemises de refroidissement 10a, 10b et 10c. Le creuset 1 est supporté en bas par un arbre 8 qui sert à faire tourner et monter/abaisser ce creuset et qui traverse avec jeu une ouverture 10d formée dans le fond de la chemise de refroidissement 10a. Le géné- rateur de chaleur 4 est fixé par son extrémité inférieure à un plateau d of cooling jackets 10a, o10b and 10c, The cooling jacket 1Gb has a sight 12 for the observation of the drawn single crystal 6. The bottom of the cooling jacket 10a contains an exhaust pipe 13 for the evacuation of a neutral gas (atmospheric gas) introduced from above into the enclosure delimited by the cooling shirts 10a, 10b and 10c. The crucible 1 is supported at the bottom by a shaft 8 which serves to rotate and raise / lower this crucible and which crosses with clearance an opening 10d formed in the bottom of the cooling jacket 10a. The heat generator 4 is fixed by its lower end to a tray
annulaire 14, lui-même supporté d'en bas par deux tiges 15 qui per- annular 14, itself supported from below by two rods 15 which
mettent de faire monter et d'abaisser le générateur de chaleur 4 et qui traversent avec jeu deux ouvertures 10e et 10f dans le fond de la chemise 10a. Au-dessus du bain 3 de silicium fondu, se trouve par ailleurs un recouvrement thermique 16, de forme cylindrique, qui est en molybdène et dont le diamètre intérieur est un peu plus grand put to raise and lower the heat generator 4 and which cross with play two openings 10e and 10f in the bottom of the jacket 10a. Above the bath 3 of molten silicon, there is also a thermal covering 16, of cylindrical shape, which is made of molybdenum and whose internal diameter is slightly larger.
que le diamètre extérieur du monocristal 6 tiré. Au-dessus de ce recou- than the outside diameter of the single crystal 6 drawn. Above this overlap
vrement thermique 16, un germe 5 est tenu par un mandrin 7 attaché à l'extrémité inférieure d'une barre d'extraction 17, ce qui permet de former un monocristal 6 en forme de barreau à partir de la base strictly thermal 16, a seed 5 is held by a mandrel 7 attached to the lower end of an extraction bar 17, which makes it possible to form a single crystal 6 in the form of a bar from the base
du germe 5.germ 5.
La figure 2 montre une forme de réalisation possible Figure 2 shows a possible embodiment
du générateur de chaleur 4. Il s'agit d'un corps creux de forme géné- of the heat generator 4. It is a hollow body of general shape
rate cylindrique en un matériau conducteur, en graphite par exemple, dont la partie supérieure 4a s'amincit coniquement vers le haut. La cylindrical spleen of a conductive material, for example graphite, the upper part 4a tapers upward conically. The
paroi du générateur de chaleur 4 présente une série de fentes supé- wall of the heat generator 4 has a series of upper slots
rieures 4b et une série de fentes inférieures 4c, qui sont toutes 4b and a series of lower slots 4c, which are all
orientées dans le sens de l'axe du générateur de chaleur et se succè- oriented in the direction of the axis of the heat generator and succeed one another
dent alternativement à des intervalles angulaires réguliers dans le sens de la circonférence du générateur de chaleur. De plus, tes extrémités supérieures des fentes 4c partant du bas sont bifurquées ou prolongées par deux courtes fentes 4d et 4e en V, formant chacune un angle de 45 par exemple avec la fente 4c. Les fentes axiales 4b et 4c délimitent ainsi dans la paroi du générateur de chaleur un trajet en méandres, par lequel on fait circuler un courant électrique tooth alternately at regular angular intervals in the direction of the circumference of the heat generator. In addition, your upper ends of the slots 4c starting from the bottom are bifurcated or extended by two short slots 4d and 4e in V, each forming an angle of 45 for example with the slot 4c. The axial slots 4b and 4c thus delimit in the wall of the heat generator a meandering path, by which an electric current is circulated
qui engendre de la chaleur par pertes ohmiques. which generates heat by ohmic losses.
Pour tirer le monocristal du bain 3 de silicium fondu à l'aide du germe 5 et en utilisant l'appareil d'extraction ainsi construit, on fait tourner les deux creusets 1 et 2 par l'intermédiaire de l'arbre 8, dans le sens des aiguilles d'une montre par exemple, To draw the single crystal from the bath 3 of molten silicon using the seed 5 and using the extraction apparatus thus constructed, the two crucibles 1 and 2 are rotated by means of the shaft 8, in the clockwise for example,
et on fait tourner le germe 5 en sens inverse par la barre d'extrac- and the seed 5 is turned in the opposite direction by the extraction bar
tion 17. Bien entendu, les sens de rotation peuvent également être inversés. La barre d'extraction 17 est en outre relevée graduellement tion 17. Of course, the directions of rotation can also be reversed. The extraction bar 17 is also gradually raised
par un mécanisme (non représenté) en vue du tirage du monocristal 6. by a mechanism (not shown) for drawing the single crystal 6.
De plus, les deux creusets 1 et 2 sont progressivement relevés de manière que la surface du bain 3 conserve une position prédéterminée In addition, the two crucibles 1 and 2 are gradually raised so that the surface of the bath 3 retains a predetermined position.
par rapport au générateur de chaleur 4. relative to the heat generator 4.
Grâce à la partie supérieure conique 4a du générateur de chaleur 4 et aux fentes supplémentaires en V 4d et 4e formées à l'extrémité supérieure de chacune des fentes 4c partant du bord inférieur du générateur de chaleur, une aire de section droite dans chacune des portions de paroi délimitées par deux fentes 4b partant du bord supérieur du générateur est faible comparativement à l'aire de section droite dans le reste du générateur. Surtout les sections Thanks to the conical upper part 4a of the heat generator 4 and to the additional V-shaped slots 4d and 4e formed at the upper end of each of the slots 4c starting from the lower edge of the heat generator, a cross-sectional area in each of the portions wall delimited by two slots 4b starting from the upper edge of the generator is small compared to the cross-sectional area in the rest of the generator. Especially the sections
à la hauteur des fentes en V 4d et 4e sont relativement petites. at the height of the V slots 4d and 4e are relatively small.
De ce fait, lorsque le générateur est traversé d'un courant électrique, les portions coniques définissant la partie supérieure 4a de la paroi du générateur sont portées à une température plus élevée que le reste du générateur 4. Par suite, comme la partie supérieure 4a de la paroi du générateur de chaleur est située à la hauteur de la surface du bain 3, et la partie du creuset 2 contiguë à cette surface et la partie correspondante du creuset 1 sont Therefore, when the generator is traversed by an electric current, the conical portions defining the upper part 4a of the wall of the generator are brought to a higher temperature than the rest of the generator 4. Consequently, like the upper part 4a of the wall of the heat generator is situated at the height of the surface of the bath 3, and the part of the crucible 2 contiguous to this surface and the corresponding part of the crucible 1 are
chauffées davantage que le reste des deux creusets, ta diffé- heated more than the rest of the two crucibles, your different
rence de température entre la partie superficielle 3a du bain, qui est contiguë à la paroi interne du creuset 2, et la température maximale dans Le bain 3 est relativement faible, comme on peut le voir sur les figures 11A et 11B, comparativement à la différence entre ces deux températures dans un appareil de l'art antérieur, voir les figures 10A et 10B.t De plus, en raison de ta partie supérieure conique 4a, la résistance électrique totale du générateur de chaleur 4 est plus élevée que celle d'un générateur de chaleur conventionnel de type semblable, ce qui permet d'obtenir une température plus élevée, sur le générateur 4, avec un courant de même intensité. A température égale, l'invention permet donc de réduire l'intensité du courant rence of temperature between the surface part 3a of the bath, which is contiguous to the internal wall of the crucible 2, and the maximum temperature in the bath 3 is relatively low, as can be seen in FIGS. 11A and 11B, compared to the difference between these two temperatures in an apparatus of the prior art, see FIGS. 10A and 10B. In addition, due to the conical upper part 4a, the total electrical resistance of the heat generator 4 is higher than that of a conventional heat generator of similar type, which makes it possible to obtain a higher temperature, on generator 4, with a current of the same intensity. At equal temperature, the invention therefore makes it possible to reduce the intensity of the current
en comparaison avec un générateur de chaleur de l'art antérieur. in comparison with a heat generator of the prior art.
Ainsi qu'il a- été indiqué au début, pour augmenter la vitesse d'extraction maximale Vmax, il y a lieu d'accroître le gradient de température (dT/dX) dans la phase solide, c'est-à-dire dans le monocristal 6, à l'interface solide-liquide. En d'autres termes, il est préférable de réduire la température du générateur de chaleur 4 parce que le monocristal tiré du bain est chauffé par As indicated at the beginning, to increase the maximum extraction speed Vmax, the temperature gradient (dT / dX) must be increased in the solid phase, that is to say in single crystal 6, at the solid-liquid interface. In other words, it is preferable to reduce the temperature of the heat generator 4 because the single crystal drawn from the bath is heated by
le rayonnement de chaleur du générateur de chaleur 4. heat radiation from the heat generator 4.
Avec l'appareil selon l'invention, l'abaissement de With the apparatus according to the invention, the lowering of
La température du générateur 5 pour accroître le gradient de tempé- The temperature of generator 5 to increase the temperature gradient
rature (dT/dX) est possible parce que, comme indiqué plus haut, la différence de température entre la zone superficielle 3a du bain et la température maximale plus au coeur du bain 3 est faible. Donc, sansrisque de solidification dans la-zone superficielle 3a contiguë à la paroi interne du creuset 2, la température du générateur 4 erection (dT / dX) is possible because, as indicated above, the temperature difference between the surface area 3a of the bath and the maximum temperature more at the heart of the bath 3 is small. Therefore, without risk of solidification in the superficial zone 3a contiguous to the internal wall of the crucible 2, the temperature of the generator 4
peut être abaissée, ce qui se traduit par une diminution du rayon- can be lowered, which results in a decrease in the radius-
nement de chaleur sur le lingot extrait, c'est-à-dire par une élé- heat on the ingot extracted, that is to say by an element
vation du gradient de température (dT/dX). La vitesse d'extraction peut de ce fait être accrue d'une quantité pouvant atteindre 0,2 mm/ temperature gradient (dT / dX). The extraction speed can therefore be increased by up to 0.2 mm /
min par exemple comparativement à la vitesse réalisable dans l'appa- min for example compared to the speed achievable in the device
reil conventionnel. Le monocristal 6 peut en plus être tiré de façon continue, ce qui augmente la productivité et réduit les coûts de conventional eye. The single crystal 6 can additionally be drawn continuously, which increases the productivity and reduces the costs of
fabrication du monocristal 6.manufacture of the single crystal 6.
La figure 3 est un graphique montrant la densité des défauts de texture dans le lingot tiré. Elle montre que la densité des défauts dans le monocristal 6 est très éLevée à la vitesse d'extraction conventionnelle d'environ 1 mm/min et qu'elle est très faible à une vitesse d'extraction d'environ 2 mm/min. L'invention Figure 3 is a graph showing the density of texture defects in the ingot drawn. It shows that the density of the defects in the single crystal 6 is very high at the conventional extraction speed of approximately 1 mm / min and that it is very low at an extraction speed of approximately 2 mm / min. The invention
permet par conséquent d'améliorer la qualité du monocristal tiré. consequently makes it possible to improve the quality of the single crystal drawn.
Le chauffage du monocristal 6 par le rayonnement de chaleur du générateur 4 est également diminué par la disposition du recouvrement 16 au-dessus du bain 3. Ceci se traduit par une nouvelle augmentation du gradient de température (dT/dX) et par la possibilité The heating of the single crystal 6 by the heat radiation from the generator 4 is also reduced by the arrangement of the covering 16 above the bath 3. This results in a further increase in the temperature gradient (dT / dX) and by the possibility
d'augmenter la vitesse d'extraction en conséquence. increase the extraction speed accordingly.
Encore un autre avantage est que, du fait que la résis- Yet another advantage is that, because the resistance
tance électrique totale du générateur de'chaleur 4 est plus élevée que celle d'un générateur conventionnel et du fait que la chaleur est mieux répartie dans le bain 3 de matériau fondu, ce bain peut être porté à la même température avec une plus faible puissance électrique, de sorte que la consommation d'énergie électrique par un générateur de chaleur selon l'invention est inférieure à celle total electrical tance of the heat generator 4 is higher than that of a conventional generator and the fact that the heat is better distributed in the bath 3 of molten material, this bath can be brought to the same temperature with a lower power electric, so that the consumption of electric energy by a heat generator according to the invention is lower than that
d'un générateur conventionnel.of a conventional generator.
Bien entendu, de nombreuses modifications dans le cadre du concept technique de l'invention sont possibles dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit. Par exemple, il pourrait suffir de prévoir seulement la partie supérieure conique 4a, sans les fentes en V 4d, 4e. A l'inverse, on pourrait se contenter de Of course, numerous modifications within the framework of the technical concept of the invention are possible in the embodiment which has just been described. For example, it might suffice to provide only the conical upper part 4a, without the V-shaped slots 4d, 4e. Conversely, we could be satisfied with
former les fentes en V 4d, 4e sans amincir la partie supérieure 4a. form the V-shaped slots 4d, 4e without thinning the upper part 4a.
De plus, comme le montre la figure 4, il est possible de donner une forme conique, en section droite, à toute la paroi du générateur de chaleur 4, de bas jusqu'en haut. La figure 5 montre qu'il est possible In addition, as shown in Figure 4, it is possible to give a conical shape, in cross section, to the entire wall of the heat generator 4, from bottom to top. Figure 5 shows that it is possible
aussi de former des évidements courbes 4f pour créer un rétrécis- also to form curved recesses 4f to create a narrowing
sement dans la partie supérieure de la paroi du générateur de chaleur 4. Une autre possibilité est illustrée sur la figure 6, o un certain nombre de gorges circonférentielles 4g de profondeurs différentes sont creusées dans la partie supérieure de la paroi du générateur 4. La figure 7 montre qu'il est possible encore de faire varier la largeur des sections de paroi qui subsistent entre sement in the upper part of the wall of the heat generator 4. Another possibility is illustrated in Figure 6, where a number of circumferential grooves 4g of different depths are dug in the upper part of the wall of the generator 4. The figure 7 shows that it is still possible to vary the width of the wall sections which remain between
les fentes partant du bord supérieur et du bord inférieur du géné- the slots extending from the upper edge and the lower edge of the
rateur. Plus précisément,la largeur t de ces sections est plus 1* petite dans la partie supérieure du générateur de chaleur 4 que la rator. More precisely, the width t of these sections is smaller 1 * at the top of the heat generator 4 than the
largeur t2 desdites sections dans la partie inférieure du générateur. width t2 of said sections in the lower part of the generator.
Selon une autre variante encore, la partie supérieure du générateur peut être fabriquée dans un matériau de résistivité plusélevéequela According to yet another variant, the upper part of the generator can be made of a material with higher resistivity than the
partie inférieure.lower part.
La figure 8 représente un deuxième mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, o le générateur de chaleur 4 est partagé en deux éléments superposés, 18 et 19e ayant tous deux une forme générale cylindrique. Dans ce mode de réalisation, l'élément supérieur 18 du générateur de chaleur est porté à une température FIG. 8 represents a second embodiment of the apparatus according to the invention, o the heat generator 4 is divided into two superimposed elements, 18 and 19e both having a generally cylindrical shape. In this embodiment, the upper element 18 of the heat generator is brought to a temperature
plus élevée que l'élément inférieur 19. higher than the lower element 19.
Au cas o le bain 3 est chauffé par induction au moyen d'une ou de plusieurs bobines à haute fréquence, il est possible d'augmenter le nombre de spires par unité de longueur dans la partie supérieure de la bobine à haute fréquence, comparativement au nombre de spires dans la partie inférieure de la bobine. If the bath 3 is heated by induction by means of one or more high frequency coils, it is possible to increase the number of turns per unit of length in the upper part of the high frequency coil, compared to the number of turns in the lower part of the coil.
La figure 9 représente un troisième mode de réalisa- FIG. 9 represents a third embodiment.
tion de l'appareil selon l'invention, o un électro-aimant 21 est installé à proximité de la chemise de refroidissement 10a pour le tirage du monocristal 6 avec application d'un champ magnétique au bain 3 de matériau fondu, selon une méthode appelée MCZ. Dans ce tion of the apparatus according to the invention, o an electromagnet 21 is installed near the cooling jacket 10a for drawing the single crystal 6 with application of a magnetic field to the bath 3 of molten material, according to a method called MCZ. In this
mode de réalisation, comme le bain 3 - qui est conducteur élec- embodiment, such as bath 3 - which is electrically conductive
trique - est soumis à des forces électromagnétiques, il est possible de supprimerla convection thermique. La convection supprimée, du fait que la distribution de température dans le générateur de chaleur 4 est bien reproduite dans la distribution de température du bain 3, comme on peut le voir sur les figures 12A et 12B, il devient possible de réduire La température au coeur du bain, tout en augmentant la température à la périphérie du bain, et de réduire davantage encore la différence de température entre le coeur et La zone superficielle du bain 3, comparativement aux différences de températures dans le premier et le second mode de réalisation. Il s'ensuit que la vitesse d'extraction du monocristal 6 peut être augmentée plus que dans un appareil sans application d'un champ magnétique. Bien que, dans stick - is subjected to electromagnetic forces, it is possible to suppress thermal convection. The convection suppressed, because the temperature distribution in the heat generator 4 is well reproduced in the temperature distribution of the bath 3, as can be seen in FIGS. 12A and 12B, it becomes possible to reduce the temperature at the core of the bath, while increasing the temperature at the periphery of the bath, and further reducing the temperature difference between the core and the surface area of the bath 3, compared to the temperature differences in the first and second embodiments. It follows that the extraction speed of the single crystal 6 can be increased more than in a device without the application of a magnetic field. Although in
l'exemple représenté sur La figure 9, le champ magnétique soit appli- the example shown in Figure 9, the magnetic field is applied
qué dans le sens latéral à l'appareil, il est possible aussi de l'appliquer dans le sens de sa longueur, c'est-à-dire dans le sens axial. qué in the direction lateral to the device, it is also possible to apply it in the direction of its length, that is to say in the axial direction.
Exemple I:Example I:
On introduit une charge de 20 kg de matériau à base de silicium polycristallin dans un creuset d'un diamètre d'environ cm, on fait fondre le matériau et on tire un monocristal 6 du bain ainsi obtenu. Selon la méthode conventionnelle, le liquide du bain 3 se solidifie à une vitesse d'extraction de 1,2 mm/min dans la A 20 kg charge of polycrystalline silicon material is introduced into a crucible with a diameter of approximately cm, the material is melted and a single crystal 6 is drawn from the bath thus obtained. According to the conventional method, the liquid in bath 3 solidifies at an extraction speed of 1.2 mm / min in the
zone 3a. Dans la méthode selon l'invention, avec disposition du recou- zone 3a. In the method according to the invention, with provision of the overlap
vrement thermique 16 par-dessus le bain 3, le monocristal 6 peut être really thermal 16 over the bath 3, the single crystal 6 can be
tiré à une vitesse de 1,5 mm/min. Lorsqu'on installe le recou- fired at a speed of 1.5 mm / min. When installing the overlay
11. vrement 16 et qu'on utilise en plus un générateur de chaleur 4 dont la partie supérieure 4a est conique et présente Les fentes en V 4d et 4e, il est possible de tirer un monocristal 6 d'un diamètre 11. really 16 and that in addition a heat generator 4 is used whose upper part 4a is conical and has V-shaped slots 4d and 4e, it is possible to draw a single crystal 6 of a diameter
d'environ 10 cm à une vitesse d'extraction de 2 mm/min. about 10 cm at an extraction speed of 2 mm / min.
ExempLe 2:EXAMPLE 2:
De la même façon, on introduit une charge de 20 kg d'un matériau à base de silicium polycristallin dans un creuset d'un diamètre d'environ 30 cm, on fait fondre le matériau puis on tire un monocristal 6 du bain ainsi obtenu. Avec disposition du recouvrement In the same way, a 20 kg load of a polycrystalline silicon-based material is introduced into a crucible with a diameter of about 30 cm, the material is melted and then a single crystal 6 is drawn from the bath thus obtained. With covering arrangement
thermique 16 par-dessus le bain 3 et en utilisant en plus un géné- thermal 16 over bath 3 and additionally using a
rateur de chaleur 4 dont la partie supérieure 4a s'amincit coniquement et présente les fentes en V 4d et 4e, le monocristal peut être tiré à une vitesse de 2 mm/min. Lorsqu'on applique en plus un champ magnétique comme représenté sur la figure 9, il est possible de porter heat erector 4 whose upper part 4a tapers conically and has the V-shaped slots 4d and 4e, the single crystal can be pulled at a speed of 2 mm / min. When additionally applying a magnetic field as shown in Figure 9, it is possible to wear
la vitesse d'extraction à 2,3 mm/min. the extraction speed at 2.3 mm / min.
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