EP0690661A1 - Heizelement zum Beheizen von Schmelztiegeln - Google Patents

Heizelement zum Beheizen von Schmelztiegeln Download PDF

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EP0690661A1
EP0690661A1 EP95109670A EP95109670A EP0690661A1 EP 0690661 A1 EP0690661 A1 EP 0690661A1 EP 95109670 A EP95109670 A EP 95109670A EP 95109670 A EP95109670 A EP 95109670A EP 0690661 A1 EP0690661 A1 EP 0690661A1
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hollow body
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/02—Ohmic resistance heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces

Definitions

  • the invention described below relates to a heating element used for heating crucibles.
  • Figure 1a shows a longitudinal section
  • Figure 1b shows the cross section through a known heating element of this type. It has the shape of a cylindrical hollow body (1).
  • the heating element is usually made of graphite and is required, for example, for the production of crucible-drawn single crystals from semiconductor material.
  • the cylindrical hollow body is cut at intervals by slots (2), which alternate from the upper or lower edge of the hollow body and lead to the opposite edge, but without reaching it.
  • the slots divide the hollow body into individual, interconnected segments, which are referred to as meanders (3).
  • Each meander is partially separated by a slot into a left and a right half of the meander (3a).
  • In the area of the lower edge of the heating element there are at least two power supply lines (4) to which an electrical power source can be connected.
  • the diameter of the heating element can be reduced towards the lower edge of the hollow body, so that the heating element is adapted to the shape of the crucible to be heated Vessel is formed. Embodiments with a constant diameter are shown in the figures.
  • the upper edge of the heating element protrudes beyond the upper edge of the crucible, so that the contents of the crucible are heated as evenly as possible by the heat radiation emitted by the heating element.
  • the edge of the heating element protruding beyond the crucible edge is particularly affected, since under certain doping conditions molten material can spray out of the crucible.
  • semiconductor material that leaves the crucible in the gaseous state condenses out again preferably on the edges of the heating element.
  • these deposits can react with the graphite of the heating element to form carbide phases which generate stresses in the heating element due to different coefficients of thermal expansion. These tensions are often relieved by parts splintering off the heating element and falling into the crucible during crystal growth. There they significantly disrupt the dislocation-free growth of the single crystal. In particularly unfavorable cases, crystal growth must even be stopped due to such an incident. The repeated chipping of parts of the heating element also greatly reduces its operating time, so that it must be replaced with a new one earlier.
  • a further impairment of the trouble-free crystal growth and the operating time of the heating element results from electrical flashovers, which accumulate because semiconductor material also condenses particularly in the area of the lower edge of the heating element and thereby the slot width between the meanders and / or the distance of the heating element to adjacent system parts is reduced.
  • the object was therefore to develop an improved heating element which is less susceptible to wear and which is more suitable for growing single crystals.
  • a heating element for heating crucibles consisting of a cylindrical hollow body (5), which is divided by slots (6) into meandering segments, characterized in that the transitions between the side surfaces of the meanders (7) are rounded.
  • FIG. 2a shows an enlarged detail from FIG. 2b.
  • the cylindrical hollow body (5) is cut through vertical slots (6), which alternate from the upper and lower edge and lead towards the opposite edge, so that the typical shape of meanders (7) arranged side by side is created (Fig. 2a ).
  • current leads (8) are brought to the meanders at at least two points.
  • the power supplies are connected to an electrical power source during operation of the heating element.
  • each meander The transitions between two side surfaces of each meander are rounded with the radius r, so that the meanders are free from edges and corners (FIG. 2c).
  • the circumferential lines (9) of the cut surfaces in the area of the upper or lower edge of the hollow body (5) are rounded in an arc (FIG. 2a). This gives the Edge contours a rosette-like appearance.
  • the radius of curvature R of the rounding is preferably the same or approximately the same as the cross-sectional length L of a meander half (7a).
  • the circumferential lines (10) of the cut surfaces have only straight or curved portions (FIG. 2b).
  • a shaped body of a suitable size for example a graphite block or a graphite cylinder
  • a mechanical shaping for example by piercing, cutting, grinding, milling or the like.
  • a cylindrical hollow body is produced from a solid molded body.
  • the hollow body is then provided with the appropriate slots and divided into meandering segments in this way.
  • the angular transitions between abutting side surfaces of the meanders are rounded and so much material is removed in the area of the upper or lower edge of the hollow body that the longitudinal cut surfaces are given the intended rounded shape by the meanders.
  • an edge is also considered to be rounded if the mechanical processing is carried out by a computer-controlled processing tool which produces curved surfaces which, if the resolution is sufficiently high, can be recognized as step-like level changes.
  • the heating element according to the invention is used with particular advantage as an electrical resistance heater for heating crucibles in the production of single crystals from semiconductor material, preferably silicon.
  • Heating elements with the features according to the invention are characterized in that they produce a heating zone with a particularly uniform temperature profile. Due to their use in pulling single crystals out of semiconductor material, there are less frequent disturbances of crystal growth, which are directly or indirectly due to malfunctions of the heating element. Their use increases the yields, based on the achievable length of dislocation-free single crystal. In addition, according to initial tests, the average operating times after which a heating element has to be replaced on average are more than twice as long as with conventional heating elements.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizelement zum Beheizen von Schmelztiegeln, bestehend aus einem zylinderförmigen Hohlkörper, der durch Schlitze in meanderförmige Segmente geteilt ist. Um ein verbessertes Heizelement zu entwickeln, das weniger verschleißanfällig ist und das zur Zucht von Einkristallen geeigneter ist, wird vorgeschlagen, die Übergänge zwischen den Seitenflächen der Meander zu runden.

Description

  • Die nachstehend beschriebene Erfindung betrifft ein Heizelement, das zum Beheizen von Schmelztiegeln verwendet wird.
  • Figur 1a zeigt einen Längsschnitt, Figur 1b den Querschnitt durch ein bekanntes Heizelement dieser Gattung. Es hat die Form eines zylinderförmigen Hohlkörpers (1). Das Heizelement ist in der Regel aus Graphit gefertigt und wird beispielsweise zur Herstellung von tiegelgezogenen Einkristallen aus Halbleitermaterial benötigt. Der zylinderförmige Hohlkörper ist in Abständen durch Schlitze (2) eingeschnitten, die alternierend vom oberen oder unteren Rand des Hohlkörpers ausgehen und zum jeweils gegenüberliegenden Rand führen, ohne diesen jedoch zu erreichen. Die Schlitze teilen den Hohlkörper in einzelne, miteinander verbundene Segmente auf, die als Meander (3) bezeichnet werden. Jeder Meander ist durch einen Schlitz teilweise in eine linke und eine rechte Meanderhälfte (3a) getrennt. Im Bereich des unteren Randes des Heizelementes sind mindestens zwei Stromzuführungen (4) angebracht, an die eine elektrische Stromquelle angeschlossen werden kann.
  • Der Durchmesser des Heizelementes kann zum unteren Rand des Hohlkörpers hin verringert sein, so daß das Heizelement wie ein an die Form des zu beheizenden Schmelztiegels angepaßtes Gefäß ausgebildet ist. In den Figuren sind Ausführungsformen mit gleichbleibendem Durchmesser gezeigt.
  • Üblicherweise ragt der obere Rand des Heizelementes über den oberen Rand des Schmelztiegels hinaus, damit der Tiegelinhalt möglichst gleichmäßig durch die vom Heizelement abgegebene Wärmestrahlung aufgeheizt wird. Bei der Züchtung von Einkristallen aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silicium, ist häufig zu beobachten, daß geschmolzenes Halbleitermaterial aus dem Tiegel an die Oberläche des Heizelementes gelangt. Der über den Tiegelrand hinausragende Rand des Heizelementes ist davon besonders betroffen, da unter bestimmten Dotierungs-Bedingungen schmelzflüssiges Material aus dem Tiegel spritzen kann. Darüber hinaus kondensiert Halbleitermaterial, das den Tiegel in gasförmigem Zustand verläßt, bevorzugt auf den Rändern des Heizelementes wieder aus. Diese Ablagerungen können, wie im Fall von Silicium, mit dem Graphit des Heizelementes zu carbidischen Phasen reagieren, die wegen unterschiedlicher Wärmeausdehnungs-Koeffizienten Spannungen im Heizelement erzeugen. Diese Spannungen losen sich häufig dadurch, daß Teile vom Heizelement absplittern und während der Kristallzucht in den Schmelztiegel fallen. Dort stören sie das versetzungsfreie Wachstum des Einkristalls erheblich. In besonders ungünstigen Fällen muß sogar die Kristallzüchtung wegen eines solchen Vorfalles abgebrochen werden. Durch das wiederholte Absplittern von Teilen des Heizelementes wird auch dessen Betriebsdauer stark herabgesetzt, so daß es früher gegen ein Neues ausgetauscht werden muß. Eine weitere Beeinträchtigung der störungsfreien Kristallzucht und der Betriebsdauer des Heizelementes resultiert durch elektrische Überschläge, die sich häufen, weil Halbleitermaterial auch besonders im Bereich des unteren Randes des Heizelementes auskondensiert und dabei die Schlitzbreite zwischen den Meandern und/oder den Abstand des Heizelementes zu benachbarten Anlagenteilen verringert.
  • Es bestand deshalb die Aufgabe, ein verbessertes Heizelement zu entwickeln, das weniger verschleißanfällig ist und das zur Zucht von Einkristallen geeigneter ist.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch ein Heizelement zum Beheizen von Schmelztiegeln, bestehend aus einem zylinderförmigen Hohlkörper (5), der durch Schlitze (6) in meanderförmige Segmente geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen den Seitenflächen der Meander (7) gerundet sind.
  • Ein Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den Figuren 2a (im Längsschnitt) und 2b (im Querschnitt) dargestellt. In Figur 2c ist ein Ausschnitt aus Figur 2b vergrößert wiedergegeben.
  • Der zylinderförmige Hohlkörper (5) ist durch senkrechte Schlitze (6), die alternierend vom oberen und unteren Rand ausgehen und in Richtung zum jeweils gegenüberliegenden Rand führen, eingeschnitten, so daß die typische Form von nebeneinander angeordneten Meandern (7) entsteht (Fig.2a). Im unteren Randbereich des Hohlkörpers sind an mindestens zwei Stellen Stromzuführungen (8) an die Meander herangeführt. Die Stromzuführungen sind während des Betriebes des Heizelementes an eine elektrische Stromquelle angeschlossen.
  • Die Übergänge zwischen zwei Seitenflächen jedes Meanders sind mit dem Radius r gerundet, so daß die Meander frei von Kanten und Ecken sind (Fig. 2c). Im Längsschnitt durch die Meander (7) sind die Umfangslinien (9) der Schnittflächen im Bereich des oberen, beziehungsweise unteren Randes des Hohlkörpers (5) bogenförmig gerundet (Fig.2a). Dies verleiht den Randkonturen ein rosettenförmiges Aussehen. Der Krümmungsradius R der Rundung ist vorzugsweise gleich oder annähernd gleich der Querschnittslänge L einer Meanderhälfte (7a). Im Querschnitt durch die Meander weisen die Umfangslinien (10) der Schnittflächen ausschließlich gerade oder gekrümmte Anteile auf (Fig.2b).
  • Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Heizelementes wird ein Formkörper geeigneter Größe, beispielsweise ein Graphitblock oder ein Graphitzylinder einer mechanischen Formgebung, beispielsweise durch Stechen, Schneiden, Schleifen, Fräsen oder dergleichen, unterworfen. Zunächst wird aus einem massiven Formkörper ein zylinderförmiger Hohlkörper hergestellt. Der Hohlkörper wird anschließend mit den entsprechenden Schlitzen versehen und auf diese Weise in meanderförmige Segmente unterteilt. Schließlich werden die kantigen Übergänge zwischen aneinanderstoßenden Seitenflächen der Meander gerundet und im Bereich des oberen, beziehungsweise unteren Randes des Hohlkörpers soviel Material entfernt, daß die Längsschnittflächen durch die Meander die vorgesehene, gerundete Form erhalten. Eine Kante gilt im Sinne der Erfindung auch dann als gerundet, wenn die mechanische Bearbeitung durch ein rechnergesteuertes Bearbeitungswerkzeug erfolgt, das gekrümmte Flächen erzeugt, die, bei genügend hoher Auflösung, als stufenförmige Niveauänderungen erkannt werden können.
  • Mit den notwendigen Stromzuführungen versehen wird das erfindungsgemäße Heizelement mit besonderem Vorteil als elektrische Widerstandsheizung zum Beheizen von Schmelztiegeln bei der Herstellung von Einkristallen aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silicium, verwendet.
  • Heizelemente mit den erfindungsgemäßen Merkmalen zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine Heizzone mit besonders gleichmäßigem Temperaturprofil erzeugen. Durch ihre Verwendung beim Ziehen von Einkristallen aus Halbleitermaterial kommt es seltener zu Störungen des Kristallwachstums, die direkt oder indirekt auf Fehlfunktionen des Heizelementes zurückzuführen sind. Durch ihre Verwendung steigen die Ausbeuten, bezogen auf die erzielbare Länge an versetzungsfreiem Einkristall, an. Darüber hinaus sind auch die mittleren Betriebszeiten, nach denen ein Heizelement im Durchschnitt ausgewechselt werden muß, ersten Versuchen zufolge mehr als doppelt so lange, als bei herkömmlichen Heizelementen.

Claims (5)

  1. Heizelement zum Beheizen von Schmelztiegeln, bestehend aus einem zylinderförmigen Hohlkörper (5), der durch Schlitze (6) in meanderförmige Segmente geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen den Seitenflächen der Meander (7) gerundet sind.
  2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslinien (9) der Schnittflächen durch die Meander (7) im Längsschnitt im Bereich des oberen, beziehungsweise unteren Randes des Hohlkörpers (5) mit einem Krümmungsradius R gerundet sind, der gleich oder annähernd gleich der Querschnittslänge L einer Meanderhälfte (7a) ist.
  3. Heizelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslinien (10) der Schnittflächen durch die Meander (7) im Querschnitt ausschließlich gerade oder gekrümmte Anteile aufweisen.
  4. Heizelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meander (7) aus Graphit gefertigt sind.
  5. Verwendung des Heizelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Beheizen eines Schmelztiegels bei der Züchtung von Einkristallen aus Halbleitermaterial, insbesondere Silicium.
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