DE2646299C2

DE2646299C2 - Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Siliciumformkörper

Info

Publication number: DE2646299C2
Application number: DE19762646299
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Phys. 8263 Burghausen Authier; Leonhard 8261 Kirchheim Schmidhammer; Josef 8262 Haiming Wagner
Original assignee: Wacker Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 1976-10-14
Filing date: 1976-10-14
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE2646299A1; GB1564658A; FR2367559A1; JPS5366823A; FR2367559B1; JPS5536426B2

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Siliciumformkörper durch Eingießen einer Siliciumschmelze in eine der äußeren Form des herzustellenden Siliciumformkörpers entsprechende, gekühlte Hohlform.

Derartige rotationssymmetrische Siliciumhohlkörper, insbesondere Halbkugelschalen aus Silicium, werden für optische Zwecke aufgrund der hohen Infrarotdurchlässigkeit des Siliciums benötigt. Um zumindest angenähert die theoretisch für Silicium mögliche Infrarotdurchlässigkeit zu erhalten, müssen solche Siliciumformkörper neben hoher Reinheit des verwendeten Siliciums aus grobkristallinen Kristallbereichen, die in dem Formkörper weitgehend senkrecht zur Oberfläche angeordnet sind, aufgebaut sein.

Es ist bekannt, Silicium in einem wassergekühlten Kupfertiegel durch induktive Beheizung aufzuschmelzen und dann langsam abzukühlen. Ein solcher Art hergestellter Siliciumformkörper wird durch Verunreinigung mit Kupfer für optische Zwecke aber unbrauchbar. Besteht der Tiegel zum Aufschmelzen des Siliciums dagegen aus Graphit, Quarz oder Siliciumnitrid, so findet eine Benetzung des Tiegels durch das darin erschmolzene Silicium statt, wodurch beim Abkühlen die Form wie auch der Siliciumformkörper zerstört werden.

Ein anderes Verfahren gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 20 09 459 verwendet daher gekühlte Formen deren mit Silicium in Berührung kommende Oberfläche mit gesinterter Quarzwolle und/oder gesintertem Quarzsand bedeckt ist Das Silicium wird in der Form aufgeschmolzen und anschließend durch Absenken aus der induktiv beheizten Zone abgekühlt Bei diesem Verfahren treten bei größeren Siliciumformkörpern Schwierigkeiten auf, weil bis zum völligen ίο Aufschmelzen der gesamten Siliciummenge die präparierte Schmelzform lange mit geschmolzenem Silicium in Kontakt ist und dadurch die Schutzschicht aus gesinterter Quarzwolle und/oder Quarzsand zerstört wird.

Bei dem Verfahren gemäß der deutschen Patentschrift 22 44 211 wird dieser Nachteil dadurch überwunden, daß die Siliciumschmelze in eine dem herzustellenden Siliciumformkörper entsprechende Hohlform, die ganz oder zum Teil aus Graphit oder aus durch pyrolytische Inporbeschichtung verdichtetem Graphit, aus gesinterter Quarzwolle oder gesintertem Quarzsand oder gesintertem Siliciumnitrid besteht, gegossen wird. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das Kristallwachstum auch in gewissem Ausmaß vom Stempel bzw. der inneren Kokillenbegrenzung nach innen voranschreitet. Diese Infrarotdurchlässigkeit negativ beeinflussende Schicht muß nachträglich wieder abgeschliffen werden.

Aufgab·: der Erfindung war es daher, ein Verfahren zu Finden, nach welchem sich rotationssymmetrische Siliciumhohlkörper mit hoher Infrarotdurchlässigkeit ohne die Nachteile bekannter Verfahren herstellen lassen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Hohlform während des Eingießens der Siliciumschmelze um ihre senkrechte Achse mit 500 bis 900 Umdrehungen pro Minute gedreht und durch Kühlung auf einer Temperatur von 500 bis 1200⁰C gehalten wird.
Die Umdrehungsgeschwindigkeit ist dabei abhängig von der Form der herzustellenden Siliciumkörper, d. h. bei der Herstellung relativ flacher Schalen sind erheblich geringere Umdrehungsgeschwindigkeiten erforderlich als bei Halbkugeln oder gar einseitig geschlossenen Hohlzylindern oder Rohren.

Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Wandstärke von kalottenförmigen Siliciumkörpern hat es sich als günstig erwiesen, die Siliciumschmelze in mehreren, zeitlich separierten Stufen in die Hohlform einzugießen, so wobei mit jeder Stufe die Umdrehungsgeschwindigkeit der Hohlform erhöht wird. Die in der Optik besonders nachgefragten halbkugelförmigen Siliciumkörper mit senkrecht zur Oberfläche ausgeprägter Kolumnatstruktur, und damit guter Infrarotdurchlässigkeit, lassen sich beispielsweise vorteilhaft durch Eingießen in zwei Stufen herstellen. In der ersten Stufe werden etwa 15 bis 45 Gewichtsprozent der Siliciumschmelze in die auf einer Temperatur von vorzugsweise 800 bis 1200⁰C gehaltene und mit etwa 60 bis 120 Umdrehungen pro Minute gedrehte Hohlform gegossen. Hierdurch bildet sich der Boden des herzustellenden kalottenförmigen Siliciumkörpers sehr schnell aus und es kommt zu keiner Benetzung zwischen Silicium und dem verwendeten Hohlkörpermaterial, beispielsweise Graphit, inporbeschichtetem Graphit oder Siliciumnitrid. Erst in einer zweiten Stufe werden etwa 60 bis 120 Sekunden später die restlichen 55 bis 85 Gewichtsprozent der Siliciumschmelze in die Hohlform nachgegossen, wobei die

Umdrehungsgeschwindigkeit der weiterhin auf einer Temperatur von vorzugsweise 800 bis 1200⁰C gehaltenen Hohlform auf 150 bis 200 Umdrehungen pro Minute gesteigert wird. Hierdurch steigt das schmelzflüssige Silicium an den Wänden der Hohlform hoch und erstarrt unter der Ausbildung eines entsprechend halbkugelförmigen Körpers.

Das Verfahren hat den großen Vorteil, daß der kostspielige innere Formteil (Stempel) bekannter Verfahren eingespart werden kann. Außerdem werden Verunreinigungen und Gasbläschen durch die von außen nach innen wandernde Kristallisationsfront aus dem Formkörper ausgetragen. Bei den bekannten Verfahren treten dagegen auch beim Erstarren innerhalb eines Temperaturgradienten immer zwei — wenn auch mit untersch^:edlicher Geschwindigkeit aufeinanderzuwandemde — Kristallisationsfronten auf, zwischen denen beim Erstarren Verunreinigungen und häufig Gasbläschen im Siliciumkörper eingeschlossen werden, wodurch die Infrarotdurchlässigkeit vermindert wird.

Anhand der schematischen Darstellung wird das Verfahren beispielhaft dargestellt:

In einen mit einem Ausguß versehenen Schmelztiegel 1, aus beispielsweise Quarzgut, der sich wie die gesamte Apparatur in einem rohrförmigen, gasdichten Rezipienten befand, von dem in der Zeichnung lediglich die von mehrwandigen Induktionsheizspulen 2 umgebene Außenwandung 3 dargestellt ist, wurden 750 g reines Silicium in kompakten Stücken eingefüllt Anschließend wurde die Luft aus dem Rezipienten verdrängt und das Silicium unter einem Argondruck von 20 Torr, wobei der Druck allgemein unkritisch ist, da gleichermaßet: auch unter Vakuum oder höheren Inertgasdrücken gearbeitet werden könnte, induktiv aufgeschmolzen. Die Schmelze wurde auf einer Temperatur von 1450°C gehalten, wobei ganz allgemein eine Temperatur von 1420 bis 1600° C, vorzugsweise 1430 bis 1480⁰C zweckmäßig eingehalten werden muß.

Der Schmelztiegel 1, der in seiner Halterung 4 schwenkbar montiert ist, wurde anschließend soweit gekippt, daß etwa ein Viertel der Schmelzmenge in den unter dem Schmelztiegel 1 befindlichen Quarztrichter 5 ausfloß, der in einen, auf Kohlestützen 6 aufstehenden und induktiv beheizten Graphitblock 7 eingepaßt war und ebenfalls eine Temperatur von etwa 1450⁰C aufwies, so daß keine Gefahr bestand, daß das flüssige Silicium im Trichter 5 erstarren könnte.

Über den Trichter 5 floß das Silicium in die halbkugelförmige (Radius 75 mm) Hohlform 8 aus Graphit, welche durch Kühlung auf eine Temperatur von etwa 900⁰C gehalten wurde, während sie um die zentrale Achse mit etwa 100 Umdrehungen pro Minute rotierte.

Die Temperatureinstellung in der Hohlform 8 erfolgte durch Wärmeeinstrahlung von dem darüber befindlichen Graphitblock 7 und gleichzeitige Kühlung der Podenfläche. Zur Kühlung der Bodenfläche wurde durch die als koaxiales Doppelrohr ausgebildete Antriebswelle 9 im inneren Rohr Kühlwasser hochgepumpt, das unter Aufnahme von Wärmeenergie aus dem zwecks guter Wärmeleitfähigkeit aus Metall gefertigtem Kontaktraum 10 im Boden der Hohlform 8 über den Außenmantel der Antriebswelle 9 wieder abfloß. Eine Regulierung der Hohlformtemperatur ließ sich durch den Kühlwasserdruck dabei leicht vornehmen.

Bei den niedrigen Umdrehungszahlen stieg die Schmelze aus dem Boden der Hohlform 8 nur etwa bis auf die halbe Höhe der Kalotte an den Wänden hoch und erstarrte sehr schnell ohne Benetzung mit dem Graphit der Hohlform.

Etwa 90 Sekunden später wurde die Umdrehungsgeschwindigkeit der Hohlform 1 auf 180 Umdrehungen pro Minute gesieigert und durch Kippen des Schmelztiegels 1 der Rest der Siliciumschmelze über den Trichter 5 in die Hohlform 8 gegossen. Die Schmelze stieg an der Hohlforminnenwandung bis fast an den Rand empor und erstarrte, wobei das für gute Infrarotdurchlässigkeit erforderliche gerichtete Erstarren durch den Temperaturgradienten gewährleistet wurde, der sich weitgehend senkrecht zur Oberfläche der Hohlform 8 dadurch einstellte, daß die Hohlform 8 von unten gekühlt wurde, während von oben durch den beheizten Graphitblock 7 Wärme eingestrahlt wurde.

Nach etwa 180 Sekunden wurde die Drehung der Hohlform 8 abgeschaltet, ebenso wie die Induktionsheizung, während die Wasserkühlung der Hohlform 8 so lange aufrechterhalten wurde, bis die Temperatur auf etwa 600° C abgesunken war.

Anschließend wurde die Hohlform 8 auf Kohlesteher 11 abgesenkt und die Kühlung nebst Weile 9 abgezogen und der gesamte Komplex gleichmäßig, langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.

Der halbkugelförmige 50 mm hohe und 8 mm dicke Siliciumkörper wurde der Form entnommen und die Oberkante und die Innenfläche kurzzeitig glattgeschliffen.

Mit einer Strukturätze konnte die Kolumnarstruktur aus von außen nach innen senkrecht zur Oberfläche gewachsenen einkristallinen Bezirken sichtbar gemacht werden. Die Infrarotdurchlässigkeit lag über 50 Prozent.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Siliciumformkörper durch Eingießen einer Siliciumschmelze in eine der äußeren Form des herzustellenden Siliciumformkörpers entsprechende, gekühlte Hochform, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform während des Eingießens der Siliciumschmelze um ihre senkrechte Achse mit 50 bis 500 Umdrehungen pro Minute gedreht und durch Kühlung auf einer Temperatur von 500 bis 1200⁰C gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumschmelze in mehreren Stufen eingegossen und mit jeder Stufe die Umdrehungsgeschwindigkeit der Hohlform erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe 15 bis 45Gew.-% der Siliciumschmelze und in einer zweiten Stufe die restlichen 55 bis 85 Gew.-°/o der Siliciumschmelze eingegossen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform während und nach dem Eingießen der Schmelzmenge der ersten Stufe mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 120 Umdrehungen pro Minute gedreht wird und die Drehgeschwindigkeit beim Eingießen der restlichen Schmelzmenge in der zweiten Stufe bis auf 150 bis 200 Umdrehungen pro Minute gesteigert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform durch Kühlung auf einer Temperatur von 800 bis 1200⁰C gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzmenge der zweiten Stufe 60 bis 180 Sekunden nach dem Eingießen der Schmelzmenge der ersten Stufe eingegossen wird.