DE2009459A1

DE2009459A1 - Verfahren zur Herstellung von Sihciumformkorpern

Info

Publication number: DE2009459A1
Application number: DE19702009459
Authority: DE
Inventors: Hilmar Dietz Wolfgang Dipl Phys Vogerl Manfred 8000 München Hermann Hans Dr 8263 Burghausen BOlj 17 34 Daxer
Original assignee: Consortium fuer Elektrochemische Industrie GmbH
Current assignee: Consortium fuer Elektrochemische Industrie GmbH
Priority date: 1970-02-28
Filing date: 1970-02-28
Publication date: 1971-09-09
Also published as: FR2080826A1; GB1344382A; BE763537A; FR2080826B1; US3868435A

Description

■C ο η 's ο. r t i- u η . München, den 23". Februar 1970 für elektrochemische.Industrie

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interne Nr. Go 6906

Verfahren zur Herstellung: von Siliciumformkörpern

Siliciumformkörper, beispielsweise·- Scheiben oder Halbkugelschalen sind für optische Zwecke in Infrarot-Spektralbereich von Bedeutung. Um gute optische Durchlässigkeit zu erhalten (gute Transmission), nüssen die Siliciumkristalle grobkristallin und in den Formkörper senkrecht zur Oberfläche angeordnet sein. Ein- solches orientiertes Kristal!wachsturn erhält -man nur-beim Erstarren einer Schmelze in. einem starken Temperaturgradienten, z. 3. ausgehend von einer gekühlten Oberfläche.

Beispielsv/eise ist bekannt, Silicium in einem wassergekühlten Kupfertiegel durch induktive Beheizung aufzuschmelzen und dann langsam abzukühlen. Hierbei wird das Silicium aber so stark durch Zupfer verunreinigt, daß es für optische Zv/ecke unbrauchbar ist. Weiterhin ist vorbeschrieben, Quarzformen zu verwenden. Dabei tritt zwar keine, störende Verunreinigung der Siliciumschmelze auf, aber das erstarrte Silicium haftet so fest am Quarz, daß beim Abkühlen.die Quarzform und das.SiIiciün. aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten ζerspringten.

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Ein weiteres Verfahren verwendet; eine 0"¹JRrZVrGnHe mit geschmolzenen Silicium, in die eine gekühlte Graphitform eingetaucht wird, auf deren Oberfläche das Silicium sofort erstarrt und so die Schmelze vor einer Verunreinigung durch Graphit schützt. Auf diese Weise lassen sich für cptirche Zwecke brauchbare Siliciumformkcrper herstellen. Jedoch ist der apparative Aufwand sehr groß, da die .Abkühlung der Graphitform nach einem Temperaturprogramm geregelt werden muß. Auch kann die in der Quarzvranne vorgegebene Siliciumschmelze nicht vollständig in Formteile umgesetzt v/erden, ™ so daß Siliciumverluste auftreten. Zudem zerbricht die .Quarzwanne beim Erstarren des restlichen Siliciums (Runyan, Silicon Semi Conductor -Technology, New York, 1965 Seiten 17 - 27).

Es wurde nun ein Verfahren zum Herstellen von Siliciumformkörpern durch Aufschmelzen vor. reinem Silicium mittels induktiver Beheizung in einer gekühlten Form unter Inertgasschutz und anschließender Abkühlung der Schmelze gefunden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die mit Silicium in Berührung kommende Oberfläche der Form mit einem Formkörper aus gesinterter Quarzwolle und/oder gesintertem Quarzsand bedeckt wird.

Durch diese Formkörper aus gesinterten QuaJ?z teilchen wird eine Dotierung durch das Former-material verhindert. Zudem nimmt dieses elastische Material die an den Grenzflächen durch die Abkühlung auftretenden mechanischen Spannungen auf. Der hergestellte Siliciumkörper wird mit der Qu?rzpräpar-ation aus der Form entnommen. D^bei ist überraschend, daß sich die Quarzpräparation im Gegensatz zu einem Cu?rztiegel leicht von der Oberfläche des Siliciumkörpers entfernen läßt.

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"beispielsweise "bei Formen ans Metallen, wie Kupfer und Silber ein größerer, bei Quarz- oder Aluminiumoxid ein kleinerer Gradient auf.

Die Form wird in allgemeinen mit Wasser gekühlt, jedoch sind auch andere ICühlflüssiglreiten geeignet. Die Beheizung bzw. das Aufschmelzen des Siliciums erfolgt durch induktive Heizung, wobei oftmals eine wassergekühlte Hochfrequenzspule aus Kupfer eingesetzt wird.

In welchem Körnungsgrad das Silicium vorgegeben wird, ist nicht von Bedeutung, ',jedoch muB es einen sehr hohen Reinheitsgrad, aufweisen. Die gesamte Siliciumnenge v/ird zuerst aufgeschmolzen und sodann langsam, abgekühlt. Beispielsweise kann dabei die Abkühlung durch Verringerung der vorgegebenen Hochfrequensleistung erfolgen. Vorteilhafter ist es jedoch die Form mit der Schmelze langsam aus der induktiv beheizten Zone zu entfernen. Dabei haben sich Geschwindigkeiten γόη 0,5 bis 2 mm/min, als günstig erwiesen.

Als Inertgasschutz werden vcr allem Wasserstoff und die Edelgase oder Gemische aus den genannten Gasen, vorzugsweise ein Gemisch aus etwa "G Vol-ί Wasserstoff und 90Vol% Argon eingesetzt. Dabei v/ird vornehmlich bei Normaldruck oder nicht wesentlich darüber gearbeitet. Jedoch ist das Arbeiten unter reduziertem Druck auch möglich.

Die erfindungsgemä.? hergestellten Siliciumkör^er können die unterschiedlichsten Formen aufweisen. So sind beispielsweise Scheiben, Tiegel, zylindrische Barren odor Halbkugel— schalen herstellbar. Soll, wie etws bei den Halbkugelschalen der Siliciumformkörper von einer Spite-her ausgehöhlt sein, so kann dies in einfacher Vc-ipe dadurch erreicht werden,

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daß von oben in die Siliciumschrielze ein dem Hohlraum entsprechend geformter Stempel eingetaucht wird. Dieser Stempel wird nicht gekühlt, vorzugsweise beheizt und ist gegebenenfalls auch nit einen Formkörper aus Quarz.wolle und/oder Quarzsand bedeckt.

Die Beheizung des Stempels bewirkt, daß nur von der gekühlten Form aus die Kristallisation des Siliciums beginnt und nicht das Wachstum der Kristalle aus zwei Richtungen erfolgt. Dies wäre für die Infrarotdurchlässigkeit der Siliciumkörper nachteilig.

Die Zeichnung stellt"im Querschnitt schematisch den Aufbau einer Apparatur dar, wie sie beispielsweise für das erfindungsgemäße Verfahren verv/endet werden kann.

Ein Schmelzgefäß in Kalbkugelform aus Quarzglas 1 wird · von unten durch strömendes Wasser gekühlt. Der Wasserein— tritt befindet sich bei 2, der Wasseraustritt bei 3. In- die halbkugelförmige Quarzform ^Λ ist eine der Tiegelform angepaßte Schale aus gesinterter Quarzwatte 4 eingesetzt; In diesem Einsatz befindet sich die Siliciumschmelze ^, Jn die Siliciumschmelze taucht von oben ein halbkugelförmiger Stempel aus Quarzglas 6 ein, der ebenfalls mit einer Auflage aus gesinterter Quarzwatte 7 versehen ist. Das Schmelzgefäß 1" ist von einer; Quarzrohr 9 tun-" geben, in dem sich das Schutzgas befindet. Die Beheizung erfolgt durch -eine wassergekühlte Hechfrequenzspule aus Kupferrohr 8, die das Schmelzgefäß ^Λ umgibt.

-Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Silicium- formkörper zeigen die für Silicium theoretisch mögliche Infrarotdurchlässigkeit, beispielsweise 5^ % bei einer Wellenlänge von 6 /^-und lassen sich daher als Eintrittsfenster oder Linsen für Strahlung?empfänger im Infrarot-,

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Spektralbereich verwenden, beispielsweise in ITachüichtgeräten.

BeisDiel

Herstellung der Formkörper aus gesinterter Quarzwolle

In einer runden Form aus Elektrogr&phit wird nit einem dazu passenden Stempel aus SlektroerraDhit Quarzwolle eingepreßt und unter einen Druck von 0,1 kg/cm~ bei einer Temperatur von 1 500 G während '? Minuten gesintert. Es entsteht eine Schale aus Cuarzpräparation, die in den Quarzglastiegel 2, gemäß Zeichnung, paßt. In gleicher Weise wird für dem Stempel 6 eine 3edecl:ung sus Quarzwatte hergestellt.

Herstellung einer sus Silicium bestehenden Halbkugelschale

Es wird in der Apparatur gemäß Zeichnung gearbeitet. In den Formkörper aus gesinterter -uarzwatte 4- des Tiegels 1 wird k geäztes hochreines Silicium (22 g) in Form von Bruchstücken der Körnung 5 bis 20 nm. in einer Atmosphäre von 760 Torr (10 Vol.% Wasserstoff und 90 Vol.% Argon) aufgeschmolzen. Die Temperatur des geschmolzenen Siliciuns wird knapp über dem Schmelzpunkt eingestellt. Anschließend werden die Form 1 und die Quarzforn 6 gleichmäßig mit einer Geschwindigkeit von ^cn/nin. aus der induktiv beheizten Zone abgesenkt (Dauer etwa ^O Minuten). Die erstarrte und abgekühlte Siliciunhalbkugelschale wird mit dem anhaftenden Quarzpräparaticnen 4- und 7 aus dem Schmelztiegel herausgehoben. Sie hat einer. Außendurchrresser von 40 mm und einen Innendurchmesser von *0 mm lind eine Picke von 5 mm. Die Guarznränarartionen ¹assen sich leicht ohne

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Beschädigung des Silicitraifornkb'rpers mechanisch entfernen. Die Schmelzform 1 sowie der Stempel 6 hatten keinen Kontakt mit der oiliciTiEischinelze -und kennen daher-wieder verwendet werden. Das Silicium wird "CC;5iR ausgenützt. Es ■■ entsteht eine Halbkugelschale, deren Transmission im infraroten Spektralbereich die maximalen Werte des Heinstsilierreicht.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Siliciumformkcrpern, durch Aufschmelzen von reinen Silicium mittels induktiver Beheizung, in einer gekühlten Form unter Inertgasschutz und anschließender Abkühlung der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Silicium in Berührung kennende Oberfläche der Form mit einem Formkörper aus gesinterter Quarzwolle und/oder gesinterten Quarzsand bedeckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von einseitig ausgehöhlten Siliciunformlcörpern von oben her ein beheizter,den Hohlraum entsprechend geformter Stempel in die Siliciumschmelze eingetaucht und dieser gegebenenfalls mit einem Formkörper aus Quarzwolle und/oder Quarzsand bedeckt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form mit der Schmelze gegebenenfalls zusammen mit dem Stempel mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2 mm/min, aus der induktiv beheizten Zone entfernt wird.

4-. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Quarswolle und/oder Quarzsand eine Wandstärke von 0,5 bis 2 mm besitzt.

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