DE10321785A1

DE10321785A1 - Dauerhafter CFC-Stütztiegel für Hochtemperaturprozesse beim Ziehen von Halbleiterkristallen

Info

Publication number: DE10321785A1
Application number: DE10321785A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Kompalik
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: Kompalik Dieter Dr De
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-16
Also published as: US20040226317A1; US7235132B2

Abstract

Zum Ziehen von Halbleitereinkristallen nach dem Czochralski-Verfahren werden Quarzglastiegel eingesetzt, die bei hohen Temperaturen Stütztiegel (1) benötigen. Solche Stütztiegel (1) können aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein, wobei Graphitwerkstoffe, Kohlenstofffaser-verstärkter Kohlenstoff (CFC), Kombinationen davon oder mit Siliziumcarbid (SiC) beschichtete Kohlenstoff-Werkstoffe genutzt werden. Die Nutzungsdauer eines CFC-Stütztiegels kann durch partielle Aufdickung (5) der durch Korrosionsvorgänge angegriffenen Stütztiegelwände verlängert werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stütztiegel aus einem hochreinen, durch das Filament-Winding-Verfahren hergestellten mit Kohlenstofffasern verstärkten Kohlenstoff (CFC) mit einem Aschewert von weniger als 500ppm für das Abstützen von Quarzglastiegeln, wobei Stütz- und Quarzglastiegel zusammen bei Hochtemperaturprozessen der Halbleitertechnik wie beim Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien eingesetzt werden.

Das Czochralski-Verfahren läuft im wesentlichen bei 1400°C ab. Bei den hohen angewandten Temperaturen sind die Quarzglastiegel mechanisch nicht mehr genügend stabil und bedürfen einer Stützung, um ihre Form zu behalten. Diese Stützfunktion übernehmen Tiegel aus Graphit, aus CFC, aus deren Kombinationen oder aus mit Siliziumcarbid (SiC) beschichteten Kohlenstoff-Werkstoffen, die unter diesen Bedingungen noch vollständig formstabil sind.

Beim Herstellen und Verarbeiten von sehr reinen Materialien, wie sie z.B. in der Halbleiterindustrie benötigt werden, werden in vielen Fällen hohe Temperaturen angewandt. Dementsprechend müssen die Hilfsmittel, welche dafür verwendet werden, hoch rein und vor allem ebenfalls hoch temperaturbeständig sein. Werkstoffe, die diese Anforderungen erfüllen, sind Graphit, kohlenstofffaser-verstärkter Kohlenstoff (CFC), Kombinationen davon oder die vorgenannten mit Siliziumcarbid beschichteten Kohlenstoff-Werkstoffe. Ein Nachteil von Graphit- und CFC-Teilen, die derartigen Bedingungen standhalten, ist jedoch ihre begrenzte Standzeit, die auf den Angriff von chemisch aktiven, meist gasförmigen Substanzen wie beispielsweise Sauerstoff, Siliziummonoxid, Kohlendioxid oder auch von Siliziumdioxid zurückzuführen ist. Diese begrenzte Standzeit schlägt sich auch im Aufwand für die jeweils durchzuführenden Prozesse, z.B. beim Ziehen von Silizium-Einkristallen und den dabei verwendeten und direkt mit Graphit, CFC, deren Kombinationen oder mit Siliziumcarbid beschichteten Kohlenstoff-Werkstoffen im Kontakt befindlichen Quarzglastiegeln negativ nieder.

Es hat nicht an Ansätzen gefehlt, Graphit- Werkstoffe, CFC-Werkstoffe, deren Kombinationen oder mit Siliziumcarbid beschichtete Kohlenstoff-Werkstoffe für den vorbeschriebenen Verwendungszweck zu entwickeln. Ziel war es, die Standzeit der einteiligen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzten Stütztiegel zu verbessern. Dies betraf insbesondere Graphit- aber auch CFC-Werkstoffe für das Herstellen von Stütztiegeln.

Zum Verständnis für den folgenden Text werden einige Aspekte aus dem Bereich der Faserverbundwerkstoffe und einige zugehörige Definitionen dargestellt:

• Faserverbundwerkstoffe bestehen aus einer Matrix und Verstärkungsfasern, die meist eine spezielle Oberflächenbehandlung erfahren haben. Die Fasern werden überwiegend in die Form eines textilen Vorproduktes gebracht und als solches in die Matrix eingebunden. Die Matrix kann aus Kunststoffen, aus Metallen oder Keramik bestehen.
• Im vorliegenden Fall werden Kohlenstofffasern in der Form des gewünschten textilen Vorproduktes in eine Matrix aus ausgewählten organischen Substanzen eingebracht. In einem gehärteten Zustand wird dieser Verbundwerkstoff als kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff bezeichnet, branchenüblich mit der Abkürzung „CFK". In einem nächsten Verfahrensschritt wird dieser Werkstoff verkokt. Es entsteht der Verbundwerkstoff kohlenstofffaser-verstärkter Kohlenstoff, der mit der branchenüblichen Abkürzung „ CFC" bezeichnet wird.
• Um die Herstellung von Faserverbundwerkstoffen zu rationalisieren, zu standardisieren und bestimmte Eigenschaften maßzuschneidern verwendet man geeignete Halbzeuge. Ein möglicher Halbzeugtyp besteht aus einem textilen Vorprodukt – z. B. unidirektionale Kohlenstofffasern oder z. B. Kohlenstofffaser-Gewebe, – das mit einem Kunstharz – z. B. Phenolharz – imprägniert ist. Ein solches Halbzeug wird mit Prepreg bezeichnet.
• Verstärkungsfasern werden meist in Form von einem Roving hergestellt. Ein Roving ist ein Bündel endloser, parallel liegender, nur wenige Mikrometer dicker Fasern mit meist rundem Querschnitt. Ein Roving umfasst eine definierte Zahl von Elementarfasern, etwa 1000, 3000, 6000 oder 12000 usw..
• Ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen ist das Filament-Winding-Verfahren. Bei diesem Verfahren werden Rovings mit einem Kunstharz durchtränkt und auf einen Wickelkern gewickelt. Nach Aushärten, Entformen und Bearbeiten liegt ein (Roh-)Bauteil aus Faserverbundwerkstoff vor.
• Die in dieser Schrift beschriebenen CFC-Stütztiegel sind nach dem Filament-Winding-Verfahren hergestellte Stütztiegel.

Ein möglicher Weg die Standzeit der Stütztiegel zu verbessern wird in WO 9848085 beschrieben. Materialschichten zwischen dem Quarzglastiegel und dem graphitischen Stütztiegel sollen Reaktionen dieser beiden Tiegel(materialien) miteinander unterbinden. Solche Schichten sind aus hochschmelzenden Metallen, deren Carbiden, Oxiden oder Siliziden aufgebaut. Die Schichten werden auf den Graphit aufgebracht. Die thermodynamischen Reaktionsraten der verschiedenen Reaktionspartner werden detailliert dargestellt.

Nach WO 9848085 sind zusätzliche Apparaturen zur Herstellung der Schichten, die außerdem gleichmäßig aufzubringen sind, notwendig. Außerdem werden nach diesem Verfahren Metalle in das bezüglich seiner Reinheitsanforderungen überaus sensible Kristallziehsystem eingebracht, die die Siliziumeinkristalle in unerwünschter Weise dotieren und zu minderer oder nicht tolerabler Qualität der Siliziumeinkristalle führen.

Ein anderer Weg die Standzeit der Stütztiegel zu verbessern wurde mit der Verstärkung gängiger Graphitsorten mit kohlenstofffaser-verstärktem Kohlenstoff beschritten. In DE 40 07 053 wird das Auskleiden von Graphitstütztiegeln aus zwei oder mehr Segmenten beschrieben, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie auf ihrer – dem Quarzglastiegel zugewandten – Innenfläche, dem oberen Rand und an den Berührungsflächen der Segmente jeweils mit einer Schutzschicht aus CFC versehen sind.

Es zeigte sich jedoch, dass so hergestellte Produkte bzw. Tiegel in der Praxis nicht eingesetzt wurden. Im Falle der DE 40 07 053 hat das CFC dem oxidativen Angriff des Quarzglastiegels nicht besser standgehalten als die gängigen Graphitsorten.

In WO 96/26791 werden CFC-Stütztiegel beschrieben, die für den Ziehprozess von Silizium-Einkristallen eingesetzt werden. Zur Herstellung der CFC-Stütztiegel wird überwiegend das Laminierverfahren angewandt, es wird aber auch das Filament-Winding-Verfahren erwähnt. Der Schwerpunkt dieses Patentes liegt auf der Gewinnung eines hochreinen Stütztiegels, nicht so sehr auf der Verbesserung der Standzeit des Stütztiegels.

Im US-Patent 6,136,094 werden nähere Angaben zur Ausgestaltung eines gewickelten CFC-Stütztiegels gemacht, wobei der Stütztiegel ein rotationssymmetrischer Wickelkörper ist, der überwiegend nach dem Filament-Winding-Verfahren hergestellt wird. Insbesondere an den am stärksten gekrümmten Partien des gewölbten Bodens werden eine Anzahl kleinerer Gewebeteile oder kleinerer Abschnitte von unidirektionalem Prepreg aus Kohlenstofffasern einlaminiert. Das Laminieren dieser Abschnitte ist ein diffiziler und aufwändiger, von Hand auszuführender Arbeitsschritt. Darüber hinaus ist das CFC-Material an diesen Stellen im Ergebnis weniger homogen als an Stellen, die nur nach dem Filament-Winding-Verfahren hergestellt wurden. Auf die Problematik der Korrosion der Stütztiegel im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil des Stütztiegels zum gewölbten Bodenbereich des Stütztiegels wird nicht eingegangen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 19 387 A1 werden zur Ausgestaltung eines gewickelten CFC-Tiegels besondere Wickelmuster beschrieben. Dazu zählen Varianten, bei denen einzelne Wickellagen auf dem gewölbten CFC-Tiegelboden ringförmige, wulstartige Verdickungen auftragen. Diese Materialverdickungen lassen sich gut nutzen, um dem Stütztiegel nach der mechanischen Bearbeitung eine gute Standfestigkeit zu geben. Bei anderen Varianten werden die Wickellagen um die zentrale Wickelachse ausgespart. Auf diese Weise entstehen Stütztiegel mit einem Loch im Zentrum des gewölbten Bodens. Dieses Loch wird der Schrift entsprechend mit geeigneten Stopfen wieder geschlossen. Auf die Problematik der Korrosion der Stütztiegel im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil des Stütztiegels zum gewölbten Bodenbereich des Stütztiegels wird nicht eingegangen.

Es bestand daher die Aufgabe, einen CFC-Stütztiegel zu schaffen, der der Korrosion im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil des Stütztiegels zum gewölbten Bodenbereich des Stütztiegels durch die bei den hohen Anwendungstemperaturen vorliegenden Gase wie beispielsweise Sauerstoff, Siliziummonoxid, Kohlendioxid oder auch von Siliziumdioxid länger widersteht als ein CFC-Stütztiegel nach dem Stand der Technik.

Mit einem erfindungsgemäßen Stütztiegel aus CFC wird die Dauer der möglichen Nutzung vergrößert. Die erhöhte Lebensdauer eines solchen Stütztiegels senkt die spezifischen Kosten je damit hergestelltem Halbleitereinkristall.

Bei der Herstellung von Halbleitereinkristallen werden in der heißen Herstellungszone nur wenige Stoffe hoher Reinheit eingesetzt. Beispielsweise sind dies beim Ziehen eines Siliziumeinkristalls das flüssige Silizium, der daraus gezogene Siliziumeinkristall, der das flüssige Silizium haltende Quarzglastiegel, der den weichen Quarzglastiegel stützende CFC-Tiegel und die diese Anordnung umgebenden graphitischen Heizelemente sowie Hitzeschilde und die Innenwand der Ofeneinrichtung. Es ist zweckmäßig, den Aschewert des CFC-Stütztiegels auf unter 500ppm zu drücken.

Diese wenigen Stoffe reagieren bei den hohen Temperaturen im Bereich von 1400°C nach relativ wenigen Reaktionsgleichungen miteinander. Einige wichtige Gleichungen sind: Si + SiO₂ → 2SiO(g) (1)

Es entsteht also aus dem flüssigen Silizium und dem Quarzglas in geringen Mengen gasförmiges SiO. Auch der Kohlenstoff des CFC-Stütztiegels reagiert mit dem Quarzglastiegel zu SiO-Gas gemäß der Formel (2): C + SiO₂ → SiO(g) + CO(g) (2)

Das frisch entstandene SiO-Gas kann nicht in den gasdichten Quarzglastiegel eindringen und wandert deshalb vorzugsweise in den gegenüberliegenden Kohlenstoff-Stütztiegel, insbesondere dann, wenn dieser porös ist. Um dies zu vermeiden werden die Poren des Kohlenstoff-Stütztiegels, insbesondere CFC-Stütztiegels, bei seiner Herstellung mit Pyrokohlenstoff gefüllt beziehungsweise versiegelt. Die Restporosität des Kohlenstoff-Stütztiegels reicht jedoch aus, dass das SiO eindringt und nach der Reaktionsgleichung (3) den Stütztiegel korrodiert: SiO(g) + 2C → SiC + CO(g) (3)

Bei der Einkristallherstellung wird der Stütztiegel aus Kohlenstoff aber auch andere Komponenten aus Kohlenstoff gemäß der Reaktionsgleichung (3) in geringem Umfang aber fortschreitend in Siliziumcarbid umgewandelt. Das entstehende Siliziumcarbid hat ein größeres Volumen als der vorher an derselben Stelle im Bauteil befindliche Kohlenstoff. Die Folgen dieser Volumenzunahme sind lokal entstehende Risse, Fugen, Aufweitungen des Kohlenstoffgefüges bis zu Abplatzungen und makroskopischen Zerstörungen. Dazu kommt, dass kleine Mengen Kohlenstoff in Form von gasförmigem CO aus dem Kohlenstoffteil entweichen und damit Löcher hinterlassen. Alle diese Vorgänge werden unter dem Begriff „Korrosion" zusammengefasst. Die Folge der Korrosion ist die eingeschränkte Lebensdauer z. B. des Kohlenstoff-Stütztiegels.

Schadensanalysen an Stütztiegeln, die bei der Herstellung von Halbleitereinkristallen eingesetzt wurden (und ersetzt werden mussten), zeigen, dass die oben beschriebenen Korrosionsmechanismen besonders im Übergangsbereich vom zylindrischen oder vom nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil zum gewölbten Bodenteil des Stütztiegels stattfinden.

Die Nutzungsdauer von mit Hilfe des Filament-Winding-Verfahrens hergestellten und einen Aschewert von weniger als 500ppm aufweisenden CFC-Stütztiegeln für das Abstützen von Quarzglastiegeln stieg unter gleichen Umständen von 47 Einkristall-Ziehvorgängen auf 73 Einkristall-Ziehvorgänge – also um mehr als 50 Prozent – an, wenn der CFC-Stütztiegel im Bereich der größten Korrosion, also im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil zum gewölbten Bodenteil des Stütztiegels gegenüber dem zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil, um mindestens 15%, bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 50%, aufgedickt ist.

Da praktisch alle CFC-Werkstoffe – auch gemessen an konventionellem, als Stütztiegel eingesetztem Elektrographit – relativ teuer sind, wird man nicht mehr Material aufwenden als unbedingt notwendig. Man begrenzt also die aufgedickten Partien des CFC-Stütztiegels auf das unbedingt notwendige Maß. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der Stütztiegel einen aufgedickten Bereich von mindestens 10% der Länge vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil des Stütztiegels hat und wenn der Stütztiegel einen aufgedickten Bereich von mindestens 60% der Länge der Schnittlinie durch den gewölbten Boden des Stütztiegels von der zentralen Längsachse des Stütztiegels bis zum Beginn des zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil des Stütztiegels hat.

Die beteiligten Stoffe reagieren bei den hohen Arbeitstemperaturen des Czochralski-Verfahrens wie oben beschrieben miteinander und ergeben Gase, die zur Korrosion der beteiligten Kohlenstoffbauteile führen. Danach ist es klar, die Bauteile möglichst dicht und mit geringer Porosität herzustellen, um die Gase nicht ins Innere der Bauteile gelangen zu lassen. Bei nach dem Filament-Winding-Verfahren hergestellten Bauteilen ist es günstig, wenn diese ein dichtes Wickelmuster aufweisen. Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der aufgedickte Übergangsbereich vom zylindrischen oder vom nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil zum gewölbten Bodenteil des Stütztiegels ein CFC-Material enthält, das dicht an dicht und ohne Versatz im Filament-Winding-Verfahren abgelegte Faserstränge aufweist.

Alle Bemühungen zur Erhöhung der Nutzungsdauer von Stütztiegeln aus Kohlenstoff zielen darauf ab, einen Stütztiegel nacheinander vielfach wieder im Czochralski-Prozess zu verwenden und nacheinander viele Einkristalle mit Hilfe eines Stütztiegels herzustellen. Damit dies gelingt, muss ein Quarzglastiegel mit erstarrter Silizium-Restschmelze nach einem Einkristall-Ziehprozess ohne Schwierigkeiten vollständig aus dem Stütztiegel entfernt werden können. Dies ist nicht selbstverständlich, weil sich der Quarzglastiegel während eines Ziehvorganges verformt. Hätte der Stütztiegel Hinterschneidungen oder nur leichte Verengungen, so könnte der beim Ziehprozess weiche Quarzglastiegel hinter die Hinterschneidung oder hinter die Verengung sinken und sich dort festsetzen. Eine einfache Entnahme des Quarzglastiegels aus dem Stütztiegel wäre im kalten Zustand nicht mehr möglich. Daher hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die lichte Innenkontur des CFC-Stütztiegels so beschaffen ist, dass ein im CFC-Stütztiegel befindlicher rotationssymmetrischer Quarzglastiegel jederzeit entnommen werden kann, wenn also zum offenen Rand des Stütztiegels hin keine Verengung oder gar Hinterschneidung vorhanden sind. Der Stütztiegel hat also eine lichte Kontur, die vom zentralen Punkt des Bodens bis zum offenen Stütztiegelrand – wenn auch in stark unterschiedlichem Maße – ohne Sprünge kontinuierlich weiter wird.

Da eine Verengung oder Hinterschneidung der lichten Innenkontur des CFC-Stütztiegels nicht zulässig ist, kann eine Aufdickung der Stütztiegelwand nur nach außen hin angebracht werden. Erfindungsgemäß ist die Aufdickung der Wandung des CFC-Stütztiegels im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil zum gewölbten Bodenteil des Stütztiegels nur nach außen, von der zentralen Längsachse des Stütztiegels fortführend vorhanden.

Künstlich hergestellte Kohlenstoffe haben wegen des Verkokungsvorganges und der dabei entweichenden beträchtlichen Anteile flüchtiger Bestandteile eine hohe Porosität, die etwa 25 bis 35 Volumenprozent des Kohlenstoffkörpers ausmacht. Eine Technik, diese Porosität zu vermindern und die Rohdichte zu erhöhen besteht darin, die Kohlenstoffkörper mit Pech oder anderen organischen makromolekularen Substanzen zu imprägnieren. Mit Hilfe von wiederholten Imprägnier- und Verkokungsschritten gelingt es, einem Teil der Porosität zu beseitigen. Es verbleibt jedoch eine Restporosität. Eine andere Technik, diese Porosität zu vermindern und die Rohdichte zu erhöhen besteht darin, die Kohlenstoffkörper mit Pyrokohlenstoff zu imprägnieren. Diese Technik führt zu einer ungleich geringeren Porosität und höheren Rohdichte des künstlich hergestellten Kohlenstoffes.

Die letztgenannte Technik ist das Mittel der Wahl, um vergleichsweise dichte CFC-Stütztiegel herzustellen. Der mindestens einmal verkokte CFC-Stütztiegel wird mit Pyrokohlenstoff vorzugsweise nach dem CVI-Verfahren (Chemical Vapor Infiltration), infiltriert.

Gemessen an der Wanddicke eines Graphitstütztiegels kann ein CFC-Tiegel eine um den Faktor drei bis fünf geringere Wandstärke aufweisen. Ursache sind die verschieden definierten höheren Festigkeiten von CFC. Die leichte Bauweise und die damit verbundene geringe Masse ermöglichen kurze Aufheiz- und Abkühlzeiten und eine hohe Produktivität im – Verfahren. Diese macht die Attraktivität des CFC trotz seines hohen Preises aus.

Für den ersten Schritt bei der Herstellung wurde das Filament-Winding-Verfahren gewählt. Dazu wurden graphitierte Kohlenstofffasern in Form eines Rovings mit 6000 Einzelfasern durch ein Bad mit Phenolharz geführt und auf diese Weise getränkt. Der getränkte Roving wurde unter einer vorgegebenen Spannung auf einem Wickeldorn abgelegt.
Der Wickeldorn hatte die Außenabmessungen, die der herzustellende Stütztiegel 1 als lichte Innenmaße haben würde. Der Wickeldorn hatte an einem Ende einen Dom, dessen Abmessungen den lichten Maßen des darauf herzustellenden Stütztiegelbodens 2 entsprachen. Der Dom des Wickeldornes hatte eine Außenkontur mit unterschiedlichen, aber rotationssymmetrischen Krümmungen, wobei die Krümmung an der Domspitze, die mit der Längsachse des Wickeldornes zusammenfiel, am geringsten und etwas abgesetzt vom Übergang in den nahezu zylindrischen Teil des Dornes am größten war. Diese Außenkontur des Domes vom Dorn war auch als Innenkontur des CFC-Stütztiegels zu sehen, siehe Figur. Im mittleren Abschnitt hatte der Wickeldorn einen nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil mit etwa 500mm Durchmesser, wobei die Erweiterung vom Dom abgewandt war. An dem dem Dom gegenüberliegenden Ende hatte der Wickeldorn einen schlanken Tragarm, der an einem Ende im Zentrum des mittleren Abschnittes des Wickeldornes befestigt war und der an seinem anderen Ende in die Wickelmaschine eingespannt war.
Die Wickelmaschine hatte mehrere steuerbare Freiheitsgrade, wozu neben der Rotation des Dornes um seine Längsachse weitere Bewegungsmöglichkeiten des Fadenauges gehörten. Das dem Dorn gegenüberstehende Fadenauge hatte einige durch die Wickelmaschine steuerbare Freiheitsgrade, sich relativ zum Dorn zu bewegen und damit die Ablage des getränkten Rovings auf dem rotierenden Dorn zu bestimmen.
Die Ablage des getränkten Rovings auf dem Dorn geschah nach einem in die Maschine eingegebenen Programm. Das Ergebnis war ein Wickelmuster, das zu den gewünschten, örtlich verschiedenen Wanddicken der aufgewickelten Roving-Harz-Kombination führte. Ein Teil des Wickelmusters bestand in einer Wickellage, die über den Pol des Dornes (am Dom) führte. Nach Erreichen der Soll-Wanddicken, die in diesem frischen Zustand deutlich über denen des fertigen Stütztiegels lagen, wurde der Wickelvorgang beendet und überschüssiges Harz entfernt.
Der bewickelte Dorn war nach kurzer Zeit transportfähig, wurde aus der Wickelmaschine entnommen und in eine Härtekammer gebracht. Dort wurde das Harz der Roving-Harz-Kombination auf dem Dorn bei 120 bis 140°C in mehreren Stunden gehärtet.
Der entstandene Rohling aus CFK wurde vom Dorn abgezogen und bei Temperaturen von bis zu 1000°C unter Schutzgas carbonisiert. Es folgten die für einen Stütztiegel 1 aus CFC notwendigen weiteren Herstellungsschritte: Zweifach mit Phenolharz Imprägnieren und Carbonisieren, Graphitieren, Bearbeiten, Reinigungsgraphitieren und mit Pyrokohlenstoff Imprägnieren.
Die Figur zeigt einen Schnitt parallel zur Längsachse L durch einen rotations-symmetrisch gewickelten CFC-Stütztiegel 1.
Die typische Wandstärke d eines CFC-Stütztiegels 1 liegt bei einem Prozent des maximalen Stütztiegeldurchmessers D. Die Figur zeigt im zentralen Bereich 6 des gewölbten Bodens 2 eine größere Wandstärke als im zylindrischen Teil des Stütztiegels 1. In diesem Bereich sind oftmals auf der Außenseite, also am Boden des Stütztiegels 1 rotationssymmetrische Falze oder Einkerbungen 4 durch spanende Bearbeitung angebracht, die dazu dienen, den Stütztiegel 1 sicher auf einem Support (nicht dargestellt) zu positionieren.
Die erfindungsgemäße Aufdickung 5 ist im Querschnitt im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil 3 zum gewölbten Boden 2 des Stütztiegels 1 zu sehen. Sie ist nach außen, von der zentralen Längsachse des Stütztiegels fortführend orientiert. Die Aufdickung 5 beträgt mindestens 15%, bevorzugt 20 bis 50%, der Wanddicke d des zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teils 3. Die Aufdickung 5 ist in der Figur nicht maßstäblich sondern schematisch übertrieben dargestellt. Die Aufdickung 5 erstreckt sich auf eine Länge a von mindestens 10% des zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teils 3 und daran anschließend auf eine Länge b von mindestens 60% der Länge der Schnittlinie durch den gewölbten Boden des Stütztiegels von der zentralen Längsachse des Stütztiegels 1 bis zum Beginn des zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teils 3 des Stütztiegels 1.

1: Stütztiegel
2: Boden
3: zylindrischer, sich leicht konisch erweiternder Teil
4: Einkerbung
5: Aufdickung
6: zentraler Bereich in 2
L: Längsachse
d: Wandstärke
D: Stütztiegeldurchmesser
a: Länge der Aufdickung in 3
b: Länge der Aufdickung in 2

Claims

Stütztiegel (1) aus einem hochreinen, mit Hilfe des Filament-Winding-Verfahrens hergestellten mit Kohlenstofffasern verstärkten Kohlenstoff (CFC) mit einem Aschewert von weniger als 500ppm für das Abstützen von Quarzglastiegeln, wobei Stütz- und Quarzglastiegel zusammen bei Hochtemperaturprozessen der Halbleitertechnik wie beim Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren aus Silizium oder anderen Halbleitermaterialien eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Stütztiegels (1) im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil (3) zum gewölbten Bodenteil (2) des Stütztiegels gegenüber dem zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil (3) um mindestens 15%, bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 50%, aufgedickt (5) ist.
Stütztiegel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich mindestens 10% der Länge vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil (3) des Stütztiegels (1) hat und dass der Übergangsbereich mindestens 60% der Länge der Schnittlinie durch den gewölbten Boden (2) des Stütztiegels (1) von der zentralen Längsachse (L) des Stütztiegels (1) bis zum Beginn des zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil (3) des Stütztiegels (1) hat.
Stütztiegel (1) nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgedickte (5) Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, vom sich leicht konisch erweiternden Teil (3) zum gewölbten Bodenteil (2) des Stütztiegels (1) ein CFC-Material enthält, das dicht an dicht und ohne Versatz im Filament-Winding-Verfahren abgelegte Faserstränge aufweist.
Stütztiegel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Innenkontur des Stütztiegels (1) so beschaffen ist, dass ein im Stütztiegel (1) befindlicher rotationssymmetrischer Quarzglastiegel jederzeit entnommen werden kann.
Stütztiegel (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufdickung (5) der Wandung des Stütztiegels (1) im Übergangsbereich vom zylindrischen oder nahezu zylindrischen, sich leicht konisch erweiternden Teil (3) zum gewölbten Bodenteil (2) des Stütztiegels (1) nur nach außen, von der zentralen Längsachse (L) des Stütztiegels (1) fortführend vorhanden ist.
Stütztiegel (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stütztiegel (1) mit Pyrokohlenstoff vorzugsweise nach dem CVI-Verfahren (Chemical Vapor Infiltration), infiltriert ist.