WO2011147860A1 - Quartz glass crucible and method for producing same - Google Patents

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WO2011147860A1
WO2011147860A1 PCT/EP2011/058530 EP2011058530W WO2011147860A1 WO 2011147860 A1 WO2011147860 A1 WO 2011147860A1 EP 2011058530 W EP2011058530 W EP 2011058530W WO 2011147860 A1 WO2011147860 A1 WO 2011147860A1
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quartz glass
bubble
crucible
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PCT/EP2011/058530
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Inventor
Walter Lehmann
Thomas Kayser
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Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg
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    • C03B19/09Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould
    • C03B19/095Other methods of shaping glass by fusing powdered glass in a shaping mould by centrifuging, e.g. arc discharge in rotating mould
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002Crucibles or containers for supporting the melt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10Crucibles or containers for supporting the melt
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30BSINGLE-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
    • C30B35/00Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002Crucibles or containers

Definitions

  • the invention relates to a quartz glass crucible for pulling single crystals, having a crucible height H and having an inner side crucible wall formed by a bottom and a quartz glass connected to the bottom side wall, the inside at least partially of a skin layer of dense quartz glass is covered. Furthermore, the invention relates to a method for producing a quartz glass crucible for pulling single crystals, comprising the following method steps:
  • Quartz glass crucibles are used to hold a silicon melt when pulling silicon single crystals by the so-called Czochralski method.
  • Czochralski method polycrystalline, metallic silicon in the quartz glass Gel melted and brought a seed crystal of silicon monocrystalline from above to the enamel surface, so that forms enamel meniscus between crystal and melt.
  • the monocrystal is slowly pulled up while rotating the crucible, whereby the silicon monocrystal grows on the seed crystal. This process is referred to below as the “startup process” or shortly as “startup”.
  • the quartz glass crucibles are usually designed with a transparent inner layer on a pore-containing, opaque outer layer.
  • the transparent inner layer is in contact with the silicon melt during the crystal pulling process and is subject to high mechanical, chemical and thermal loads.
  • the inner layer is as homogeneous as possible and low in bubbles.
  • crucible production methods with vacuum-assisted formation of the inner layer are known.
  • a vacuum melting mold is used, the wall of which has through holes, which is thus porous or provided with a plurality of through holes, so that upon application of a negative pressure on the outside of the melt, gases can be withdrawn from the SiO 2 grain layer to the outside.
  • Such a vacuum manufacturing method is known from the unpublished EP 2 236 469 A1.
  • a quartz glass crucible with bubble-free inner layer of indefinite thickness and bubble-containing outer layer is described. Bubble content and bubble size of the outer layer increase upward from the bottom of the crucible via the sidewall.
  • the transition between the area containing the high bubbles and the areas containing the low bubbles is not exactly defined, the embodiment schematically showing a division approximately at the center of the crucible.
  • the production of the bubble-free inner layer is carried out by applying a vacuum.
  • the use of different quartz glass grains as starting material is proposed. Due to the higher bubble content of the upper wall section is the Reduced weight, so that there is a lower deformation of the quartz glass crucible when used as intended.
  • a vacuum manufacturing method is known from DE 10 2008 030 310 B3.
  • an outer grain layer of relatively coarse-grained quartz grain is first produced on the inner wall of the melt.
  • another SiO 2 -grain layer of finely divided, synthetically produced SiO 2 powder is applied.
  • the granulation layers are then heated under the action of an arc from the inner wall, thereby sintering the SiO 2 granular layers into the quartz glass crucible with an opaque outer layer and a transparent inner layer.
  • the finely divided grain acts as a mechanical barrier layer by hindering the suction of atmosphere from the crucible interior when applying the vacuum on the outer mold wall, so that forms a dense, glassy sealing layer quickly and without local inhomogeneities, the rapid application allows a stronger vacuum.
  • the inner layer of synthetically produced quartz glass ensures a low concentration of impurities in the area close to the melting point and has a favorable effect on the yield of pure and dislocation-free silicon monocrystal. It has been found, however, that crucibles having an inner layer of synthetic quartz glass tend to cause oscillations of the enamel surface compared to quartz glass crucibles made of naturally occurring quartz sand. Such oscillations may be caused or enhanced, for example, by the rotation of the melt and seed crystal or by the immersion of the seed crystal. They are especially detrimental to the piecing process by making it difficult, delaying or even preventing nucleation.
  • EP 1 532 297 A1 proposes a quartz glass crucible which has a transparent inner layer made of synthetic quartz glass but which is interrupted at a height of the melt level at the beginning of the crystal pulling process by a transparent bubble zone of naturally occurring quartz glass is. This bubble zone extends in a range of at least 0.5 x H to 0.8 x H, where H represents the crucible height between the bottom of the bottom and the sidewall top edge.
  • the circumferential side wall region of the quartz glass crucible which is at the level of the melt level at the beginning of the crystal pulling process, is also referred to below as the "attachment zone”.
  • the inner wall in the region of the attachment zone is designed as a circumferential annular surface with a multiplicity of depressions.
  • a similar quartz glass crucible is also known from JP 2004-250304 A.
  • a circumferential annular surface is provided for suppressing vibrations of the silicon melt, are contained in the bubbles with a volume fraction of 0.01 to 0.2%.
  • the roughened surface around the region of the attachment zone can assume all possible contact angles with respect to the silicon melt, which prevents in-phase wetting or non-wetting of the quartz glass surface and thus counteracts the occurrence of vibrations.
  • contaminants may accumulate in the roughened area, which are released into the silicon melt during the crystal pulling process.
  • the invention has for its object to provide a quartz glass crucible, which facilitates the piecing process and in which the risk of contamination in the silicon melt is low. Furthermore, the invention has for its object to provide a method for the reproducible production of such a crucible.
  • this object is achieved on the basis of a method of the type mentioned above, that in an upper region of the granulation layer, which then extends to the lower part H to the full height, glazing below the skin layer and adjacent to this one Bubble zone is generated containing gas-filled bubbles with a specific bubble volume that is at least twice as large as the specific volume of gas-filled bubbles in low-bubble silica glass by applying the negative pressure in a lower region of the granulation layer, which extends from the bottom region to a maximum of 0, 8 times the crucible height H extends.
  • a circumferential bubble-containing zone (also referred to herein as a "bubble zone”) is created in the side wall of the quartz glass crucible, which is at the level of the melt surface at the beginning of the single-crystal drawing process - ie in the region of the attachment zone
  • the bubble-containing zone is covered by a - preferably thin - skin layer of dense quartz glass
  • the skin layer covers the entire inner wall of the granulation layer.
  • the skin layer prevents impurities in rough surface areas, for example, during cleaning or further processing steps of the crucible, during transport or during installation in the crystal pulling device.
  • the skin layer is so thin at least in the area of the attachment zone that, when the quartz glass crucible is used as intended, time is dissolved by the corrosive attack of the silicon melt, so that then the immediately adjacent bubble-containing zone of the side wall comes into direct contact with the surface of the silicon melt.
  • the bubble zone After exposure, the bubble zone shows the expected effect of reducing silicon melt oscillation.
  • the bubble zone serves as a roughened surface area, which can take all possible contact angles with the melt and thus minimizes oscillations.
  • the bubble zone extends above and below the attachment zone. That is, it is located at a height of the quartz glass crucible sidewall that corresponds to the melt level height at the beginning of the crystal pulling process. This height is known before the beginning of the drawing process due to the inner volume of the quartz glass crucible and the filling volume of silicon melt.
  • the specific bubble content (bubble volume / cm 3 ) in the bubble zone is at least twice as high as in low-bubble quartz glass, as is the case, for example, in the skin layer.
  • Bladder zone and low-bubble quartz glass are usually not directly adjacent to each other, but there is a smooth transition.
  • the lower edge of the bubble zone is in the region of the crucible side wall, ie above the bottom.
  • This upper bubble-containing partial area is also referred to here as the "upper area" of the side wall (or the grain layer), and the lower partial area as the "lower area" of the side wall (or the grain layer).
  • the bubble zone extends from its lower end, either over the entire remaining upper surface of the side wall or over only a part thereof.
  • the thickness of the bubble zone - viewed in the radial direction - corresponds to either the wall thickness of the quartz glass crucible in this area (minus the skin zone) or a part thereof.
  • crucible height H - as usual - the distance between the bottom of the crucible bottom and the side wall top edge defined. Since the bubble zone has bubbles filled with gas, they can not disappear when the quartz glass crucible is heated.
  • the generation of the bubble zone initially covered by the skin layer is based on an inhomogeneous distribution of the suction over the crucible wall in the glazing process.
  • the negative pressure is exclusively or predominantly applied in a lower region of the granulation layer, which is defined by extending from the bottom region to a maximum of 0.8 times the crucible height H.
  • the gas-filled bubbles are produced in the upper region of the granulation layer by supplying a gas to the upper region during or before vitrification of the granulation layer or by allowing an inflow of gas into the upper region ,
  • a gas is supplied to the upper portion of the granulation layer, whereas gases present in the lower portion are withdrawn due to the negative pressure treatment.
  • the gas supply in the upper region of the granulation layer increases the gas content in this region, so that gas bubbles are produced underneath the skin layer during the simultaneous or subsequent glazing of this region.
  • gases for the gas supply are, for example, nitrogen, oxygen, argon, mixtures of these gases or air.
  • the gas is not actively supplied, but provisions are also made to prevent dense sintering of the upper edge of the granulation layer during vitrification and thus allow further inflow of gas into this region.
  • the free surface areas of the granulation layer generally sinter rapidly, which prevents the further supply of gas. This applies in particular to the upper edge of the graining layer.
  • the gas is supplied to the "backside" of the granulation layer facing away from the high-temperature atmosphere, namely via a gas-permeable wall section of the melt mold Graining layer preferably supplied by a adjacent to the upper region of the granulation layer, gas-permeable wall portion of the vacuum melt mold.
  • the gas permeability may advantageously be effected by bores in the molten wall ending at the granulation layer or by a ring of porous material, such as porous graphite, disposed in the upper region of the granulation layer and forming part of the melt mold.
  • a grain barrier layer is provided between the upper and the lower region of the granulation layer, which hinders gas flow from the upper to the lower region.
  • Gas is supplied continuously to the upper portion of the granulation layer during vitrification or once before or during vitrification.
  • gases and gas mixtures which diffuse slowly in quartz glass, in particular nitrogen, argon, oxygen or air.
  • the anti-graining layer increases the flow resistance to limit outflow of gas from the upper region to the lower region of the granulation layer underlying the suction.
  • the grit barrier layer is preferably designed as an annular intermediate layer within the granulation layer of SiO 2 powder, which has a higher bulk density than the remaining SiO 2 grain of the granulation layer.
  • the graining barrier layer forms a closed powder layer between the upper and lower regions of the granulation layer.
  • the powder layer consisting of particles with a comparatively higher bulk density sets the gas flow a higher flow resistance than coarser grain size. The outflow of gas from the upper region of the granulation layer as a result of the suction acting in the lower region is thus reduced.
  • the gas-filled bubbles in the upper region of the granulation layer are produced by replacing gas present in the lower region of the granulation layer with helium, and that this gas exchange is hindered in the upper region of the granulation layer.
  • a difference between the bubbles from the lower region of the side wall and the upper region of the side wall is created by exchanging gases which are present only or predominantly in the lower region of the granulation layer by helium.
  • Helium atoms are small in size and can diffuse comparatively quickly in quartz glass, which counteracts the formation of gas-filled pores in quartz glass.
  • Arrangements which prevent or prevent or reduce gas exchange in the upper region of the graining layer preferably consist of helium being supplied to the bottom region of the graining layer and, at the same time, being sucked off over the wall of the molten state due to the negative pressure applied in the lower region of the graining layer, before reaching it the upper portion of the graining layer.
  • the gas exchange is effected only or predominantly in the lower region of the granulation layer and avoided in the upper region of the granulation layer.
  • the lower, helium-laden or evacuated region of the graining layer sinters into low-bubble or bubble-free quartz glass, whereas gas-filled bubbles remain in the upper region.
  • the skin layer is on the one hand so thick that it is not simply rubbed off during handling and transport of the quartz glass crucible, but on the other hand so thin that it is already completely removed in the earliest possible stage of the melting process. In view of this, it has proved to be advantageous if a skin layer is produced which has a thickness in the upper region of the granulation layer in the range from 50 ⁇ m to 800 ⁇ m.
  • the negative pressure in a lower region of the granulation layer which extends from the bottom region to a height which is at least 0.2 ⁇ H, preferably at least 0.4 ⁇ H.
  • a comparatively low-bubble quartz glass is obtained at least in the bottom and in the crucible side wall at a height of up to 0.2 ⁇ the crucible height H, preferably up to 0.4 ⁇ H.
  • the bubble zone or a transition zone to the bubble zone immediately follows.
  • the width of the bubble zone below the melt level is advantageously as narrow as possible and as wide as necessary. Since the height of the attachment zone in the finished quartz glass crucible is generally known in advance, the bubble zone can be limited to this height range of the quartz glass crucible.
  • the side wall region is assigned a fictitious attachment zone at a height of between 0.5 ⁇ H to 0.95 ⁇ H, the bubble zone not exceeding 10 cm, preferably not more than 5 cm, below this attachment zone enough.
  • the abovementioned object starting from a quartz glass crucible of the type specified at the outset is achieved according to the invention in that the skin layer extends at the bottom and in a lower region of the side wall which extends from the bottom to a maximum of 0.8 times the cone height H, to a bubble-poor quartz glass, and in a region adjoining the lower region up to the full crucible height H, the upper region of the side wall having a thickness in the range from 50 ⁇ m to 800 ⁇ m, to a blister. senzone from a bubble-rich, gas-filled bubbles containing quartz glass adjacent.
  • a thin skin layer of dense quartz glass covers a circumferential, bubble-containing zone in the wall of the quartz glass crucible, which lies at the level of the melt surface at the beginning of the single-crystal drawing process, ie in the region of the attachment zone.
  • the skin layer prevents impurities from accumulating in the bubbles, for example during cleaning or further treatment steps of the crucible, during transport or during installation in the crystal pulling device. It is so thin that it is dissolved in the intended use of the quartz glass crucible within a short time by the corrosive attack of the silicon melt, so that then the immediately adjacent bubble-containing zone of the side wall comes into direct contact with the surface of the silicon melt.
  • the bubble zone thus serves as a roughened surface area, which can take all possible contact angles with the melt and thus minimize oscillations.
  • the specific bubble volume in the bubble zone is at least twice as high as in low-bubble quartz glass of the skin layer Bladder content does not differ significantly or not at all from the skin layer and low-bubble quartz glass, and optically there is generally no difference between the low-bubble quartz glass of the skin layer and the low-bubble quartz glass in the bottom and the bottom side wall of the crucible.
  • the bubble zone lies in the region of the attachment zone, ie at a height of the quartz glass crucible sidewall which corresponds to the melt level height at the beginning of the crystal pulling process. This height is usually known before the beginning of the drawing process due to the inner volume of the quartz glass crucible and the volume of the silicon melt to be filled.
  • the bubble zone has bubbles filled with gas so that they do not disappear when the quartz glass crucible is heated.
  • the quartz glass crucible according to the invention can be produced by means of the above-explained method according to the invention. After removal of the quartz glass crucible from the melt mold, the top edge is uneven and is abraded or cut off.
  • the height H corresponds to the height of the crucible side wall after abrading or cutting off and also approximately to the height of the side wall region of the former granulation layer.
  • Skin layer has in the upper region of the side wall has a thickness in the range of 50 ⁇ to 800 ⁇ on.
  • the transition from the bubble zone to the adjacent lower-bubble areas of the sidewall is usually not sharp but fluid and there is a transition area.
  • the lower edge of the bubble zone lies in the crucible side wall, ie above the bottom of the crucible.
  • the bubble zone extends from its lower end, starting either over the entire upper partial surface of the side wall or only over a partial section thereof.
  • the bubble zone is helpful only at the beginning of the crystal pulling process to reduce melt oscillation. In the later stages of the crystal pulling process, a bubble-containing surface is rather undesirable.
  • the bubble zone ideally extends only at the height of the attachment zone, but not far below. In practice, it has been proven that the bubble zone extends at a height ranging from 0.4 x H to the upper edge of the pot.
  • an embodiment of the quartz glass crucible according to the invention is preferred in which the side wall is assigned a fictitious attachment zone in a height between 0.5 ⁇ H to 0.95 ⁇ H, wherein the bubble zone not more than 10 cm, preferably not more than 5 cm, below this attachment zone.
  • the strength of the bubble zone - viewed in the radial direction - corresponds either to the wall thickness of the quartz glass crucible in this area (minus the skin tone) or a part thereof.
  • Figure 1 shows a first embodiment of an apparatus for producing a
  • Figure 2 shows a second embodiment of an apparatus for producing a
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a device for producing a
  • Quartz glass crucible according to the invention and Figure 4 shows an embodiment of the quartz glass crucible according to the invention in a side view in section.
  • the melting apparatus shown schematically in Figure 1 comprises a
  • melt form 1 made of metal with an inside diameter of 68 cm, a curved bottom and a side wall with a height of 50 cm.
  • the melt mold 1 is rotatably mounted about its central axis 2.
  • In the interior 3 of the mold 1 protrude electrodes 4 made of graphite, which are movable within the interior 3 in all directions in space indicated.
  • a plurality of passages 6 are provided, through which a vacuum applied to the outside of the molten mold 1 can pass through into the interior 3.
  • the upper third wall 17 of the mold 1 further passages 7 are present. seen, over which a gas can be directed towards the mold réelleraunn 3.
  • the passages 7 open into a common annular groove 16 which is inserted into the upper side of the melt mold wall.
  • the passages 6; 7 are each closed with a plug 1 1 of porous graphite, which prevents the escape of SiO 2 grain from the interior 3.
  • crystalline granules of natural quartz sand purified by means of hot chlorination are introduced into the melt mold 1.
  • the quartz sand has a grain size in the range of 90 ⁇ to 315 ⁇ .
  • a rotationally symmetrical, garnet-shaped granulation layer 12 of mechanically solidified quartz sand is formed on the inner wall of the melt mold 1 rotating about the longitudinal axis 2.
  • the layer thickness of the graining layer is approximately equal in the bottom area 8 and in the lower and upper side area 9, 10 and is approximately 12 mm.
  • the height of the graining layer in the sidewall area corresponds to the height of the melt shape, ie 50 cm.
  • the electrodes 4 are positioned in the further about its longitudinal axis 2 rotating mold 1 in the vicinity of the granulation layer 12 and between the electrodes 4 ignited an arc 13.
  • the electrodes are thereby subjected to a power of 600 kW (300 V, 2000 A), so that a high-temperature atmosphere is established in the mold interior 3.
  • a skin layer 14 of dense, transparent quartz glass with a thickness of about 0.5 mm is produced on the quartz granulation layer 12.
  • the free top 5 of the granulation layer 12 is compressed.
  • a vacuum (100 mbar absolute pressure) is applied to the granulation layer 12 in a third method step via the passages 6 created in the bottom region 8 and in the lower wall region 9.
  • air is introduced via the passages 7 into the upper third 10 of the still porous granulation layer 12.
  • the respective gas flows during the aspiration and introduction of air are indicated in FIGS. 1 to 3 by arrows.
  • the air essentially remains in the upper third 10 of the granulation layer.
  • relatively high loading of the SiO 2 grain with air occurs in the upper region 10 of the granulation layer.
  • the flow resistance of the granulation layer 12 in conjunction with the applied vacuum prevents the ingress of air into these regions 8; 9th
  • the expected attachment zone is in the height range - this is a height of 2/3 H, where "H" is the final crucible height is - an annular intermediate layer 15 is provided, which consists of particularly fine-grained grain size with grain sizes in the range of 80 ⁇ and which is characterized by a high flow resistance.
  • Bim vitrifying wanders a melt front from inside to outside through the granular layer 12.
  • the height H-a continuously bubble-containing, glazed zone (FIG. 4, bubble zone 41) is formed as a result of the greater air charge. This extends over the entire upper third of the wall, so a length of about 17 cm and it is completely covered by the inner skin 14.
  • the lower region 9 and the bottom region of the granulation layer 12 initially glaze without appreciable bubble formation. With regard to transparency, there is no noticeable difference between the quartz glass of the skin layer 14 and the low-bubble quartz glass of the bottom and side wall.
  • evacuation is stopped.
  • the rear side of the granulation layer 12 also glazes in the bottom and lower side wall region to form opaque, bubble-containing quartz glass. Vitrification is stopped shortly before the enamel front reaches the enamel mold.
  • the former liner 15 marks a relatively sharp transition from bubble containing fused silica to a low bubble region.
  • the bubble zone is considered to be the area in which the specific bubble volume below the skin layer is twice as high as in the skin layer. The lower edge of this zone is about 3 cm below the expected attachment zone.
  • FIGS. 2 to 4 identical or equivalent components and components are referred to, as explained in more detail above with reference to FIG.
  • a melt mold 21 which consists of a lower metal lower part 22, which defines the domed bottom and the two lower thirds of the side wall with a total height of 50 cm, which is also approximately the Height "H" of the produced quartz glass crucible corresponds.
  • an upper part in the form of a graphite ring 23 is fixed with a height of 17 cm and an inner diameter of 68 cm.
  • the graphite ring 23 is made of porous graphite with a porosity of 25%.
  • the vacuum is applied, air is sucked into the upper granulation region 10 via the porous graphite ring 23.
  • the graphite ring 23 which in this respect has a similar function as the annular groove 16 and the passages 7 of the melting device of Figure 1, the first and second embodiments of the melting device do not differ.
  • a procedure for producing a quartz glass crucible will be explained in more detail with reference to the melting device shown in FIG.
  • a granulation layer 12 is formed in the melt mold 21 and provided with a skin layer 14 in a second method step, as described with reference to FIG.
  • a vacuum (100 mbar absolute pressure) is applied to the granulation layer 12 in the bottom region 8 and in the lower wall region 9 via the passages 6, and at the same time air passes through the porous graphite ring 23 into the upper wall region 10 due to the negative pressure air
  • the graphite ring 23 not only serves as a molding element in forming the granulation layer 12, but also shields it against the heat of the arc 13, so that dense sintering of the granulation layer 12 from its side facing away from the plasma 13 is prevented.
  • a continuously vesicular zone is formed in the upper region 10 as a result of the stronger air charge, which extends downwards over the upper third of the crucible height H, ie over a length of approximately 17 cm, and that of the inner skin 14 completely covered.
  • the lower region 9 and the bottom region 8 of the granulation layer 12 vitrify without appreciable bubble formation as long as the vacuum is applied.
  • the outer region of the quartz glass crucible is produced opaque throughout, as described above with reference to FIG. The transition of the bubble zone into the low-bubble or bubble-free area is fluid.
  • the bubble zone is considered to be the area in which the specific bubble volume of the Skin layer 14 adjacent quartz glass is twice as high as in low-bubble silica glass of the skin layer 14th
  • the melting device shown schematically in FIG. 3 comprises a
  • Melt mold 31 made of metal with an inner diameter of 68 cm, a curved bottom and a side wall with a height "H" of 50 cm .
  • the mold 31 is rotatably mounted about its center axis 2.
  • electrodes 4 made Graphite in all spatial directions movable, as indicated by the directional arrows 5.
  • a plurality of passages 6 are provided, through which a vacuum applied to the outside of the mold 31 can pass inwards. Via a central opening 32 at the bottom of the melt mold 31, which is closed with a plug 33 made of porous graphite, the melt mold 31 helium can be supplied.
  • a granulation layer 12 is formed in the melt mold 21 and provided with a skin layer 14 in a second method step, as described with reference to FIG.
  • a vacuum is applied to the granulation layer 12 via the passages 6 in the lower wall region 9, and at the same time the granulation layer 12 is flooded without pressure via the central opening 32 with a gas mixture of helium.
  • the supply of the gas mixture and the simultaneous suction cause an exchange of air through the He / H 2 -Gasgemsich in the bottom and lower side region 8; 9 of the graining layer 12.
  • the rinsing process is continued during the glazing.
  • substantially the air previously contained remains.
  • vitrifying the granulation layer 12 is formed in the upper region 10 due to the strong air charge from a consistently blistering bubble zone, which is about a height of about 17 cm from the upper edge extends downwards and which is completely covered by the inner skin 14.
  • the lower region 9 and the bottom region of the granulation layer 12 initially glaze without appreciable bubble formation. With regard to transparency, there is no noticeable difference between the quartz glass of the skin layer 14 and the low-bubble quartz glass of the bottom 8 and lower side wall region 9.
  • a quartz glass crucible 40 having a bubble zone 41 is obtained with all variants of the method explained in greater detail above. Its lower edge extends approximately 2 to 3 cm below a fictitious attachment zone which runs at a height "A.”
  • the bubble zone 41 is visually easily recognizable as an opaque region, and its specific bubble content is at least twice as high as in the skin layer 14. In this area, which is designated by "B", the skin layer 14 thus adjoins the bubble zone 41.
  • the bubble zone 41 extends to the upper edge of the pot and extends over the entire wall
  • the skin layer 14 adjoins a quartz glass having a similar low bubble content, as is present in the skin layer 14.
  • This bubble-poor region is designated by the reference numeral 44 in FIG.
  • the outer wall region of the quartz glass crucible 40 also consists of opaque, bubble-containing quartz glass in the bottom and lower side wall region.
  • the crucible height "H" is shown as a distance between the bottom of the bottom 42 and the upper edge 44 of the side wall.
  • the quartz glass crucible When the quartz glass crucible is used as intended, the gas-filled bubbles are subject to bubble growth. After dissolution of the skin layer 14, a rough or wavy crucible surface is exposed in the region of the surface of the silicon melt. Because of this roughened crucible surface, any contact angle between the silicon melt and the wall results, so that melting vibrations are suppressed.

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Abstract

In a known method for producing a quartz glass crucible, a vacuum fusion mould is provided, on the inside of which a crucible-shaped granular layer made of SiO2 granules is formed, which layer has a base region and a side wall region. A skin made of low-bubble quartz glass is formed on at least one part of the porous granular layer. Gaseous components are removed from at least one part of the granular layer adjoining the skin by applying a vacuum, and the granular layer is vitrified, forming the quartz glass crucible having a crucible height H. In order to, proceeding therefrom, produce a quartz glass crucible which makes the preparation process easier and in which the risk of contamination by impurities in the silicon melt is low, according to the invention a bubble zone, which contains gas-filled bubbles having a specific bubble volume that is at least twice the specific volume of gas-filled bubbles in low-bubble quartz glass, is produced under the skin and adjoining same in an upper region of the granular layer which adjoins the lower region and extends to the full height H during the vitrification process by applying the vacuum in only or predominantly in a lower region of the granular layer which extends from the base region to no more than 0.8 times the crucible height H.\

Description

Quarzglastiegel und Verfahren für dessen Herstellung  Quartz glass crucibles and process for its production
Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Quarzglastiegel zum Ziehen von Einkristallen, mit einer Tiegelhöhe H und mit einer eine Innenseite aufweisenden Tiegelwandung, die von einem Boden und einer mit dem Boden verbundenen Seitenwand aus Quarzglas gebildet wird, wobei die Innenseite mindestens teilweise von einer Hautschicht aus dichtem Quarzglas bedeckt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglastiegels zum Ziehen von Einkristallen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:The invention relates to a quartz glass crucible for pulling single crystals, having a crucible height H and having an inner side crucible wall formed by a bottom and a quartz glass connected to the bottom side wall, the inside at least partially of a skin layer of dense quartz glass is covered. Furthermore, the invention relates to a method for producing a quartz glass crucible for pulling single crystals, comprising the following method steps:
(a) Bereitstellen einer Vakuum-Schmelzform mit einer Wandung, die eine Innenseite, eine Außenseite und durchgehende Löcher zwischen Außenseite und Innenseite aufweist, (a) providing a vacuum melt mold having a wall having an inside, an outside, and through holes between outside and inside,
(b) Ausformen einer tiegeiförmigen, porösen Körnungsschicht aus SiO2-Körnung auf der Innenseite der Vakuum-Schmelzform, wobei die Körnungsschicht einen Bodenbereich und einen Seitenwandbereich hat, (b) forming a garnet-shaped porous granulation layer of SiO 2 grain on the inside of the vacuum melt mold, the granulation layer having a bottom portion and a sidewall portion,
(c) Ausbilden einer Hautschicht aus blasenarmem Quarzglas auf mindestens einem Teil der porösen Körnungsschicht, (d) Entfernen gasförmiger Komponenten aus mindestens einem Teil der an die Hautschicht angrenzenden Körnungsschicht, indem ein Unterdruck über die Außenseite der Schmelzform-Wandung angelegt wird, (c) forming a skin layer of low-bubble fused quartz glass on at least a portion of the porous graining layer; (d) removing gaseous components from at least a portion of the graining layer adjacent the skin layer by applying a negative pressure across the outside of the melt-forming wall;
(e) Verglasen der porösen Körnungsschicht unter Bildung des Quarzglastiegels mit einer Tiegelhöhe H. (e) vitrifying the porous graining layer to form the quartz glass crucible having a crucible height H.
Stand der Technik State of the art
Quarzglastiegel werden zur Aufnahme einer Siliziumschmelze beim Ziehen von Siliziumeinkristallen nach dem so genannten Czochralski-Verfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird polykristallines, metallisches Silizium im Quarzglastie- gel erschmolzen und ein Impfkristall aus Siliziumeinkristall von oben an die Schmelz-oberfläche herangeführt, so dass sich Schmelz-Meniskus zwischen Kristall und Schmelze ausbildet. Der Einkristall wird langsam unter Rotation des Tiegels nach oben abgezogen, wobei der Siliziumeinkristall am Impfkristall anwächst. Dieser Vorgang wird im Folgenden als„Ansetzprozess" oder kurz als„Ansetzen" bezeichnet. Quartz glass crucibles are used to hold a silicon melt when pulling silicon single crystals by the so-called Czochralski method. In this process, polycrystalline, metallic silicon in the quartz glass Gel melted and brought a seed crystal of silicon monocrystalline from above to the enamel surface, so that forms enamel meniscus between crystal and melt. The monocrystal is slowly pulled up while rotating the crucible, whereby the silicon monocrystal grows on the seed crystal. This process is referred to below as the "startup process" or shortly as "startup".
Die Quarzglastiegel sind üblicherweise mit einer transparenten Innenschicht auf einer Poren enthaltenden, opaken Außenschicht ausgeführt. Die transparente Innenschicht steht beim Kristallziehprozess im Kontakt zur Siliziumschmelze und unterliegt hohen mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen. Um den korrosiven Angriff der Siliziumschmelze zu verringern und damit einhergehend die Freisetzung von Verunreinigungen aus der Tiegelwandung zu minimieren, ist die Innenschicht möglichst homogen und blasenarm. The quartz glass crucibles are usually designed with a transparent inner layer on a pore-containing, opaque outer layer. The transparent inner layer is in contact with the silicon melt during the crystal pulling process and is subject to high mechanical, chemical and thermal loads. In order to reduce the corrosive attack of the silicon melt and thus to minimize the release of impurities from the crucible wall, the inner layer is as homogeneous as possible and low in bubbles.
Zur Verbesserung der Blasenfreiheit sind Tiegelherstellungsverfahren mit vaku- umunterstützter Ausbildung der Innenschicht bekannt. Dabei wird eine Vakuum- Schmelzform eingesetzt, deren Wandung durchgehende Löcher aufweist, die also porös ist oder die mit einer Vielzahl durchgehender Bohrungen versehen ist, so dass bei Anlegen eines Unterdrucks an der Schmelzformaußenseite Gase aus der SiO2-Körnungsschicht nach außen abgezogen werden können. Ein derartiges Vakuum-Herstellungsverfahren ist aus der nicht vorveröffentlichten EP 2 236 469 A1 bekannt. Darin ist ein Quarzglastiegel mit blasenfreier Innenschicht unbestimmter Dicke und blasenhaltiger Außenschicht beschrieben. Blasengehalt und Blasengröße der Außenschicht nehmen vom Bodenbereich des Tiegels über die Seitenwand nach oben zu. Der Übergang zwischen hochblasen- haltigem Bereich und niedrigblasenhaltigem Bereich ist nicht exakt definiert, wobei das Ausführungsbeispiel schematisch eine Teilung in etwa der Tiegelmitte zeigt. Die Herstellung der blasenfreien Innenschicht erfolgt durch Anlegen eines Vakuums. Für die Erzeugung der unterschiedlichen Blasengehalte wird der Einsatz unterschiedlicher Quarzglaskörnungen als Einsatzmaterial vorgeschlagen. Durch den höheren Blasengehalt des oberen Wandungsabschnitts wird dessen Gewicht verringert, so dass sich eine geringere Verformung des Quarzglastiegels beim bestimmungsgemäßen Einsatz ergibt. To improve freedom from bubbles, crucible production methods with vacuum-assisted formation of the inner layer are known. In this case, a vacuum melting mold is used, the wall of which has through holes, which is thus porous or provided with a plurality of through holes, so that upon application of a negative pressure on the outside of the melt, gases can be withdrawn from the SiO 2 grain layer to the outside. Such a vacuum manufacturing method is known from the unpublished EP 2 236 469 A1. Therein a quartz glass crucible with bubble-free inner layer of indefinite thickness and bubble-containing outer layer is described. Bubble content and bubble size of the outer layer increase upward from the bottom of the crucible via the sidewall. The transition between the area containing the high bubbles and the areas containing the low bubbles is not exactly defined, the embodiment schematically showing a division approximately at the center of the crucible. The production of the bubble-free inner layer is carried out by applying a vacuum. For the generation of the different bubble contents, the use of different quartz glass grains as starting material is proposed. Due to the higher bubble content of the upper wall section is the Reduced weight, so that there is a lower deformation of the quartz glass crucible when used as intended.
Ein Vakuum-Herstellungsverfahren gemäß der eingangs genannten Gattung ist aus der DE 10 2008 030 310 B3 bekannt. Hierbei wird an der Schmelzform- Innenwandung zunächst eine Außenkörnungsschicht aus relativ grobkörniger Quarzkörnung erzeugt. Auf dieser wird eine weitere SiO2-Körnungsschicht aus feinteiligem, synthetisch erzeugtem SiO2-Pulver aufgebracht. Die Körnungsschichten werden anschließend unter der Einwirkung eines Lichtbogens von der Innenwandung aus erhitzt und dabei die SiO2-Körnungsschichten zu dem Quarz- glastiegel mit opaker Außenschicht und transparenter Innenschicht gesintert. Die feinteilige Körnung wirkt dabei als mechanische Sperrschicht, indem sie beim Anlegen des Vakuums an der Schmelzform-Außenwandung das Einsaugen von Atmosphäre aus dem Schmelztiegel-Innenraum behindert, so dass sich schnell und ohne lokale Inhomogenitäten eine dichte, glasige Versiegelungsschicht bildet, die das rasche Anlegen eines stärkeren Vakuums ermöglicht. A vacuum manufacturing method according to the aforementioned type is known from DE 10 2008 030 310 B3. In this case, an outer grain layer of relatively coarse-grained quartz grain is first produced on the inner wall of the melt. On this another SiO 2 -grain layer of finely divided, synthetically produced SiO 2 powder is applied. The granulation layers are then heated under the action of an arc from the inner wall, thereby sintering the SiO 2 granular layers into the quartz glass crucible with an opaque outer layer and a transparent inner layer. The finely divided grain acts as a mechanical barrier layer by hindering the suction of atmosphere from the crucible interior when applying the vacuum on the outer mold wall, so that forms a dense, glassy sealing layer quickly and without local inhomogeneities, the rapid application allows a stronger vacuum.
Die Innenschicht aus synthetischem erzeugtem Quarzglas gewährleistet eine geringe Konzentration an Verunreinigungen im schmelznahen Bereich und wirkt sich insoweit günstig auf die Ausbeute an reinem und versetzungsfreiem Siliziumeinkristall aus. Es hat sich aber gezeigt, dass Tiegel mit einer Innenschicht aus syn- thetischem Quarzglas im Vergleich zu Quarzglastiegeln, die aus natürlich vorkommendem Quarzsand hergestellt sind, eher dazu neigen, Oszillationen der Schmelzoberfläche zu bewirken. Derartige Oszillationen können beispielsweise durch die Rotation von Schmelze und Impfkristall oder durch das Eintauchen des Impfkristalls verursacht oder verstärkt werden. Sie machen sich insbesondere beim Ansetzprozess nachteilig bemerkbar, indem sie die Nukleation erschweren, hinauszögern oder sogar verhindern. Dies verringert die Produktivität und kann soweit gehen, dass die Standzeit des Quarzglastiegels bereits beim Ansetzprozess überschritten wird, oder dass Versetzungen im Einkristall erzeugt werden, die ein Wiederaufschmelzen des erstarrten Siliziums erforderlich machen. Um Oszillationen der Schmelzoberfläche zu vermindern, wird in der EP 1 532 297 A1 ein Quarzglastiegel vorgeschlagen, der eine transparente Innenschicht aus synthetischem Quarzglas aufweist, die jedoch in einer Höhe des Schmelzspiegels zu Beginn des Kristallziehprozesses von einer transparenten Blasenzone aus na- türlich vorkommendem Quarzglas unterbrochen ist. Diese Blasenzone erstreckt sich in einem Bereich von mindestens 0,5 x H bis 0,8 x H, wobei H die Tiegelhöhe zwischen der Unterseite des Bodens und der Seitenwand-Oberkante repräsentiert. The inner layer of synthetically produced quartz glass ensures a low concentration of impurities in the area close to the melting point and has a favorable effect on the yield of pure and dislocation-free silicon monocrystal. It has been found, however, that crucibles having an inner layer of synthetic quartz glass tend to cause oscillations of the enamel surface compared to quartz glass crucibles made of naturally occurring quartz sand. Such oscillations may be caused or enhanced, for example, by the rotation of the melt and seed crystal or by the immersion of the seed crystal. They are especially detrimental to the piecing process by making it difficult, delaying or even preventing nucleation. This reduces the productivity and can go so far that the service life of the quartz glass crucible is already exceeded during the piecing process, or that dislocations are generated in the single crystal, which require a re-melting of the solidified silicon. In order to reduce oscillations in the enamel surface, EP 1 532 297 A1 proposes a quartz glass crucible which has a transparent inner layer made of synthetic quartz glass but which is interrupted at a height of the melt level at the beginning of the crystal pulling process by a transparent bubble zone of naturally occurring quartz glass is. This bubble zone extends in a range of at least 0.5 x H to 0.8 x H, where H represents the crucible height between the bottom of the bottom and the sidewall top edge.
Der umlaufende Seitenwandbereich des Quarzglastiegels, der zu Beginn des Kristallziehprozesses in der Höhe des Schmelzspiegels liegt, wird im Folgenden auch als„Ansetzzone" bezeichnet. The circumferential side wall region of the quartz glass crucible, which is at the level of the melt level at the beginning of the crystal pulling process, is also referred to below as the "attachment zone".
Bei einem anderen, zur Verminderung von Oszillationen der Schmelzoberfläche beitragenden Schmelztiegel gemäß der EP 1 045 046 A1 ist vorgesehen, dass die Innenwandung im Bereich der Ansetzzone als umlaufende Ringfläche mit einer Vielzahl von Vertiefungen ausgebildet ist. Ein ähnlicher Quarzglastiegel ist auch aus der JP 2004-250304 A bekannt. Hier ist zur Unterdrückung von Vibrationen der Siliziumschmelze eine umlaufende Ringfläche vorgesehen, in der Blasen mit einem Volumenanteil von 0,01 bis 0,2 % enthalten sind. In another crucible according to EP 1 045 046 A1, which contributes to the reduction of oscillations in the enamel surface, it is provided that the inner wall in the region of the attachment zone is designed as a circumferential annular surface with a multiplicity of depressions. A similar quartz glass crucible is also known from JP 2004-250304 A. Here, a circumferential annular surface is provided for suppressing vibrations of the silicon melt, are contained in the bubbles with a volume fraction of 0.01 to 0.2%.
Die so aufgeraute Oberfläche um den Bereich der Ansetzzone kann zur Silizium- schmelze alle möglichen Kontaktwinkel einnehmen, was ein phasengleiches Benetzen oder Nichtbenetzen der Quarzglasoberfläche verhindert und so dem Entstehen von Vibrationen entgegenwirkt. Andererseits können sich, beispielsweise bei Reinigungsmaßnahmen, beim Transport oder bei der Handhabung des Quarzglastiegels, Verunreinigungen im aufgerauten Bereich ansammeln, die beim Kristallziehprozess in die Siliziumschmelze freigesetzt werden. The roughened surface around the region of the attachment zone can assume all possible contact angles with respect to the silicon melt, which prevents in-phase wetting or non-wetting of the quartz glass surface and thus counteracts the occurrence of vibrations. On the other hand, for example, during cleaning operations, during transport or handling of the quartz glass crucible, contaminants may accumulate in the roughened area, which are released into the silicon melt during the crystal pulling process.
Aufgabenstellung task
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Quarzglastiegel bereitzustellen, der den Ansetzprozess erleichtert und bei dem die Gefahr des Eintrags von Verunreinigungen in die Siliziumschmelze gering ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die reproduzierbare Herstellung eines derartigen Tiegels anzugeben. The invention has for its object to provide a quartz glass crucible, which facilitates the piecing process and in which the risk of contamination in the silicon melt is low. Furthermore, the invention has for its object to provide a method for the reproducible production of such a crucible.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung General description of the invention
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem oberen Bereich der Körnungsschicht, der sich an den unteren Bereich anschließend bis zur vollen Höhe H erstreckt, beim Verglasen unterhalb der Hautschicht und an diese angrenzend eine Blasenzone erzeugt wird, die gasgefüllte Blasen mit einem spezifischen Blasenvolumen enthält, das mindestens doppelt so groß ist wie das spezifische Volumen gasgefüllter Blasen im blasenarmen Quarzglas, indem der Unterdruck in einem unteren Bereich der Körnungsschicht angelegt wird, der sich vom Bodenbereich bis maximal dem 0,8-fachen der Tiegelhöhe H erstreckt. With regard to the method, this object is achieved on the basis of a method of the type mentioned above, that in an upper region of the granulation layer, which then extends to the lower part H to the full height, glazing below the skin layer and adjacent to this one Bubble zone is generated containing gas-filled bubbles with a specific bubble volume that is at least twice as large as the specific volume of gas-filled bubbles in low-bubble silica glass by applying the negative pressure in a lower region of the granulation layer, which extends from the bottom region to a maximum of 0, 8 times the crucible height H extends.
Es wird eine umlaufende, blasenhaltige Zone (hier auch als„Blasenzone" be- zeichnet) in der Seitenwand des Quarzglastiegels erzeugt, die in der Höhe der Schmelzoberfläche zu Beginn des Einkristall-Ziehprozesses liegt - also im Bereich der Ansetzzone. Im Unterschied zum Stand der Technik ist die blasenhaltige Zone von einer - vorzugsweise dünnen - Hautschicht aus dichtem Quarzglas bedeckt. Die Hautschicht wird entweder erzeugt, indem die Körnungsschicht in der A circumferential bubble-containing zone (also referred to herein as a "bubble zone") is created in the side wall of the quartz glass crucible, which is at the level of the melt surface at the beginning of the single-crystal drawing process - ie in the region of the attachment zone Technically, the bubble-containing zone is covered by a - preferably thin - skin layer of dense quartz glass
Schmelzform einer Hochtemperaturatmosphäre ausgesetzt und dabei oberflächlich verglast wird, oder indem auf der Körnungsschicht eine dünne glasige, dichte Schicht abgeschieden wird. Im einfachsten Fall bedeckt die Hautschicht die gesamte Innenwandung der Körnungsschicht. Die Hautschicht verhindert, dass sich beispielsweise bei Reinigungs- oder Weiterbehandlungsschritten des Tiegels, beim Transport oder beim Einbau in die Kristallzieheinrichtung, Verunreinigungen in rauen Oberflächenbereichen festsetzen können. Die Hautschicht ist mindestens im Bereich der Ansetzzone so dünn, dass sie beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglastiegels innerhalb kur- zer Zeit durch den korrosiven Angriff der Siliziumschmelze aufgelöst wird, so dass dann die daran unmittelbar angrenzende blasenhaltige Zone der Seitenwand mit der Oberfläche der Siliziumschmelze in direkten Kontakt kommt. Melt mold exposed to a high temperature atmosphere while glazing surface, or by on the graining layer, a thin glassy, dense layer is deposited. In the simplest case, the skin layer covers the entire inner wall of the granulation layer. The skin layer prevents impurities in rough surface areas, for example, during cleaning or further processing steps of the crucible, during transport or during installation in the crystal pulling device. The skin layer is so thin at least in the area of the attachment zone that, when the quartz glass crucible is used as intended, time is dissolved by the corrosive attack of the silicon melt, so that then the immediately adjacent bubble-containing zone of the side wall comes into direct contact with the surface of the silicon melt.
Nach dem Freilegen zeigt die Blasenzone die in Bezug auf die Verminderung von Oszillationen der Siliziumschmelze erwartete Wirkung. Die Blasenzone dient als aufgerauter Oberflächenbereich, der mit der Schmelze alle möglichen Kontaktwinkel einnehmen kann und so Oszillationen minimiert. After exposure, the bubble zone shows the expected effect of reducing silicon melt oscillation. The bubble zone serves as a roughened surface area, which can take all possible contact angles with the melt and thus minimizes oscillations.
Die Blasenzone erstreckt sich oberhalb und unterhalb der Ansetzzone. Das heißt, sie liegt in einer Höhe der Quarzglastiegel-Seitenwand, die der Schmelzspiegel- höhe zu Beginn des Kristallziehprozesses entspricht. Diese Höhe ist vor Beginn des Ziehprozesses aufgrund des Innenvolumens des Quarzglastiegels und dem Füllvolumen an Siliziumschmelze bekannt. The bubble zone extends above and below the attachment zone. That is, it is located at a height of the quartz glass crucible sidewall that corresponds to the melt level height at the beginning of the crystal pulling process. This height is known before the beginning of the drawing process due to the inner volume of the quartz glass crucible and the filling volume of silicon melt.
Das spezifische Blasengehalt (Blasenvolumen/cm3) ist in der Blasenzone mindestens doppelt so groß wie im blasenarmen Quarzglas, wie es beispielsweise in der Hautschicht vorliegt. Blasenzone und blasenarmes Quarzglas grenzen in der Regel nicht unmittelbar aneinander, sondern es gibt einen fließenden Übergang. In jedem Fall liegt der untere Rand der Blasenzone im Bereich der Tiegelseitenwand, also oberhalb des Bodens. Dieser obere, blasenhaltige Teilbereich wird hier auch als„oberer Bereich" der Seitenwand (beziehungsweise der Körnungs- schicht) bezeichnet, und der untere Teilbereich als„unterer Bereich" der Seitenwand (beziehungsweise der Körnungsschicht). The specific bubble content (bubble volume / cm 3 ) in the bubble zone is at least twice as high as in low-bubble quartz glass, as is the case, for example, in the skin layer. Bladder zone and low-bubble quartz glass are usually not directly adjacent to each other, but there is a smooth transition. In any case, the lower edge of the bubble zone is in the region of the crucible side wall, ie above the bottom. This upper bubble-containing partial area is also referred to here as the "upper area" of the side wall (or the grain layer), and the lower partial area as the "lower area" of the side wall (or the grain layer).
Die Blasenzone erstreckt sich von ihrem unteren Ende ausgehend entweder über die gesamte restliche obere Fläche der Seitenwand oder nur über einen Teil davon. Die Stärke der Blasenzone - in radialer Richtung gesehen - entspricht ent- weder der Wandstärke des Quarzglastiegels in diesem Bereich (abzüglich der Hautzone) oder einem Teil davon. Als Tiegelhöhe H wird - wie auch sonst üblich - der Abstand zwischen der Unterseite des Tiegelbodens und der Seitenwand- Oberkante definiert. Da die Blasenzone mit Gas gefüllte Blasen aufweist, können diese beim Aufheizen des Quarzglastiegels nicht verschwinden. The bubble zone extends from its lower end, either over the entire remaining upper surface of the side wall or over only a part thereof. The thickness of the bubble zone - viewed in the radial direction - corresponds to either the wall thickness of the quartz glass crucible in this area (minus the skin zone) or a part thereof. As crucible height H - as usual - the distance between the bottom of the crucible bottom and the side wall top edge defined. Since the bubble zone has bubbles filled with gas, they can not disappear when the quartz glass crucible is heated.
Die Erzeugung der anfänglich von der Hautschicht überdeckten Blasenzone beruht auf einer inhomogenen Verteilung der Absaugung über der Tiegelwandung beim Verglasungsprozess. Dabei wird der Unterdruck ausschließlich oder überwiegend in einem unteren Bereich der Körnungsschicht angelegt, der dadurch definiert ist, dass er sich vom Bodenbereich bis maximal dem 0,8-fachen der Tiegelhöhe H erstreckt. The generation of the bubble zone initially covered by the skin layer is based on an inhomogeneous distribution of the suction over the crucible wall in the glazing process. In this case, the negative pressure is exclusively or predominantly applied in a lower region of the granulation layer, which is defined by extending from the bottom region to a maximum of 0.8 times the crucible height H.
Ergänzend dazu sind mehrere Methoden zur Herstellung der Blasenzone geeig- net. In addition, several methods for producing the bubble zone are suitable.
Bei einer ersten bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die gasgefüllten Blasen im oberen Bereich der Körnungsschicht dadurch erzeugt werden, dass dem oberen Bereich beim oder vor dem Verglasen der Körnungsschicht ein Gas zugeführt wird oder indem ein Zufluss von Gas in den oberen Bereich ermög- licht wird. In a first preferred variant of the method it is provided that the gas-filled bubbles are produced in the upper region of the granulation layer by supplying a gas to the upper region during or before vitrification of the granulation layer or by allowing an inflow of gas into the upper region ,
Dem oberen Bereich der Körnungsschicht wird ein Gas zugeführt, wohingegen im unteren Bereich vorhandene Gase infolge der Unterdruckbehandlung abgezogen werden. Die Gaszufuhr im oberen Bereich der Körnungsschicht erhöht den Gasgehalt in diesem Bereich, so dass beim gleichzeitigen oder anschließenden Ver- glasen dieses Bereiches gasgefüllte Blasen unterhalb der Hautschicht erzeugt und eingeschlossen werden. Geeignete Gase für die Gaszufuhr sind beispielsweise um Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Gemische dieser Gase oder Luft. A gas is supplied to the upper portion of the granulation layer, whereas gases present in the lower portion are withdrawn due to the negative pressure treatment. The gas supply in the upper region of the granulation layer increases the gas content in this region, so that gas bubbles are produced underneath the skin layer during the simultaneous or subsequent glazing of this region. Suitable gases for the gas supply are, for example, nitrogen, oxygen, argon, mixtures of these gases or air.
Um eine andauernde Gaszufuhr zu gewährleisten, werden Vorkehrungen getroffen, die während des Verglasens ein Dichtsintern des oberen Randes der Kör- nungsschicht verhindern. To ensure continued gas supply, precautions are taken to prevent dense sintering of the upper edge of the granular layer during vitrification.
Alternativ dazu wird das Gas nicht aktiv zugeführt, sondern es werden ebenfalls Vorkehrungen ergriffen, die während des Verglasens ein Dichtsintern des oberen Randes der Körnungsschicht verhindern und so den weiteren Zufluss von Gas in diesen Bereich ermöglichen. Denn beim Verglasen der Körnungsschicht durch Erzeugen einer Hochtemperatur-Atmosphäre von der Schmelzform-Innenseite aus sintern in der Regel die freien Oberflächenbereiche der Körnungsschicht schnell dicht, was die weitere Gaszufuhr verhindert. Dies gilt insbesondere für den oberen Rand der Körnungs- schicht. Um dennoch beim Verglasen eine fortlaufende, passive oder aktive Gaszufuhr in den oberen Bereich der Körnungsschicht zu gewährleisten, erfolgt die Gaszufuhr in die der Hochtemperatur-Atmosphäre abgewandte„Rückseite" der Körnungsschicht, und zwar über einen gasdurchlässigen Wandungsabschnitt der Schmelzform. Dabei wird das Gas der Körnungsschicht vorzugsweise durch einen an den oberen Bereich der Körnungsschicht angrenzenden, gasdurchlässigen Wandungsabschnitt der Vakuum-Schmelzform zugeführt. Alternatively, the gas is not actively supplied, but provisions are also made to prevent dense sintering of the upper edge of the granulation layer during vitrification and thus allow further inflow of gas into this region. For in vitrifying the granulation layer by generating a high-temperature atmosphere from the inside of the melt mold, the free surface areas of the granulation layer generally sinter rapidly, which prevents the further supply of gas. This applies in particular to the upper edge of the graining layer. Nevertheless, in order to ensure a continuous, passive or active gas supply to the upper region of the granulation layer during vitrification, the gas is supplied to the "backside" of the granulation layer facing away from the high-temperature atmosphere, namely via a gas-permeable wall section of the melt mold Graining layer preferably supplied by a adjacent to the upper region of the granulation layer, gas-permeable wall portion of the vacuum melt mold.
Die Gasdurchlässigkeit kann vorteilhaft durch Bohrungen in der Schmelzform- Wandung bewirkt werden, die an der Körnungsschicht enden oder durch einen Ring aus porösem Werkstoff wie etwa aus porösem Grafit, der im oberen Bereich der Körnungsschicht angeordnet ist und der Bestandteil der Schmelzform ist. The gas permeability may advantageously be effected by bores in the molten wall ending at the granulation layer or by a ring of porous material, such as porous graphite, disposed in the upper region of the granulation layer and forming part of the melt mold.
Ergänzend dazu hat es sich bewährt, wenn zwischen dem oberen und dem unteren Bereich der Körnungsschicht eine Körnungssperrschicht vorgesehen ist, die eine Gasströmung vom oberen in den unteren Bereich behindert. Dem oberen Bereichs der Körnungsschicht wird kontinuierlich beim Verglasen oder einmalig vor oder beim Verglasen Gas zugeführt. Besonders geeignet sind Gase und Gasgemische, die in Quarzglas langsam diffundieren, insbesondere Stickstoff, Argon, Sauerstoff oder Luft. Die Körnungssperrschicht erhöht den Strömungswiderstand, um ein Abströmen von Gas aus dem oberen Bereich in den der Absaugung unterliegenden unteren Bereich der Körnungsschicht zu begrenzen. In addition, it has been found useful if a grain barrier layer is provided between the upper and the lower region of the granulation layer, which hinders gas flow from the upper to the lower region. Gas is supplied continuously to the upper portion of the granulation layer during vitrification or once before or during vitrification. Particularly suitable are gases and gas mixtures which diffuse slowly in quartz glass, in particular nitrogen, argon, oxygen or air. The anti-graining layer increases the flow resistance to limit outflow of gas from the upper region to the lower region of the granulation layer underlying the suction.
Die Körnungssperrschicht ist dabei vorzugsweise als ringförmige Zwischenlage innerhalb der Körnungsschicht aus SiO2-Pulver ausgeführt, das eine höhere Schüttdichte als die übrige SiO2-Körnung der Körnungsschicht aufweist. Die Körnungssperrschicht bildet dabei eine geschlossene Pulverschicht zwischen dem oberen und den unteren Bereich der Körnungsschicht. Die aus Teilchen mit einer vergleichsweise höheren Schüttdichte bestehende Pulverschicht setzt der Gasströmung einen höheren Strömungswiderstand als gröbere Körnung entge- gen. Das Abfließen von Gas aus dem oberen Bereich der Körnungsschicht infolge der im unteren Bereich wirkenden Absaugung wird so verringert. The grit barrier layer is preferably designed as an annular intermediate layer within the granulation layer of SiO 2 powder, which has a higher bulk density than the remaining SiO 2 grain of the granulation layer. The graining barrier layer forms a closed powder layer between the upper and lower regions of the granulation layer. The powder layer consisting of particles with a comparatively higher bulk density sets the gas flow a higher flow resistance than coarser grain size. The outflow of gas from the upper region of the granulation layer as a result of the suction acting in the lower region is thus reduced.
Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die gasgefüllten Blasen im oberen Bereich der Körnungsschicht dadurch erzeugt werden, dass im unteren Bereich der Körnungsschicht vorhandenes Gas durch Helium ausgetauscht wird, und dass dieser Gasaustausch im oberen Bereich der Körnungsschicht behindert wird. In a further preferred variant of the method, it is provided that the gas-filled bubbles in the upper region of the granulation layer are produced by replacing gas present in the lower region of the granulation layer with helium, and that this gas exchange is hindered in the upper region of the granulation layer.
Bei dieser Verfahrensvariante wird ein Unterschied zwischen den Blasigkeiten vom unteren Bereich der Seitenwand und oberen Bereich der Seitenwand erzeugt, indem nur oder überwiegend im unteren Bereich der Körnungsschicht vor- handene Gase durch Helium ausgetauscht werden. Heliumatome haben eine geringe Größe und können in Quarzglas vergleichsweise schnell diffundieren, was der Entstehung gasgefüllter Poren in Quarzglas entgegenwirkt. In this variant of the method, a difference between the bubbles from the lower region of the side wall and the upper region of the side wall is created by exchanging gases which are present only or predominantly in the lower region of the granulation layer by helium. Helium atoms are small in size and can diffuse comparatively quickly in quartz glass, which counteracts the formation of gas-filled pores in quartz glass.
Vorkehrungen, die einen Gasaustausch im oberen Bereich der Körnungsschicht verhindern oder verhindern oder vermindern bestehen vorzugsweise darin, dass Helium dem Bodenbereich der Körnungsschicht zugeführt wird und gleichzeitig infolge des im unteren Bereichs der Körnungsschicht anliegenden Unterdrucks über die Wandung der Schmelzform abgesaugt wird, und zwar vor Erreichen des oberen Bereichs der Körnungsschicht. Arrangements which prevent or prevent or reduce gas exchange in the upper region of the graining layer preferably consist of helium being supplied to the bottom region of the graining layer and, at the same time, being sucked off over the wall of the molten state due to the negative pressure applied in the lower region of the graining layer, before reaching it the upper portion of the graining layer.
Auf diese Weise wird der Gasaustausch nur oder überwiegend im unteren Be- reich der Körnungsschicht bewirkt und im oberen Bereich der Körnungsschicht vermieden. Beim Verglasen sintert der untere, mit Helium beladene oder evakuierte Bereich der Körnungsschicht zu blasenarmem oder blasenfreiem Quarzglas, wohingegen im oberen Bereich gasgefüllte Blasen verbleiben. Die Hautschicht ist einerseits so dick ausgebildet, dass sie bei Handling und Transport des Quarzglastiegels nicht einfach abgerieben wird, jedoch andererseits so dünn, so dass sie in einem möglichst frühen Stadium des Einschmelzprozesses bereits vollständig abgetragen ist. Im Hinblick hierauf hat es sich als güns- tig erwiesen, wenn eine Hautschicht erzeugt wird, die im oberen Bereich der Körnungsschicht eine Dicke im Bereich von 50 μιτι bis 800 μιτι aufweist. In this way, the gas exchange is effected only or predominantly in the lower region of the granulation layer and avoided in the upper region of the granulation layer. In vitrification, the lower, helium-laden or evacuated region of the graining layer sinters into low-bubble or bubble-free quartz glass, whereas gas-filled bubbles remain in the upper region. The skin layer is on the one hand so thick that it is not simply rubbed off during handling and transport of the quartz glass crucible, but on the other hand so thin that it is already completely removed in the earliest possible stage of the melting process. In view of this, it has proved to be advantageous if a skin layer is produced which has a thickness in the upper region of the granulation layer in the range from 50 μm to 800 μm.
Es hat sich bewährt, wenn der Unterdruck in einem unteren Bereich der Körnungsschicht angelegt wird, der sich vom Bodenbereich bis einer Höhe erstreckt, die mindestens 0,2 x H, vorzugsweise mindestens 0,4 x H, beträgt. Bei Anlegen eines Unterdrucks in diesem Bereich wird mindestens im Boden und in der Tiegelseitenwand in einer Höhe bis 0,2 x der Tiegelhöhe H, vorzugsweise bis 0,4 x H, ein vergleichsweise blasenarmes Quarzglas erhalten. Nach oben hin schließt sich entweder direkt die Blasenzone oder ein Übergangsbereich zur Blasenzone an. Die Breite der Blasenzone unterhalb des Schmelzspiegels ist vorteilhafterweise so schmal wie möglich und so breit wie nötig. Da die Höhe der Ansetzzone im fertigen Quarzglastiegel in der Regel vorab bekannt ist, kann die Blasenzone auf diesen Höhenbereich des Quarzglastiegels begrenzt werden. It has proven useful to apply the negative pressure in a lower region of the granulation layer which extends from the bottom region to a height which is at least 0.2 × H, preferably at least 0.4 × H. When applying a negative pressure in this area, a comparatively low-bubble quartz glass is obtained at least in the bottom and in the crucible side wall at a height of up to 0.2 × the crucible height H, preferably up to 0.4 × H. At the top, either the bubble zone or a transition zone to the bubble zone immediately follows. The width of the bubble zone below the melt level is advantageously as narrow as possible and as wide as necessary. Since the height of the attachment zone in the finished quartz glass crucible is generally known in advance, the bubble zone can be limited to this height range of the quartz glass crucible.
Im Hinblick hierauf ist es vorteilhaft, wenn dem Seitenwandbereich eine fiktive Ansetzzone in einer Höhe zwischen 0,5 x H bis 0,95 x H zugeordnet wird, wobei die Blasenzone nicht mehr als 10 cm, vorzugsweise nicht mehr als 5 cm, unterhalb diese Ansetzzone reicht. In view of this, it is advantageous if the side wall region is assigned a fictitious attachment zone at a height of between 0.5 × H to 0.95 × H, the bubble zone not exceeding 10 cm, preferably not more than 5 cm, below this attachment zone enough.
Hinsichtlich des Quarzglastiegels wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einem Quarzglastiegel der eingangs angegebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Hautschicht am Boden und in einem unteren Bereich der Seitenwand, der sich vom Boden bis maximal dem 0,8-fachen der Tegelhöhe H erstreckt, an ein blasenarmes Quarzglas, und in einem sich an den unteren Bereich bis zur vollen Tiegelhöhe H anschließenden, oberen Bereich der Seitenwandung eine Dicke im Bereich von 50 μιτι bis 800 μιτι aufweisend, an eine Bla- senzone aus einem blasenreicheren, gasgefüllte Blasen enthaltenden Quarzglas angrenzt. With regard to the quartz glass crucible, the abovementioned object starting from a quartz glass crucible of the type specified at the outset is achieved according to the invention in that the skin layer extends at the bottom and in a lower region of the side wall which extends from the bottom to a maximum of 0.8 times the cone height H, to a bubble-poor quartz glass, and in a region adjoining the lower region up to the full crucible height H, the upper region of the side wall having a thickness in the range from 50 μm to 800 μm, to a blister. senzone from a bubble-rich, gas-filled bubbles containing quartz glass adjacent.
Beim erfindungsgemäßen Quarzglastiegel bedeckt eine dünne Hautschicht aus dichtem Quarzglas eine umlaufende, blasenhaltige Zone in der Wandung des Quarzglastiegels, die in der Höhe der Schmelzoberfläche zu Beginn des Einkristall-Ziehprozesses liegt, also im Bereich der Ansetzzone. In the quartz glass crucible according to the invention, a thin skin layer of dense quartz glass covers a circumferential, bubble-containing zone in the wall of the quartz glass crucible, which lies at the level of the melt surface at the beginning of the single-crystal drawing process, ie in the region of the attachment zone.
Die Hautschicht verhindert, dass sich Verunreinigungen, beispielsweise bei Rei- nigungs- oder Weiterbehandlungsschritten des Tiegels, beim Transport oder beim Einbau in die Kristallzieheinrichtung, in den Blasen ansammeln können. Sie ist so dünn, dass sie beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglastiegels innerhalb kurzer Zeit durch den korrosiven Angriff der Siliziumschmelze aufgelöst wird, so dass dann die daran unmittelbar angrenzende blasenhaltige Zone der Seitenwandung mit der Oberfläche der Siliziumschmelze in direkten Kontakt kommt. Nach dem Freilegen dient die Blasenzone" somit als aufgerauter Oberflä- chenbereich, der mit der Schmelze alle möglichen Kontaktwinkel einnehmen kann und so Oszillationen minimiert. Das spezifische Blasenvolumen in der Blasenzone ist mindestens doppelt so groß wie im blasenarmen Quarzglas der Hautschicht. In Bezug auf den Blasengehalt unterscheiden sich Hautschicht und blasenarmes Quarzglas nicht oder nicht nennenswert. Optisch ist zwischen der dem blasenar- men Quarzglas der Hautschicht dem blasenarmen Quarzglas im Boden und der unteren Seitenwand des Tiegels in der Regel kein Unterschied zu erkennen. The skin layer prevents impurities from accumulating in the bubbles, for example during cleaning or further treatment steps of the crucible, during transport or during installation in the crystal pulling device. It is so thin that it is dissolved in the intended use of the quartz glass crucible within a short time by the corrosive attack of the silicon melt, so that then the immediately adjacent bubble-containing zone of the side wall comes into direct contact with the surface of the silicon melt. After exposure, the bubble zone thus serves as a roughened surface area, which can take all possible contact angles with the melt and thus minimize oscillations.The specific bubble volume in the bubble zone is at least twice as high as in low-bubble quartz glass of the skin layer Bladder content does not differ significantly or not at all from the skin layer and low-bubble quartz glass, and optically there is generally no difference between the low-bubble quartz glass of the skin layer and the low-bubble quartz glass in the bottom and the bottom side wall of the crucible.
Die Blasenzone liegt im Bereich der Ansetzzone, also in einer Höhe der Quarzglastiegel-Seitenwand, die der Schmelzspiegelhöhe zu Beginn des Kristallziehprozesses entspricht. Diese Höhe ist vor Beginn des Ziehprozesses aufgrund des Innenvolumens des Quarzglastiegels und des Volumens der einzufüllenden Siliziumschmelze in der Regel bekannt. The bubble zone lies in the region of the attachment zone, ie at a height of the quartz glass crucible sidewall which corresponds to the melt level height at the beginning of the crystal pulling process. This height is usually known before the beginning of the drawing process due to the inner volume of the quartz glass crucible and the volume of the silicon melt to be filled.
Die Blasenzone weist mit Gas gefüllte Blasen auf, so dass diese beim Aufheizen des Quarzglastiegels nicht verschwinden. Der erfindungsgemäße Quarzglastiegel ist anhand des oben erläuterten Verfahrens gemäß der Erfindung herstellbar. Nach der Entnahme des Quarzglastiegels aus der Schmelzform ist der obere Rand uneben und wird abgeschliffen oder abgeschnitten. Die Höhe H entspricht der Höhe der Tiegelseitenwand nach dem Ab- schleifen oder Abschneiden und etwa auch der Höhe des Seitenwandbereichs der vormaligen Körnungsschicht. The bubble zone has bubbles filled with gas so that they do not disappear when the quartz glass crucible is heated. The quartz glass crucible according to the invention can be produced by means of the above-explained method according to the invention. After removal of the quartz glass crucible from the melt mold, the top edge is uneven and is abraded or cut off. The height H corresponds to the height of the crucible side wall after abrading or cutting off and also approximately to the height of the side wall region of the former granulation layer.
Hautschicht weist im oberen Bereich der Seitenwand eine Dicke im Bereich von 50 μιτι bis 800 μιτι auf. Skin layer has in the upper region of the side wall has a thickness in the range of 50 μιτι to 800 μιτι on.
Bei einer Dicke von weniger als 50 μιτι besteht die Gefahr, dass sie durch Abrieb bei Handling und Transport des Quarzglastiegels entfernt wird. Bei Dicken von mehr als 800 μιτι erfordert das Abtragen der Hautschicht durch die Schmelze beim Kristallziehprozess unnötig lange Zeiten. At a thickness of less than 50 μιτι there is a risk that it is removed by abrasion during handling and transport of the quartz glass crucible. At thicknesses of more than 800 μιτι the removal of the skin layer through the melt during the crystal pulling process unnecessarily long times.
Der Übergang von der Blasenzone in die angrenzenden blasenärmeren Bereiche der Seitenwand ist in der Regel nicht scharf sondern fließend und es gibt einen Übergangsbereich. In jedem Fall liegt der untere Rand der Blasenzone in der Tiegel-Seitenwand, also oberhalb des Tiegelbodens. Die Blasenzone erstreckt sich von ihrem unteren Ende ausgehend entweder über die gesamte obere Teilfläche der Seitenwand oder nur über einen Teilabschnitt desselben. The transition from the bubble zone to the adjacent lower-bubble areas of the sidewall is usually not sharp but fluid and there is a transition area. In any case, the lower edge of the bubble zone lies in the crucible side wall, ie above the bottom of the crucible. The bubble zone extends from its lower end, starting either over the entire upper partial surface of the side wall or only over a partial section thereof.
Die Blasenzone ist lediglich am Beginn des Kristallziehprozesses zu Minderung der Schmelz-Oszillation hilfreich. In den späteren Stadien des Kristallziehprozesses ist eine blasenhaltige Oberfläche eher unerwünscht. The bubble zone is helpful only at the beginning of the crystal pulling process to reduce melt oscillation. In the later stages of the crystal pulling process, a bubble-containing surface is rather undesirable.
Daher erstreckt sich die Blasenzone idealerweise nur in der Höhe der Ansetzzone, aber nicht weit darunter. In der Praxis hat es sich bewährt, wenn sich die Blasenzone in einer Höhe erstreckt, die im Bereich von 0,4 x H bis zum oberen Tiegelrand reicht. Therefore, the bubble zone ideally extends only at the height of the attachment zone, but not far below. In practice, it has been proven that the bubble zone extends at a height ranging from 0.4 x H to the upper edge of the pot.
Im Hinblick hierauf wird auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglastiegels bevorzugt, bei der der Seitenwand eine fiktive Ansetzzone in einer Höhe zwischen 0,5 x H bis 0,95 x H zugeordnet ist, wobei die Blasenzone nicht mehr als 10 cm, vorzugsweise nicht mehr als 5 cm, unterhalb diese Ansetzzone reicht. In view of this, an embodiment of the quartz glass crucible according to the invention is preferred in which the side wall is assigned a fictitious attachment zone in a height between 0.5 × H to 0.95 × H, wherein the bubble zone not more than 10 cm, preferably not more than 5 cm, below this attachment zone.
Die Stärke der Blasenzone - in radialer Richtung gesehen - entspricht entweder der Wandstärke des Quarzglastiegels in diesem Bereich (abzüglich der Hautzo- ne) oder einem Teil davon. The strength of the bubble zone - viewed in the radial direction - corresponds either to the wall thickness of the quartz glass crucible in this area (minus the skin tone) or a part thereof.
Ausführungsbeispiel embodiment
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In schematischer Darstellung zeigt The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and a drawing. In a schematic representation shows
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Figure 1 shows a first embodiment of an apparatus for producing a
Quarzglastiegels gemäß der Erfindung,  Quartz glass crucible according to the invention,
Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Figure 2 shows a second embodiment of an apparatus for producing a
Quarzglastiegels gemäß der Erfindung,  Quartz glass crucible according to the invention,
Figur 3 eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines 3 shows a third embodiment of a device for producing a
Quarzglastiegels gemäß der Erfindung, und Figur 4 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Quarzglastiegels in einer Seitenansicht im Schnitt.  Quartz glass crucible according to the invention, and Figure 4 shows an embodiment of the quartz glass crucible according to the invention in a side view in section.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Schmelzvorrichtung umfasst eine The melting apparatus shown schematically in Figure 1 comprises a
Schmelz-form 1 aus Metall mit einem Innendurchmesser von 68 cm, einem gewölbten Boden und einer Seitenwand mit einer Höhe von 50 cm. Die Schmelz- form 1 ist um ihre Mittelachse 2 rotierbar gelagert. In den Innenraum 3 der Schmelzform 1 ragen Elektroden 4 aus Graphit, die innerhalb des Innenraums 3 in allen Raumrichtungen verfahrbar sind angedeutet. Melt form 1 made of metal with an inside diameter of 68 cm, a curved bottom and a side wall with a height of 50 cm. The melt mold 1 is rotatably mounted about its central axis 2. In the interior 3 of the mold 1 protrude electrodes 4 made of graphite, which are movable within the interior 3 in all directions in space indicated.
Im Bodenbereich und im Bereich der unteren Wandungshälfte der Schmelzform 1 sind eine Vielzahl von Durchlässen 6 vorgesehen, über die ein an der Außenseite der Schmelzform 1 anliegendes Vakuum in den Innenraum 3 durchgreifen kann. Im oberen Wandungsdrittel 17 der Schmelzform 1 sind weitere Durchlässe 7 vor- gesehen, über die ein Gas in Richtung Schmelzform-Innenraunn 3 geleitet werden kann. Die Durchlässe 7 münden in einer gemeinsamen Ringnut 16, die in die O- berseite der Schmelzformwandung eingestochen ist. Die Durchlässe 6; 7 sind jeweils mit einem Stopfen 1 1 aus porösem Graphit verschlossen, der das Austreten von SiO2-Körnung aus dem Innenraum 3 verhindert. In the bottom region and in the region of the lower half of the wall of the molten mold 1, a plurality of passages 6 are provided, through which a vacuum applied to the outside of the molten mold 1 can pass through into the interior 3. In the upper third wall 17 of the mold 1 further passages 7 are present. seen, over which a gas can be directed towards the mold Innenraunn 3. The passages 7 open into a common annular groove 16 which is inserted into the upper side of the melt mold wall. The passages 6; 7 are each closed with a plug 1 1 of porous graphite, which prevents the escape of SiO 2 grain from the interior 3.
Nachfolgend wird eine Verfahrensweise zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Quarzglastiegels anhand der in Figur 1 dargestellten Schmelzvorrichtung näher erläutert. Hereinafter, a procedure for producing a quartz glass crucible according to the invention will be explained in more detail with reference to the melting device shown in FIG.
In einem ersten Verfahrensschritt wird in die Schmelzform 1 kristalline Körnung aus natürlichem, mittels Heißchlorierung gereinigtem Quarzsand eingebracht. Der Quarzsand hat eine Korngröße im Bereich von 90 μιτι bis 315 μιτι. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft und unter Einsatz einer Formschablone wird an der Innenwandung der um die Längsachse 2 rotierenden Schmelzform 1 eine rotationssymmetrische, tiegeiförmige Körnungsschicht 12 aus mechanisch verfestigtem Quarzsand ausgeformt. Die Schichtdicke der Körnungsschicht ist im Bodenbereich 8 und im unteren und oberen Seitenbereich 9, 10 ungefähr gleich und beträgt etwa 12 mm. Die Höhe der Körnungsschicht im Seitenwandbereich entspricht der Höhe der Schmelzform, also 50 cm. In a first process step, crystalline granules of natural quartz sand purified by means of hot chlorination are introduced into the melt mold 1. The quartz sand has a grain size in the range of 90 μιτι to 315 μιτι. Under the action of the centrifugal force and using a shaping template, a rotationally symmetrical, garnet-shaped granulation layer 12 of mechanically solidified quartz sand is formed on the inner wall of the melt mold 1 rotating about the longitudinal axis 2. The layer thickness of the graining layer is approximately equal in the bottom area 8 and in the lower and upper side area 9, 10 and is approximately 12 mm. The height of the graining layer in the sidewall area corresponds to the height of the melt shape, ie 50 cm.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Elektroden 4 in die weiterhin um ihre Längsachse 2 rotierende Schmelzform 1 in der Nähe der Körnungsschicht 12 positioniert und zwischen den Elektroden 4 ein Lichtbogen 13 gezündet. In a second method step, the electrodes 4 are positioned in the further about its longitudinal axis 2 rotating mold 1 in the vicinity of the granulation layer 12 and between the electrodes 4 ignited an arc 13.
Die Elektroden werden dabei mit einer Leistung von 600 kW (300 V, 2000 A) beaufschlagt, so dass sich im Schmelzform-Innenraum 3 eine Hochtemperatur- Atmosphäre einstellt. Auf diese Weise wird auf der Quarzkörnungsschicht 12 eine Hautschicht 14 aus dichtem, transparentem Quarzglas mit einer Dicke von etwa 0,5 mm erzeugt. Dabei wird auch die freie Oberseite 5 der Körnungsschicht 12 verdichtet. The electrodes are thereby subjected to a power of 600 kW (300 V, 2000 A), so that a high-temperature atmosphere is established in the mold interior 3. In this way, a skin layer 14 of dense, transparent quartz glass with a thickness of about 0.5 mm is produced on the quartz granulation layer 12. In this case, the free top 5 of the granulation layer 12 is compressed.
Nach Ausbildung der Hautschicht 14 wird in einem dritten Verfahrensschritt über die Durchlässe 6 ein Vakuum (100 mbar Absolutdruck) an die Körnungsschicht 12 im Bodenbereich 8 und im unteren Wandungsbereich 9 angelegt. Gleichzeitig wird Luft über die Durchlässe 7 in das obere Drittel 10 der noch porösen Körnungsschicht 12 eingeleitet. Die jeweiligen Gasflüsse beim Absaugen und Einleiten von Luft sind in den Figuren 1 bis 3 durch Pfeile angedeutet. Die Luft verbleibt im Wesentlichen im oberen Drittel 10 der Körnungsschicht. Nach unten, in den unteren Bereich 9 gelangende Luft wirkt dem Absaugen durch das Vakuum im unteren Wandungsbereich 9 entgegen. Dadurch kommt es im oberen Bereich 10 der Körnungsschicht zu einer relativ starken Beladung der SiO2-Körnung mit Luft. Im unteren Bereich 9 und im Bodenbereich 8 verhindert der Strömungswiderstand der Körnungsschicht 12 in Verbindung mit dem angelegten Vakuum das Eindringen von Luft in diese Bereiche 8; 9. After formation of the skin layer 14, a vacuum (100 mbar absolute pressure) is applied to the granulation layer 12 in a third method step via the passages 6 created in the bottom region 8 and in the lower wall region 9. At the same time, air is introduced via the passages 7 into the upper third 10 of the still porous granulation layer 12. The respective gas flows during the aspiration and introduction of air are indicated in FIGS. 1 to 3 by arrows. The air essentially remains in the upper third 10 of the granulation layer. Downwards, in the lower region 9 reaching air counteracts the suction through the vacuum in the lower wall region 9. As a result, relatively high loading of the SiO 2 grain with air occurs in the upper region 10 of the granulation layer. In the lower region 9 and in the bottom region 8, the flow resistance of the granulation layer 12 in conjunction with the applied vacuum prevents the ingress of air into these regions 8; 9th
Um den Strömungswiderstand zwischen dem Bodenbereich 8, dem unteren Seitenbereich 9 einerseits und dem oberen Seitenbereich 10 der Körnungsschicht andererseits weiter zu erhöhen, ist im Höhenbereich der zu erwartenden Ansetz- zone - das ist eine Höhe von 2/3 H, wobei„H" die endgültige Tiegelhöhe ist - eine ringförmige Zwischenlage 15 vorgesehen, die aus besonders feinkörniger Körnung mit Korngrößen im Bereich um 80 μιτι besteht und die sich durch einen hohen Strömungswiderstand auszeichnet. In order to further increase the flow resistance between the bottom region 8, the lower side region 9 on the one hand, and the upper side region 10 of the granulation layer on the other hand, the expected attachment zone is in the height range - this is a height of 2/3 H, where "H" is the final crucible height is - an annular intermediate layer 15 is provided, which consists of particularly fine-grained grain size with grain sizes in the range of 80 μιτι and which is characterized by a high flow resistance.
Bim Verglasen wandert eine Schmelzfront von Innen nach Außen durch die Kör- nungsschicht 12. Dabei bildet sich im oberen Bereich 10 - oberhalb der Höhe H - infolge der stärkeren Luftbeladung eine durchgängig blasenhaltige, verglaste Zone (Figur 4; Blasenzone 41 ) aus. Diese erstreckt sich über das gesamte obere Drittel der Wandung, also eine Länge von etwa 17 cm und sie ist von der Innenhaut 14 vollständig überdeckt. Der untere Bereich 9 und der Bodenbereich der Körnungsschicht 12 verglasen hingegen zunächst ohne nennenswerte Blasenbildung. Hinsichtlich Transparenz gibt es zwischen dem Quarzglas der Hautschicht 14 und dem blasenarmen Quarzglas von Boden und Seitenwand keinen merklichen Unterschied. Wenn die Schmelzfront noch etwa 4 cm von der Schmelzform-Wandung entfernt ist, wird das Evakuieren beendet. Dadurch verglasen die rückwärtige Seite der Körnungsschicht 12 auch im Boden- und unteren Seitenwandbereich zu opakem, blasenhaltigem Quarzglas. Das Verglasen wird gestoppt, kurz bevor die Schmelz- front die Schmelzform erreicht. Bim vitrifying wanders a melt front from inside to outside through the granular layer 12. In the upper area 10-above the height H-a continuously bubble-containing, glazed zone (FIG. 4, bubble zone 41) is formed as a result of the greater air charge. This extends over the entire upper third of the wall, so a length of about 17 cm and it is completely covered by the inner skin 14. On the other hand, the lower region 9 and the bottom region of the granulation layer 12 initially glaze without appreciable bubble formation. With regard to transparency, there is no noticeable difference between the quartz glass of the skin layer 14 and the low-bubble quartz glass of the bottom and side wall. When the melt front is still about 4 cm from the melt mold wall, evacuation is stopped. As a result, the rear side of the granulation layer 12 also glazes in the bottom and lower side wall region to form opaque, bubble-containing quartz glass. Vitrification is stopped shortly before the enamel front reaches the enamel mold.
Nach dem Verglasen markiert die ehemalige Zwischenlage 15 einen relativ scharfen Übergang von blasenhaltigem Quarzglas in einen blasenarmen Bereich. Als Blasenzone wird derjenige Bereich angesehen, in dem das spezifische Blasenvolumen unterhalb der Hautschicht doppelt so hoch ist wie in der Hautschicht. Der unterer Rand dieser Zone liegt etwa 3 cm unterhalb der erwarteten Ansetzzone. After vitrification, the former liner 15 marks a relatively sharp transition from bubble containing fused silica to a low bubble region. The bubble zone is considered to be the area in which the specific bubble volume below the skin layer is twice as high as in the skin layer. The lower edge of this zone is about 3 cm below the expected attachment zone.
Sofern in den Figuren 2 bis 4 dieselben Bezugsziffern wie in Figur 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand Figur 1 näher erläutert sind. Insofar as the same reference numerals as in FIG. 1 are used in FIGS. 2 to 4, identical or equivalent components and components are referred to, as explained in more detail above with reference to FIG.
Bei der in Figur 2 schematisch gezeigten Schmelzvorrichtung ist eine Schmelz- form 21 vorgesehen, die aus einem unteren metallischen Unterteil 22 besteht, welches den gewölbten Boden und die beiden unteren Drittel der Seitenwand mit einer Höhe von insgesamt 50 cm vorgibt, die auch in etwa der Höhe„H" des herzustellenden Quarzglastiegels entspricht. In the melter schematically shown in Figure 2, a melt mold 21 is provided, which consists of a lower metal lower part 22, which defines the domed bottom and the two lower thirds of the side wall with a total height of 50 cm, which is also approximately the Height "H" of the produced quartz glass crucible corresponds.
Auf dem Unterteil 22 ist ein Oberteil in Form eines Grafitringes 23 mit einer Höhe von 17 cm und einem Innendurchmesser von 68 cm fixiert. Der Grafitring 23 besteht aus porösem Grafit mit einer Porosität von 25%. Über den porösen Grafitring 23 wird bei Anlegen des Vakuums Luft in den oberen Körnungsbereich 10 eingesaugt. Abgesehen von dem Grafitring 23, der insoweit eine ähnliche Funktion wie die Ringnut 16 und die Durchlässe 7 der Schmelzvorrichtung von Figur 1 hat, unterscheiden sich die erste und zweite Ausführungsform der Schmelzvorrichtung nicht. On the lower part 22, an upper part in the form of a graphite ring 23 is fixed with a height of 17 cm and an inner diameter of 68 cm. The graphite ring 23 is made of porous graphite with a porosity of 25%. When the vacuum is applied, air is sucked into the upper granulation region 10 via the porous graphite ring 23. Apart from the graphite ring 23, which in this respect has a similar function as the annular groove 16 and the passages 7 of the melting device of Figure 1, the first and second embodiments of the melting device do not differ.
Nachfolgend wird eine Verfahrensweise zur Herstellung eines Quarzglastiegels anhand der in Figur 2 dargestellten Schmelzvorrichtung näher erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt wird in der Schmelzform 21 eine Körnungsschicht 12 ausgeformt und diese in einem zweiten Verfahrensschritt mit einer Hautschicht 14 versehen, wie anhand Figur 1 beschrieben. In the following, a procedure for producing a quartz glass crucible will be explained in more detail with reference to the melting device shown in FIG. In a first method step, a granulation layer 12 is formed in the melt mold 21 and provided with a skin layer 14 in a second method step, as described with reference to FIG.
In einem dritten Verfahrensschritt wird über die Durchlässe 6 ein Vakuum (100 mbar Absolutdruck) an die Körnungsschicht 12 im Bodenbereich 8 und im unteren Wandungsbereich 9 angelegt, und gleichzeitig gelangt infolge des Unterdrucks Luft über den porösen Grafitring 23 Luft in den oberen Wandungsbereich 10 der noch porösen Körnungsschicht 12. Der Grafitring 23 dient nicht nur als Formelement beim Ausformen der Körnungsschicht 12, sondern er schirmt diese auch gegen die Hitze des Lichtbogens 13 ab, so dass ein Dichtsintern der Körnungsschicht 12 von ihrer dem Plasma 13 abgewandten Schichtseite verhindert wird. In a third method step, a vacuum (100 mbar absolute pressure) is applied to the granulation layer 12 in the bottom region 8 and in the lower wall region 9 via the passages 6, and at the same time air passes through the porous graphite ring 23 into the upper wall region 10 due to the negative pressure air The graphite ring 23 not only serves as a molding element in forming the granulation layer 12, but also shields it against the heat of the arc 13, so that dense sintering of the granulation layer 12 from its side facing away from the plasma 13 is prevented.
Dadurch kann über den Grafitring 23 Luft in den oberen Bereich 10 der Körnungsschicht 12 einströmen. In den unteren Bereich 9 abströmende Luft wird abgesaugt, so dass das Vakuum nicht vollständig in den oberen Bereich 10 der Kör- nungsschicht 12 durchgreifen kann und sich zwischen dem oberen Bereich 10 und dem unteren Bereich 9 der Körnungsschicht 12 ein Druckgradient einstellt. Dadurch kommt es im oberen Bereich 10 der Körnungsschicht zu einer relativen Beladung der SiO2-Körnung mit Luft. Im unteren Bereich 9 und im Bodenbereich 8 vermindert der Strömungswiderstand der Körnungsschicht 12 in Verbindung mit dem angelegten Vakuum das Eindringen von Luft in diese Bereiche 8; 9. As a result, air can flow into the upper region 10 of the granulation layer 12 via the graphite ring 23. Air flowing out into the lower region 9 is sucked off, so that the vacuum can not completely pass through into the upper region 10 of the granular layer 12 and a pressure gradient occurs between the upper region 10 and the lower region 9 of the granulation layer 12. This results in the upper region 10 of the granulation layer to a relative loading of the SiO 2 grain with air. In the lower region 9 and in the bottom region 8, the flow resistance of the granulation layer 12 in conjunction with the applied vacuum reduces the penetration of air into these regions 8; 9th
Beim Verglasen der Körnungsschicht 12 bildet sich im oberen Bereich 10 infolge der stärkeren Luftbeladung eine durchgängig blasige Zone aus, die sich über das obere Drittel der Tiegelhöhe H, also über eine Länge von etwa 17 cm, nach unten erstreckt, und die von der Innenhaut 14 vollständig überdeckt ist. Der untere Bereich 9 und der Bodenbereich 8 der Körnungsschicht 12 verglasen hingegen ohne nennenswerte Blasenbildung, solange das Vakuum angelegt wird. Der Außenbereich des Quarzglastiegels wird durchgehend opak erzeugt, wie o- ben anhand Figur 1 beschrieben. Der Übergang der Blasenzone in den blasenarmen beziehungsweise blasenfreien Bereich ist fließend. Als Blasenzone wird derjenige Bereich angesehen, in dem das spezifische Blasenvolumen des an die Hautschicht 14 angrenzenden Quarzglases doppelt so hoch ist wie im blasenarmen Quarzglas der Hautschicht 14. When vitrifying the granulation layer 12, a continuously vesicular zone is formed in the upper region 10 as a result of the stronger air charge, which extends downwards over the upper third of the crucible height H, ie over a length of approximately 17 cm, and that of the inner skin 14 completely covered. On the other hand, the lower region 9 and the bottom region 8 of the granulation layer 12 vitrify without appreciable bubble formation as long as the vacuum is applied. The outer region of the quartz glass crucible is produced opaque throughout, as described above with reference to FIG. The transition of the bubble zone into the low-bubble or bubble-free area is fluid. The bubble zone is considered to be the area in which the specific bubble volume of the Skin layer 14 adjacent quartz glass is twice as high as in low-bubble silica glass of the skin layer 14th
Die in Figur 3 schematisch dargestellte Schmelzvorrichtung umfasst eine The melting device shown schematically in FIG. 3 comprises a
Schmelzform 31 aus Metall mit einem Innendurchmesser von 68 cm, einem ge- wölbten Boden und einer Seitenwand mit einer Höhe„H" von 50 cm. Die Schmelzform 31 ist um ihre Mittelachse 2 rotierbar gelagert. Im Innenraum 3 der Schmelzform 31 sind Elektroden 4 aus Graphit in allen Raumrichtungen verfahrbar, wie anhand der Richtungspfeile 5 angedeutet. Melt mold 31 made of metal with an inner diameter of 68 cm, a curved bottom and a side wall with a height "H" of 50 cm .The mold 31 is rotatably mounted about its center axis 2. In the interior 3 of the mold 31 are electrodes 4 made Graphite in all spatial directions movable, as indicated by the directional arrows 5.
Im Bereich der unteren Wandungshälfte der Schmelzform 31 sind eine Vielzahl von Durchlässen 6 vorgesehen, über die ein an der Außenseite der Schmelzform 31 anliegendes Vakuum nach innen durchgreifen kann. Über eine zentrale Öffnung 32 am Boden der Schmelzform 31 , die mit einem Stopfen 33 aus porösem Grafit verschlossen ist, kann der Schmelzform 31 Helium zugeführt werden. In the region of the lower half of the wall of the mold 31, a plurality of passages 6 are provided, through which a vacuum applied to the outside of the mold 31 can pass inwards. Via a central opening 32 at the bottom of the melt mold 31, which is closed with a plug 33 made of porous graphite, the melt mold 31 helium can be supplied.
Nachfolgend wird eine Verfahrensweise zur Herstellung eines Quarzglastiegels anhand der in Figur 3 dargestellten Schmelzvorrichtung näher erläutert. In the following, a procedure for producing a quartz glass crucible will be explained in more detail with reference to the melting device shown in FIG.
In einem ersten Verfahrensschritt wird in der Schmelzform 21 eine Körnungsschicht 12 ausgeformt und diese in einem zweiten Verfahrensschritt mit einer Hautschicht 14 versehen, wie anhand Figur 1 beschrieben. In a first method step, a granulation layer 12 is formed in the melt mold 21 and provided with a skin layer 14 in a second method step, as described with reference to FIG.
In einem dritten Verfahrensschritt wird über die Durchlässe 6 im unteren Wan- dungsbereich 9 ein Vakuum an die Körnungsschicht 12 angelegt, und gleichzeitig wird die Körnungsschicht 12 über die zentrale Öffnung 32 mit einem Gasgemisch aus Helium drucklos geflutet. Die Zufuhr des Gasgemischs und die gleichzeitige Absaugung bewirken einen Austausch von Luft durch das He/H2-Gasgemsich im Boden- und unteren Seitenbereich 8; 9 der Körnungsschicht 12. Der Spülvorgang wird während des Verglasens fortgesetzt. Im oberen Wandungsbereich 10 der porösen Körnungsschicht 12 verbleibt im Wesentlichen die vorab enthaltene Luft. In a third method step, a vacuum is applied to the granulation layer 12 via the passages 6 in the lower wall region 9, and at the same time the granulation layer 12 is flooded without pressure via the central opening 32 with a gas mixture of helium. The supply of the gas mixture and the simultaneous suction cause an exchange of air through the He / H 2 -Gasgemsich in the bottom and lower side region 8; 9 of the graining layer 12. The rinsing process is continued during the glazing. In the upper wall portion 10 of the porous graining layer 12, substantially the air previously contained remains.
Beim Verglasen der Körnungsschicht 12 bildet sich im oberen Bereich 10 infolge der starken Luftbeladung eine durchgängig blasige Blasenzone aus, die sich über eine Höhe von etwa 17 cm vom oberen Rand nach unten erstreckt und die von der Innenhaut 14 vollständig überdeckt ist. When vitrifying the granulation layer 12 is formed in the upper region 10 due to the strong air charge from a consistently blistering bubble zone, which is about a height of about 17 cm from the upper edge extends downwards and which is completely covered by the inner skin 14.
Der untere Bereich 9 und der Bodenbereich der Körnungsschicht 12 verglasen hingegen zunächst ohne nennenswerte Blasenbildung. Hinsichtlich Transparenz gibt es zwischen dem Quarzglas der Hautschicht 14 und dem blasenarmen Quarzglas von Boden 8 und unterem Seitenwandbereich 9 keinen merklichen Unterschied. On the other hand, the lower region 9 and the bottom region of the granulation layer 12 initially glaze without appreciable bubble formation. With regard to transparency, there is no noticeable difference between the quartz glass of the skin layer 14 and the low-bubble quartz glass of the bottom 8 and lower side wall region 9.
Wenn die Schmelzfront noch etwa 5 cm von der Schmelzform-Wandung entfernt ist, wird das Einleiten von Helium und das Absaugen beendet. Dadurch verglasen die Außenseiten der Körnungsschicht 12 auch im Boden- und unteren Seitenwandbereich zu opakem, blasenhaltigem Quarzglas, wie oben anhand Figur 1 beschrieben. Das Verglasen wird gestoppt, kurz bevor die Schmelzfront die Schmelzform-Innenwandung erreicht. When the melt front is still about 5 cm from the melt mold wall, the introduction of helium and the suction are stopped. As a result, the outer sides of the granulation layer 12 also glaze in the bottom and lower side wall region into opaque, bubble-containing quartz glass, as described above with reference to FIG. The vitrification is stopped shortly before the enamel front reaches the enamel inner wall.
Nach Entnahme aus der Schmelzform wird der obere, teilweise verglaste Rand der vormaligen Körnungsschicht abgeschnitten und es wird mit allen oben näher erläuterten Verfahrensvarianten ein Quarzglastiegel 40 mit einer Blasenzone 41 erhalten, wie er schematisch in Figur 4 dargestellt ist. Deren unterer Rand reicht etwa 2 bis 3 cm unterhalb einer fiktiven Ansetzzone, die in einer Höhe„A" verläuft. Die Blasenzone 41 ist optisch leicht als opaker Bereich erkennbar. Ihr spezi- fischer Blasengehalt ist mindestens doppelt so groß wie in der Hautschicht 14. In diesem Bereich, der mit„B" bezeichnet ist, grenzt die Hautschicht 14 somit an die Blasenzone 41 an. Die Blasenzone 41 reicht bis zum oberen Tiegelrand und erstreckt sich über dessen gesamte Wandung After removal from the melt mold, the upper, partially glazed edge of the former granulation layer is cut off and a quartz glass crucible 40 having a bubble zone 41, as shown schematically in FIG. 4, is obtained with all variants of the method explained in greater detail above. Its lower edge extends approximately 2 to 3 cm below a fictitious attachment zone which runs at a height "A." The bubble zone 41 is visually easily recognizable as an opaque region, and its specific bubble content is at least twice as high as in the skin layer 14. In this area, which is designated by "B", the skin layer 14 thus adjoins the bubble zone 41. The bubble zone 41 extends to the upper edge of the pot and extends over the entire wall
Beim Tiegelboden 42 und im unteren Bereich der Seitenwand 43 grenzt die Haut- schicht 14 an ähnlich blasenarmes Quarzglas an, wie es in der Hautschicht 14 vorliegt. Dieser blasenarme Bereich ist in Figur 4 mit der Bezugsziffer 44 bezeichnet. Der äußere Wandungsbereich des Quarzglastiegels 40 besteht auch im Boden- und unteren Seitenwandbereich aus opakem, blasenhaltigen Quarzglas. In Figur 4 ist auch die Tiegelhöhe„H" als Abstand zwischen der Unterseite des Bodens 42 und dem oberen Rand 44 der Seitenwand dargestellt. In the crucible bottom 42 and in the lower region of the side wall 43, the skin layer 14 adjoins a quartz glass having a similar low bubble content, as is present in the skin layer 14. This bubble-poor region is designated by the reference numeral 44 in FIG. The outer wall region of the quartz glass crucible 40 also consists of opaque, bubble-containing quartz glass in the bottom and lower side wall region. In Figure 4, the crucible height "H" is shown as a distance between the bottom of the bottom 42 and the upper edge 44 of the side wall.
Beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Quarzglastiegels unterliegen die gasgefüllten Blasen einem Blasenwachstum. Nach Auflösung der Hautschicht 14 liegt eine raue, beziehungsweise wellige Tiegeloberfläche im Bereich der Oberfläche der Siliziumschmelze frei. Aufgrund dieser aufgerauten Tiegeloberfläche ergibt sich jeder beliebige Kontaktwinkel zwischen Siliziumschmelze und Wandung, so dass Schmelzvibrationen unterdrückt werden. When the quartz glass crucible is used as intended, the gas-filled bubbles are subject to bubble growth. After dissolution of the skin layer 14, a rough or wavy crucible surface is exposed in the region of the surface of the silicon melt. Because of this roughened crucible surface, any contact angle between the silicon melt and the wall results, so that melting vibrations are suppressed.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Quarzglastiegels zum Ziehen von Einkristallen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: A method for producing a quartz glass crucible for pulling single crystals, comprising the following method steps:
(a) Bereitstellen einer Vakuum-Schmelzform (1 ; 21 ; 31 ) mit einer Wandung, die eine Innenseite, eine Außenseite und durchgehende Löcher (6; 7) zwischen Außenseite und Innenseite aufweist,  (a) providing a vacuum melt mold (1; 21; 31) having a wall having an inside, an outside and through holes (6; 7) between outside and inside,
(b) Ausformen einer tiegeiförmigen, porösen Körnungsschicht (12) aus SiO2- Körnung auf der Innenseite der Vakuum-Schmelzform (1 ; 21 ; 31 ), wobei die Körnungsschicht (12) einen Bodenbereich (8) und einen Seitenwand- bereich (9; 10) hat, (b) forming a garnet-shaped, porous granulation layer (12) of SiO 2 grain on the inside of the vacuum melt mold (1; 21; 31), wherein the granulation layer (12) has a bottom region (8) and a sidewall region (9 10),
(c) Ausbilden einer Hautschicht (14) aus blasenarmem Quarzglas auf mindestens einem Teil der porösen Körnungsschicht (12), (c) forming a skin layer (14) of low-bubble quartz glass on at least a part of the porous granulation layer (12),
(d) Entfernen gasförmiger Komponenten aus dem mindestens einem Teil der an die Hautschicht (14) angrenzenden Körnungsschicht (12), indem ein Unterdruck über die Außenseite der Schmelzform-Wandung (1 ; 21 ; 31 ) angelegt wird, (d) removing gaseous components from at least a portion of the graining layer (12) adjacent to the skin layer (14) by applying a negative pressure across the outside of the molten-metal wall (1; 21; 31),
(e) Verglasen der porösen Körnungsschicht (12) unter Bildung des Quarzglastiegels (40) mit einer Tiegelhöhe H, (e) vitrifying the porous graining layer (12) to form the quartz glass crucible (40) with a crucible height H,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem oberen ringförmigen Bereich (10) der Körnungsschicht (12), der sich an den unteren Bereich (9) anschließend bis zur vollen Höhe H erstreckt, beim Verglasen unterhalb der Hautschicht (14) und an diese angrenzend eine Blasenzone (41 ) erzeugt wird, die gasgefüllte Blasen mit einem spezifischen Blasenvolumen enthält, das mindestens doppelt so groß ist wie das spezifische Volumen gasgefüllter Blasen im blasenar- men Quarzglas, indem der Unterdruck in einem unteren Bereich (9) der Körnungsschicht (12) angelegt wird, der sich vom Bodenbereich (8) bis maximal dem 0,8-fachen der Tiegelhöhe H erstreckt. characterized in that in an upper annular region (10) of the granulation layer (12) which extends to the lower region (9) subsequently to the full height H, glazes below the skin layer (14) and adjacent thereto a bubble zone ( 41) containing gas-filled bubbles having a specific bubble volume of at least twice the specific volume of gas-filled bubbles in the low-bubble silica glass by applying the negative pressure in a lower portion (9) of the granulation layer (12). which extends from the bottom region (8) to a maximum of 0.8 times the crucible height H.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllten Blasen im oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) dadurch erzeugt werden, dass dem oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) beim oder vor dem Verglasen ein Gas zugeführt wird oder indem ein Zufluss von Gas in den oberen Bereich (10) ermöglicht wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the gas-filled bubbles in the upper region (10) of the granulation layer (12) are produced by supplying a gas to the upper region (10) of the granulation layer (12) during or before vitrification or by allowing an influx of gas into the upper area (10).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas der Körnungsschicht (12) durch einen, an den oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) angrenzenden, gasdurchlässigen Wandungsabschnitt (17; 23) der Vakuum-Schmelzform (21 ) zugeführt wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the gas of the granulation layer (12) by a, to the upper region (10) of the granulation layer (12) adjacent, gas-permeable wall portion (17; 23) of the vacuum melt mold (21) supplied becomes.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchlässigkeit des Wandungsabschnitts (17) durch Bohrungen (7; 16) in der Wandung bewirkt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the gas permeability of the wall portion (17) through bores (7; 16) is effected in the wall.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchlässigkeit des Wandungsabschnitts (23) durch einen Ring aus porösem Werkstoff bewirkt wird, der einen Teil der Wandung der Vakuum-Schmelzform (21 ) bildet. 5. The method according to claim 3, characterized in that the gas permeability of the Wandungsabschnitts (23) is effected by a ring of porous material forming part of the wall of the vacuum-melt mold (21).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem oberen (10) und dem unteren Bereich (9) der Körnungsschicht (12) eine Körnungssperrschicht (15) vorgesehen ist, die eine Gasströmung vom oberen (10) in den unteren Bereich (9) behindert. 6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that between the upper (10) and the lower region (9) of the graining layer (12) a graining barrier layer (15) is provided, the gas flow from the upper (10) in hinders the lower area (9).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Körnungssperrschicht (15) als ringförmige Zwischenlage innerhalb der Körnungsschicht (12) aus SiO2-Pulver ausgeführt ist, das eine höhere Schüttdichte als die übrige SiO2-Körnung der Körnungsschicht (12) aufweist 8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gasgefüllten Blasen im oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) dadurch erzeugt werden, dass im unteren Bereich (9) der Körnungsschicht (12) vorhandene Gase 7. The method according to claim 6, characterized in that the graining barrier layer (15) is designed as an annular intermediate layer within the graining layer (12) of SiO 2 powder having a higher bulk density than the remaining SiO 2 grain of the graining layer (12) 8. The method according to claim 1, characterized in that the gas-filled bubbles in the upper region (10) of the granulation layer (12) are produced in that in the lower region (9) of the granulation layer (12) existing gases
Gase durch Helium ausgetauscht werden, wobei der Gasaustausch im oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) behindert wird. Be replaced by helium gases, wherein the gas exchange in the upper region (10) of the granulation layer (12) is hindered.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaustausch im unteren Bereich (9) der Körnungsschicht (12) und die Behinderung des 5 Gasaustauschs im oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) bewirkt werden, indem dem Bodenbereich (8) der Körnungsschicht (12) Helium zugeführt wird, das infolge des im unteren Bereichs (9) der Körnungsschicht (12) anliegenden Unterdrucks über die Wandung der Schmelzform (31 ) abgesaugt wird, und zwar vor Erreichen des oberen Bereichs (10) der Körnungsschicht (12). 9. The method according to claim 8, characterized in that the gas exchange in the lower region (9) of the granulation layer (12) and the obstruction of the 5 gas exchange in the upper region (10) of the granulation layer (12) are effected by the bottom region (8). helium is supplied to the granulation layer (12), which is sucked off via the wall of the melt mold (31) as a result of the negative pressure applied in the lower region (9) of the granulation layer (12), before reaching the upper region (10) of the granulation layer (12 ).
10 10.Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hautschicht (14) erzeugt wird, die im oberen Bereich (10) der Körnungsschicht (12) eine Dicke im Bereich von 50 μιτι bis 800 μιτι aufweist. 10 10.Verfahren according to any one of the preceding claims, characterized in that a skin layer (14) is generated, which in the upper region (10) of the granulation layer (12) has a thickness in the range of 50 μιτι to 800 μιτι.
1 1 .Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck in einem unteren Bereich (9) der Körnungsschicht 15 (12) angelegt wird, der sich vom Bodenbereich (8) bis einer Höhe erstreckt, die mindestens 0,2 x H, vorzugsweise mindestens 0,4 x H, beträgt. 11. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the negative pressure is applied in a lower region (9) of the granulation layer 15 (12) which extends from the bottom region (8) to a height which is at least 0.2 x H, preferably at least 0.4 x H, is.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Seitenwandbereich (9; 10) eine fiktive Ansetzzone (A) in einer Höhe zwischen 0,5 x H bis 0,95 x H zugeordnet wird, und dass die Blasenzone12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the side wall region (9; 10) is associated with a fictitious attachment zone (A) in a height between 0.5 x H to 0.95 x H, and that the bubble zone
20 (41 ) nicht mehr als 10 cm unterhalb diese Ansetzzone (A) reicht. 20 (41) not more than 10 cm below this attachment zone (A) is sufficient.
13. Quarzglastiegel zum Ziehen von Einkristallen, mit einer Tiegelhöhe H und mit einer eine Innenseite aufweisenden Tiegelwandung, die von einem Boden (42) und einer mit dem Boden (42) verbundenen Seitenwand (41 ; 43) aus Quarzglas gebildet wird, wobei die Innenseite mindestens teilweise von einer Haut-13. A quartz glass crucible for pulling single crystals, with a crucible height H and with an inner side having a crucible wall formed by a bottom (42) and connected to the bottom (42) side wall (41, 43) made of quartz glass, wherein the inside at least partially from a skin
25 schicht (14) aus dichtem Quarzglas bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hautschicht (14) am Boden (42) und in einem unteren Bereich (43) der Seitenwand, der sich vom Boden (42) bis maximal dem 0,8-fachen der Tiegelhöhe H erstreckt, an ein blasenarmes Quarzglas, und in einem sich an den unteren Bereich (43) bis zur vollen Tiegelhöhe H anschließenden, oberen Be- reich der Seitenwand eine Dicke im Bereich von 50 μιτι bis 800 μιτι aufweisend an eine Blasenzone (41 ) aus einem blasenreicheren, gasgefüllte Blasen enthaltenden Quarzglas angrenzt., wobei die Hautschicht (14) im oberen Bereich der Seitenwand eine Dicke im Bereich von 50 μιτι bis 800 μιτι aufweist. 25 layer (14) is covered by dense quartz glass, characterized in that the skin layer (14) at the bottom (42) and in a lower portion (43) of the side wall extending from the bottom (42) to a maximum of 0.8 times the crucible height H, extends to a bubble-poor quartz glass, and in an upper area adjoining the lower area (43) up to the full crucible height H rich of the side wall has a thickness in the range of 50 μιτι to 800 μιτι having a bubble zone (41) of a bubble-rich, gas-filled bubbles containing quartz glass adjacent, wherein the skin layer (14) in the upper region of the side wall has a thickness in the range of 50 μιτι to 800 μιτι has.
14. Quarzglastiegel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenwand (41 ; 43) eine fiktive Ansetzzone (A) in einer Höhe zwischen 14. Quartz glass crucible according to claim 13, characterized in that the side wall (41, 43) has a fictitious attachment zone (A) at a height between
0,5 x H bis 0,95 x H zugeordnet ist, und dass die Blasenzone (41 ) nicht mehr als 10 cm unterhalb diese Ansetzzone (A) reicht.  0.5 x H to 0.95 x H, and that the bubble zone (41) does not extend more than 10 cm below this attachment zone (A).
15. Quarzglastiegel nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Blasenzone (41 ) in einer Höhe erstreckt, die im Bereich von 0,4 x H bis zum oberen Tiegelrand reicht. 15. Quartz glass crucible according to claim 13 or 14, characterized in that the bubble zone (41) extends at a height ranging from 0.4 x H to the upper edge of the crucible.
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