Die Erfindung betrifft allgemein das Kristallziehen und
näherhin die Herstellung von Körpern aus kristallinen
Materialien aus einer flüssigen Schmelze zur Verwendung für
die Herstellung von Solarzellen und anderen
Festkörperanordnungen.
Man kennt heute verschiedene Techniken zum Ziehen von
Kristallkörpern aus einer Schmelze. Ein derartiges
Verfahren, das sich zum Ziehen derartiger Kristallkörper als
recht erfolgreich erwiesen hat, ist das Ziehen aus einem
randkantenbegrenzten nachgefüllten Schmelzefilm, das
gewöhnlich (und in der nachfolgenden Beschreibung) als
"EFG"-Verfahren ("edge-defined film-fed growth process")
bezeichnet wird. Dieses Verfahren ist in der
US-Patentschrift 3 591 348 beschrieben und auch Gegenstand vieler
nachfolgender Patente. Nach diesem Verfahren lassen sich
Kristallkörper aus Silizium oder einem anderweitigen
Material wie beispielsweise alpha-Aluminiumoxid (Saphir),
Spinell, Chrysoberyll, Bariumtitanat, Lithiumniobat und
Yttrium-Aluminium-Granat ziehen.
Kristallkörper wurden in verschiedenartigsten Formen wie
beispielsweise Stäben, Rohren und flach-ebenen Bändern
gezogen. Als rohrförmige Körper wurden solche mit
verschiedenartigen Querschnittsformen einschließlich
kreisförmigem, Vieleck- oder ovalem Querschnitt gezogen.
Vergleiche hierzu beispielsweise die US-Patentschrift
3 687 633, welche Apparaturen zum Ziehen von Stäben,
Rohren mit kreisförmigem Querschnitt sowie von Bändern
betrifft, sowie die US-Patentschrift 4 036 666, welche
Rohrkörper mit ovaler Querschnittsform betrifft. Des
weiteren die US-Patentschrift 4 230 674 (Rohrkörper mit
kreisrundem Querschnitt) und DE 3 228 037 (Rohrkörper
mit polygonalem Querschnitt).
Im einzelnen findet bei dem EFG-Verfahren ein
"Schmelztiegel-Formgebungsteil"-Aggregat Anwendung, das
typischerweise ein Schmelztiegelteil zur Aufnahme der
Kristallmaterialschmelze bei einer über dem Schmelzpunkt des
Materials liegenden Temperatur sowie ein teilweise in den
Schmelztiegelteil eingetauchtes Kapillar-Formgebungsteil
umfaßt. Das Kapillar-Formgebungsteil weist einen oder
mehrere Kanäle von Kapillar-Abmessung auf, der bzw. die
eine Strömungsverbindung zwischen der Schmelze in dem
Schmelztiegelteil und der Oberseite des
Kapillar-Formgebungsteils bildet. Beim Ziehen von Kristallmaterial aus
einem Schmelztiegel-Formgebungs-Aggregat dieser Art wird
zunächst ein Kristallkeim so zur Berührung mit der
Formgebungsteiloberseite gebracht, daß genügend
Kristallmaterial an der Formgebungsteiloberseite schmelzen und in
die oberhalb der Schmelze in dem Schmelztiegel
befindlichen Teile der Kapillar-Kanäle gelangen kann.
Sodann wird der Kristallkeim mit einer konstanten
Geschwindigkeit von der Formgebungsteiloberseite abgezogen. Bei
diesem Abziehen des Kristallkeims wird die flüssige
Schmelze an der Formgebungsteiloberseite, d. h. der
Meniskus zwischen der Formgebungsteiloberseite und dem
sich bildenden erstarrten Kristallkörper, kontinuierlich
nachgefüllt, indem Schmelze durch Kapillarwirkung aus der
in dem Schmelztiegelteil unterhalb dem
Formgebungsoberteil befindlichen Vorratsschmelze durch die Kapillar-
Kanäle des Formgebungsteils zur Formgebungsteil-Oberseite hochgezogen wird. Die Form
des aus dem Formgebungsteil gezogenen Kristallkörpers
wird durch die Außen- oder Randkantenkonfiguration der
oberen Stirnseite des Formgebungsteils bestimmt, d. h.
durch die die Fläche der von der Schmelze benetzten
oberen Stirnseite des Formgebungsteils begrenzende obere
Stirnkante. So läßt sich beispielsweise ein hohler
zylindrischer Kristallkörper in der Weise ziehen, daß man
die obere Stirnfläche des Formgebungsoberteils mit einer
Öffnung gleicher Form wie der Querschnitt des hohlen
Teils des Körpers versieht, da der Nachfüll-Schmelzefilm
nicht zwischen den Außenkanten und den Innenkanten der
Oberseite derartiger Formgebungsteile unterscheidet; mit
der Maßgabe allerdings, daß die Ausnehmung in dem
Formgebungsoberteil genügend groß ist, daß der die Öffnung
umgebende Film nicht durch die Oberflächenspannung dazu
veranlaßt wird, sich über der Öffnung zu schließen.
Die Dicke der nach diesem Verfahren gezogenen jeweiligen
Kristallkörper ist eine Funktion der Temperatur an der
Formgebungsteiloberseite sowie auch der Geschwindigkeit,
mit welcher der Körper von der Formgebungsteiloberseite
abgezogen wird. Beispielshalber (und ohne einschränkende
Bedeutung) beträgt eine typische Temperatur der
Formgebungsteiloberseite beim Ziehen von Silizium etwa 1450°C,
und ein typischer Wert der Ziehgeschwindigkeit beträgt etwa 1,905 bis etwa 3,8 cm/min
(etwa 0,75 bis etwa 1,5 Zoll/Minute).
Anfänglich wurden Solarzellen zunächst allgemein in im
wesentlichen flach-ebener Bandform hergestellt. Bänder
zur Verwendung für Solarzellen müssen im wesentlichen
monokristallin, in Größe und Form einheitlich und im
wesentlichen frei von Kristalldefekten sein. Ein Problem
beim Ziehen von im wesentlichen flach-ebenen Bandkörpern
besteht jedoch darin, daß an der Formgebungsteiloberseite
herrschende Temperaturgradienten zu einem ungleichmäßigen
Wachstum führen und unerwünschte eingebaute Spannungen in
dem Körper bei seiner Erstarrung zur Folge haben.
In der bereits erwähnten US-Patentschrift 4 036 666
(Mlavsky) wird ein relativ kostengünstiges Verfahren zur
Herstellung von Bandmaterial mit Halbleiter-Reinheitsgrad,
beispielsweise aus Silizium, beschrieben, bei welchem
zunächst ein Rohr aus dem Halbleitermaterial mit einem
abgeflachten ovalen Querschnitt gezogen wird. Das Rohr wird
sodann in Längsrichtung zur Entfernung der gekrümmten
Seitenabschnitte aufgetrennt, derart, daß man getrennte
im wesentlichen flach-ebene Bänder erhält. Vorzugsweise
wird hierzu der zunächst gezogene Körper von abgeflacht-
ovalem Querschnitt zunächst an seiner Außenseite mit
einem herkömmlichen Photoabdeckermaterial wie
beispielsweise einem positiv arbeitenden Polymethylmethacrylat-
Photoabdeckmaterial überzogen. Sodann werden die die
breiten Seitenwandabschnitte bedeckenden Bereiche dieser
Abdeckschicht mit einem schmalen Lichtbündel so
belichtet, daß auf jedem Seitenwandungsabschnitt jeweils zwei
geradlinige, schmale, in Längsrichtung verlaufende
Bereiche des Photoabdeckmaterials belichtet und hierdurch in
ein Polymer von unterschiedlichem Molekulargewicht
umgewandelt werden. Sodann wird das Rohr in ein selektives
Lösungs- oder Ätzmittel eingetaucht wie beispielsweise
Methylisobutylketon, mit dem Ergebnis, daß die
nicht-belichteten Bereiche des Photoabdeckmaterials intakt
verbleiben, während die belichteten Bereiche weggelöst
werden, wodurch zwei schmale linienförmige Bereiche auf
jedem derartigen Seitenwandungsabschnitt freigelegt
werden. Sodann wird ein Silizium-Ätzmittel, beispielsweise
Kaliumhydroxid, auf das Rohr aufgebracht, derart, daß das
Rohr längs der genannten freigelegten Bereiche
aufgetrennt wird. Sodann werden in den in dieser Weise
erhaltenen bandförmigen Körpern die lichtelektrischen
Sperrschicht-Übergänge erzeugt.
Die US-Patentschrift 4 095 329 (Ravi) beschreibt ein
anderes Verfahren für kostengünstige Herstellung
bandförmiger Körper aus Silizium von Halbleiter-Reinheitsgrad.
Zunächst wird ein großer rohrförmiger Körper aus dem
Halbleitermaterial nach dem EFG-Verfahren gezogen. Sodann
wird in dem Rohrkörper ein lichtelektrischer Sperrschicht-
Übergang erzeugt und danach der Rohrkörper durch Ätzung
in seine einzelnen Abschnitte aufgetrennt.
Ein
Hauptvorteil der Vorgangsweise, bei welcher zunächst rohrförmige
Körper gezogen und diese Rohrkörper sodann zu Band- oder
bandähnlichen Körpern durch Ätzung aufgetrennt werden,
besteht in der Verringerung der Gestehungsstückkosten, d. h. der
Gestehungskosten pro Längeneinheit des bandförmigen
Produkts, insbesondere auch in der Einsparung an Ziehlänge (erforderliche
Ziehlänge bezogen auf die Erzeugung einer bestimmten
Länge an Bandmaterial), die man nach diesem Verfahren,
bei dem im wesentlichen mehrere Bänder gleichzeitig
gezogen werden, erhält. Des weiteren darf angenommen werden,
daß sich hierdurch die Probleme von Randstörungen
verringern, wie sie an direkt von einem Formgebungsteil
gezogenen Einzelbändern auftreten; es wird angenommen, daß
diese Randstörungs-Probleme durch die Form der Flüssig/Fest-
Grenzfläche an den Bandkanten beim Ziehen des Bandes
bedingt sind oder durch die Ansammlung von in der Schmelze
enthaltenen Unreinheiten in den den Bandkanten
benachbarten Bereichen. Diese Randstörungen sind nachteilig und
die direkt gezogenen Einzelbänder müssen daher vor ihrer
Weiterverwendung zur Beseitigung dieser Defekte behandelt
werden. Jedoch ergibt sich bei diesem Ziehen eines
rohrförmigen Körpers mit nachfolgender chemischer Ätzung des
Ziehkörpers zur Erzeugung der bandförmigen oder
bandähnlichen Körper das Problem, daß die chemische Ätzung in
einer sehr genau kontrollierten Weise durchgeführt werden
muß.
Man hat auch Laser zum Auftrennen der Kristallrohre in
die bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitte
verwendet. Jedoch können in einem Kristallrohr während des
Ziehens des Rohrs innere Spannungen hervorgerufen werden.
Derartige innere Spannungen können zu Sprüngen oder sogar
zum Bruch der bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitte
bei deren Abtrennung von dem Rohr führen.
Wie weiter oben bereits erwähnt, ist die Herstellung
rohrförmiger Kristallkörper nach dem EFG-Verfahren, bei welchem
der Körper von der Stirnseite eines Formgebungsteils gezogen
wird, mit den verschiedensten Querschnittsformen an sich
bekannt. Aus der bereits erwähnten US-Patentschrift 4 230 674
ist das Ziehen rohrförmiger Kristallkörper mit kreisförmigem
Querschnitt bekannt, wobei das Kapillarformgebungsteil,
von dessen Stirnseite der Kristallkörper gezogen wird, eine
entsprechende geschlossene Kreisform aufweist. Daraus ist
es auch bekannt, das entsprechend dem gewünschten
Kreisquerschnitt zylindrische Formgebungsteil baulich-konstruktiv
mit dem Schmelztiegel zu verbinden. Über die
Weiterverwendung der in dieser Form gezogenen rohrförmigen
Kristallkörper ist in der Patentschrift nichts gesagt. Falls eine
Auftrennung der gezogenen Kristallkörper in Längsrichtung
gewünscht oder erforderlich wäre, so würden sich hierbei
die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten ergeben.
Aus der weiter oben bereits erwähnten deutschen
Patentschrift 3 228 037 ist ein entsprechendes Verfahren und
eine Vorrichtung zum Ziehen rohrförmiger Kristallkörper
mit polygonalem Querschnitt bekannt, wobei das
Formgebungsteil an seiner oberen Stirnfläche, von welcher gezogen wird,
eine entsprechende Konfiguration besitzt. Der zur Einleitung
des Ziehens verwendete Ziehkeim weist ebenfalls eine
entsprechende Rohrform mit polygonalem Querschnitt auf, wobei
der Ziehkeim entweder aus einzelnen flachen Teilstücken
entsprechend den Seiten des Polygons zusammengesetzt sein
kann, oder aber als einstückiger polygonaler Körper
ausgebildet sein kann. Der gezogene Kristallkörper bildet einen
entsprechenden einstückigen rohrförmigen Körper mit
polygonalem Querschnitt. Auch in dieser Patentschrift ist über
die Weiterverwendung der gezogenen rohrförmigen
Kristallkörper nichts gesagt. Soweit eine Auftrennung in
Längsrichtung, beispielsweise entsprechend den Polygonseiten,
gewünscht würde, würden sich die weiter oben im
Zusammenhang mit der Auftrennung erläuterten Schwierigkeiten
ergeben.
Der Erfindung liegt daher als Aufgabe die Schaffung eines
Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung mehrerer
Kristallkörper aus einem gezogenen hohlen rohrförmigen
Kristallkörper zugrunde, wobei die vorstehend erläuterten
Nachteile des bekannten Standes der Technik wesentlich
verringert oder vermieden werden. Insbesondere soll die
Rißbildung oder die Bruchgefahr von aus Rohren des
Kristallmaterials abgetrennten Kristallkörpern verringert werden
und insgesamt ein Verfahren und eine Apparatur zur
Herstellung hohler rohrförmiger Kristallkörper geschaffen werden,
bei welchen die genannten inneren und äußeren Spannungen
sich hauptsächlich auf vorgegebene Bereiche des Rohrs
konzentrieren, wodurch die Auftrennung des rohrförmigen
Körpers in vorgegebene Abschnitte vereinfacht und
erleichtert wird.
Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung bei einer Vorrichtung
zum Ziehen eines rohrförmigen Hohlkörpers aus kristallinem
Material, wobei der Körper von der Stirnseite eines
Formgebungsteils gezogen wird und der erhaltene rohrförmige
Körper längs vorgegebener Linien in einzelne Kristallkörper
auftrennbar ist, mit einer Zieheinrichtung, einer
Behältereinrichtung zur Aufnahme einer Schmelze des Kristallmaterials,
einer Formgebungseinrichtung, welche (a) ein die geschlossene
geometrische Querschnittsform des rohrförmigen Hohlkörpers
umschreibendes Formgebungsteil, sowie (b) Mittel zur
Zufuhr von Schmelze aus dem Behälter zu dem
Formgebungsteil während des Ziehens des Körpers aufweist, vorgesehen,
daß das Formgebungsteil Nuten zur Konzentration
mechanischer Spannungen in dem Hohlkörper entlang vorgegebener
Linien aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung
mehrerer Körper aus einem kristallinen Material ausgehend
von einem rohrförmigen Körper, wobei das Verfahren umfaßt
die Verfahrensschritte:
- - Ziehen des Rohrs von der Stirnseite eines
Formgebungsteils, derart daß das Rohr entlang vorgegebener Linien
jeweils mit geringerer Wandstärke wächst;
- - Aufschneiden des Rohrs entlang der vorgegebenen Linien,
um den rohrförmigen Hohlkörper in die mehreren Körper
aus Kristallmaterial aufzutrennen.
Nach dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird somit
die nachträgliche Auftrennung des zunächst erhaltenen
rohrförmigen Ziehkörpers mit geschlossenem Querschnitt in die
einzelnen mehreren längsgestreckten Kristallkörper während
des Ziehvorgangs selbst und durch vorrichtungsseitige Mittel
und Maßnahmen vorbereitet, wodurch sich die abschließende
Auftrennung wesentlich vereinfacht und die Qualität der
erhaltenen Enderzeugnisse verbessert wird.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen
Fig. 1 in geschnittener Seitenansicht ein
Schmelztiegel-Formgebungsteil-Aggregat gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung, in Anordnung in
einem Wärmesuszeptor,
Fig. 2 eine zugehörige Horizontal-Schnittansicht im
Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine geschnittene Teil-Seitenansicht in
vergrößertem Maßstab, im Schnitt längs der Linie
3-3 in Fig. 2,
Fig. 4 in Draufsicht eine andere Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 5 in perspektivischer Teilansicht einen
typischen hohlen Kristallkörper, wie er mit einer
Apparatur der in den Fig. 1 bis 3 gezeigten
Art gezogen werden kann,
Fig. 6 in Draufsicht ein Schmelztiegel- und
Formgebungsteil gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, in Anordnung in einem
Wärmesuszeptor,
Fig. 7 eine zugehörige Seitenansicht im Schnitt längs
der Linie 7-7 aus Fig. 6,
Fig. 8 eine Seitenansicht im Schnitt längs der Linie
8-8 aus Fig. 6, ohne den Wärmesuszeptor,
Fig. 9 in Schnittansicht eine weitere Ausführungsform
der Erfindung.
In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind gleiche oder
entsprechende Teile jeweils mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann zur Herstellung
von im wesentlichen einkristallinen Körpern von flach-
ebener bandförmiger Konfiguration oder von einer
gekrümmt-bandförmigen Konfiguration dienen, wobei die
zuletzt genannte gekrümmte Bandkonfiguration auch als
"ribbonoids" bezeichnet werden kann. Der oder die
Werkstoff(e), aus welchen die Apparatur hergestellt ist,
hängen weitgehend von der Art des von der
Formgebungsoberseite gezogenen einkristallinen Materials ab.
Beispielsweise werden zum Ziehen von Silizium die Teile der
dargestellten Apparatur vorzugsweise aus Graphit hergestellt,
obzwar auch anderweitige Werkstoffe wenigstens für Teile
der Apparatur vorgeschlagen wurden. Zweckmäßigkeitshalber
bezieht sich die folgend detaillierte Beschreibung der
Erfindung auf eine Vorrichtung zum Ziehen von im
wesentlichen einkristallinen Körpern aus Silizium; jedoch ist die
Erfindung hierauf nicht beschränkt.
Die Fig. 1 bis 3 veranschaulichen ein erfindungsgemäßes
Aggregat zum Ziehen eines Hohlkörpers aus im wesentlichen
einkristallinem Material, mit eingebauten vorgegebenen
"Spannungssträngen". Die Bezeichnung "Spannungsstrang"
("stress riser") soll im hier verwendeten Sinn einen
Bereich in dem festen Kristallmaterial bedeuten, in welchem
bewußt innere mechanische Spannungen konzentriert sind.
Vorzugsweise verlaufen die in dem erfindungsgemäß
gezogenen Hohlkörper erzeugten Spannungsstränge in
Längsrichtung entlang dem Körper. Das in den Fig. 1 bis 3
veranschaulichte Aggregat weist vorzugsweise, jedoch nicht
notwendigerweise, einen zylindrischen Wärmesuszeptor 20
auf, der vorzugsweise aus Molybdän oder Graphit
hergestellt ist. Der Suszeptor 20 ist an seiner Oberseite
offen und weist eine Bodenwandung 22 und eine
zylindrische Seitenwandung 24 auf. An der Innenseite der
Seitenwandung 24 sind Ausnehmungen 26 für einen weiter unten
noch erläuterten Zweck vorgesehen.
Innerhalb des Suszeptors 20 ist ein als Ganzes mit 30
bezeichnetes zylindrisches Schmelztiegel-Formgebungsteil-
Aggregat angeordnet. Wie ersichtlich, weist das
Schmelztiegel- Formgebungs-Aggregat 30 zwei diskrete,
vorzugsweise einstückig ausgebildete Teile 32 und 34 auf, die
für die Zwecke der weiteren Beschreibung als
Schmelztiegelteil und als Auskleidungsteil bezeichnet werden. Das
Schmelztiegelteil 32 ist als ein einzelner, einstückig
hergestellter zylindrischer Becher zur Aufnahme einer
Schmelzflüssigkeit ausgebildet und weist eine
Bodenwandung 36 sowie eine zylindrische Seitenwandung 38 auf. Die
Vieleck-Querschnittsform des
Schmelztiegel-Formgebungsteil-Aggregats 30 ergibt Kanten 39 an der Außenseite der
Seitenwandung 38. Diese Kanten liegen gegen die
Innenseite der Wandung 24 des Suszeptors 20 im Sinne eines
engen Paßsitzes an. Die Wandung 38 weist einen mit
Umfangsabständen entlang dem Aggregat angeordneten
Oberteilabschnitt 40 auf, derart, daß er die geschlossene
geometrische Figur umschreibt, welche der
Innen-Querschnittsform des aus dem Aggregat 30 zu ziehenden Hohlkörpers
entspricht. Der Oberteilabschnitt 40 weist eine verjüngte
obere Stirnseite bzw. Kante 42 auf. Das Schmelztiegelteil
32 ist vorzugsweise so bemessen, daß es engsitzend in den
Suszeptor 20 paßt, wobei der obere Rand 40 über die
Oberseite des Suszeptors 20 frei übersteht.
Die zylindrische Außenseite 44 der Auskleidung 34 ist mit
vertikal verlaufenden Rippen 46 ausgebildet, welche
engsitzend gegen die Innenseite des Schmelztiegelteils
anliegen, derart, daß ein Strömungskanal 48 zwischen der
Innenseite der zylindrischen Wandung 38 des
Schmelztiegelteils 32 und der Außenseite des Teils 34 jeweils
zwischen zwei benachbarten Rippen 46 gebildet wird. Die
Kanäle 48 sind jeweils mit Kapillar-Abmessungen
ausgebildet, derart, daß Schmelze in an sich bekannter Weise
durch Kapillarwirkung in den einzelnen Kanälen aufgezogen
werden kann. Die Auskleidung 34 weist ferner einen
Oberteilabschnitt 50 auf, der dem Oberteilabschnitt 40 des
Schmelztiegelteils 32 entspricht und diesem
gegenüberstehend angeordnet ist. Der Oberteilabschnitt 50 verjüngt
sich nach oben zu der oberen Stirnseite oder -kante 52.
Entlang der Innenwandung der Auskleidung 34 ist ein
Flansch 54 vorgesehen, der in an sich bekannter Weise zur
Halterung einer Wärmeabschirmung und Schmelzenabdeckung
(beide nicht dargestellt) dient.
Mittels mehrerer Bolzen oder Stifte 56, welche sich durch
geeignete Öffnungen in der Seitenwandung 38 des
Schmelztiegelteils 32 und durch die Auskleidung 34 erstrecken,
werden das Schmelztiegelteil 32 und die Auskleidung 34
konzentrisch zueinander gehalten und die
Oberteilabschnitte 40 und 50 in Gegenüberstellung miteinander. Wie
aus der Zeichnung ersichtlich, ist benachbart den
einzelnen Bolzen bzw. Stiften 56 jeweils eine Ausnehmung 26 des
Suszeptors 20 vorgesehen, als Sammelraum für eventuelle
entlang den Bolzen bzw. Stiften 56 austretende Schmelze.
Die verjüngten oder abgeschrägten oberen Enden 42 und 52
der einander gegenüberstehenden Oberteilabschnitte 40 und
50 bilden jeweils ein Paar paralleler Stirnkanten bzw.
-ränder, welche die geschlossene geometrische Form des
Querschnitts des zu ziehenden Hohlkörpers umschreiben und
miteinander einen Spalt 58 von Kapillar-Abmessung
bilden. Diese oberen Stirnkanten bzw. -ränder 42 und 52
können schneidkantenartig ausgebildet sein oder eine
vorgegebene Breite besitzen. Die oberen stirnseitigen Enden 42
und 52 können entweder in der gleichen Ebene angeordnet
oder gegeneinander versetzt sein. Wie aus Fig. 1
ersichtlich, liegt im eingesetzten Zustand des Auskleidungsteils
34 dessen unterer Rand 60 gerade oberhalb der
Innenwandung des Bodens 36 des Schmelztiegelteils 32, derart, daß
Schmelze zwischen ihnen hindurchtreten kann. Alternativ
oder zusätzlich können eine oder mehrere Öffnungen in dem
Auskleidungsteil vorgesehen sein, um einen Schmelzefluß
durch die einzelnen Kanäle 48 zu dem Kapillarspalt 58 zu
ermöglichen.
Die von den Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50
umschriebene Querschnittsform kann, wie in den Fig. 1 bis
3 dargestellt, vieleckig oder kreisförmig gemäß Fig. 4
sein oder eine anderweitige geschlossene geometrische
Form, beispielsweise Ovalform, besitzen. Bei Verwendung
eines Aggregats mit Vieleck-Querschnitt, wie etwa in den
Fig. 1 bis 3 gezeigt, sind die beim Auftrennen des
gezogenen Hohlkörpers erhaltenen einzelnen Körper flach-ebene
Bänder, während der kreisförmige Querschnitt des
Aggregats 30A nach Fig. 4 einen hohlen Ziehkörper von
kreisförmigem Querschnitt ergibt, der in bandähnliche,
gekrümmte Abschnitte aufgetrennt werden kann.
Das bisher beschriebene Aggregat gleicht dem in der US-
Patentschrift 4 230 674 beschriebenen, jedoch mit dem
Unterschied, daß Mittel zur Konzentrierung mechanischer
Spannungen an vorgegebenen Stellen vorgesehen sind,
vorzugsweise in Längsrichtung entlang Bruchlinien des hohlen
Kristallkörpers, falls dieser zur Gewinnung der einzelnen
Bänder oder bandähnlichen Körper aufgetrennt werden
soll. Die Mittel zur Erzeugung einer derartigen
Spannungsverteilung weisen vorzugsweise mehrere quer
durch die Formgebungsoberteilenden 42 und 52 vorgesehene
Einkerbungen oder Einschnitte 70 auf. Die Kerben sind
vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, radial
gerichtet und/oder in gleichen Umfangsabständen entlang dem
Umfang der Formgebungsoberteilabschnitte 40 und 50bezüglich dem geometrischen Zentrum des
Formgebungsoberteils verteilt. Vorzugsweise ist jeweils oberhalb jeder
Rippe 44 in den Fig. 1 bis 3 (oder der entsprechenden
Konstruktion in Fig. 4) zwischen benachbarten Kanälen 48
eine Kerbe 70 vorgesehen. Die Kerben 70 sind jeweils
ausreichend schmal und tief bemessen, daß eine genügende
Schmelzenmenge jeweils in jeder Kerbe vorliegt, damit
sich Kristallmaterial zwischen dem von den beidseits
jeder Kerbe benachbarten Formgebungsoberteilabschnitten 40
und 50 gezogenen Material ansammeln kann, wobei jedoch
die Dicke des an den Stellen der Kerben gezogenen
Materials kleiner als die Dicke des von den
Formgebungsoberteilenden 42 und 52 zwischen jeweils zwei
benachbarten Kerben gezogenen Materials ist.
Typische Abmessungen, von denen angenommen werden kann,
daß sie beim Ziehen von Silizium aus einem
Graphitaggregat nach Art des in den Fig. 1 bis 4 beschriebenen
zufriedenstellende Ergebnisse gewährleisten, sind wie
folgt: die Formgebungsoberteile können verjüngte
Formgebungsoberteilabschnitte 40 und 50 mit einer Höhe von
jeweils etwa 3,04 mm (120 Tausendstel Zoll), einer Dicke von etwa 4,57 mm
(180 Tausendstel Zoll) unterhalb der verjüngten Enden 42
und 52 und eine Dicke von etwa 0,076 mm (3 Tausendstel Zoll) am
oberen Rand bzw. der Oberkante der jeweiligen Stirnseiten 42
und 52 besitzen. Der Spalt 58 besitzt eine Breite von
etwa 0,76 mm (32 Tausendstel Zoll) zwischen den Abschnitten 4050, und die einzelnen Kerben 70 sind jeweils bis zu 2,54 mm (100
Tausendstel Zoll) breit und bis zu 1,27 mm (50 Tausendstel Zoll)
tief, wobei sich eine Breite der einzelnen Kerben von 0,81 mm
(32 Tausendstel Zoll) und eine Tiefe von 1,27 mm (50 Tausendstel
Zoll) als besonders zufriedenstellend erwiesen haben. Die
angegebenen Abmessungen des Aggregats können jedoch
variieren.
Zum Ziehen von Kristallkörpern wird in dem Schmelztiegel
eine Schmelze bei einer Temperatur von etwa 30°C
oberhalb dem Schmelzpunkt des betreffenden zu ziehenden
Kristallmaterials bereitgehalten. Ein Keim des
Kristallmaterials mit einer geschlossenen hohlen geometrischen
Konfiguration entsprechend der von den
Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50 umschriebenen Konfiguration
wird mit den Formgebungsoberteilabschnitten 40 und 50 so
in Berührung gebracht, daß eine ausreichende
Kristallmaterialmenge in dem Spalt 58 und den Kanälen 48
schmelzen kann. Sodann wird der Kristallkeim von dem
Formgebungsoberteil mit einer im wesentlichen konstanten
Geschwindigkeit von beispielsweise etwa 2,54 cm/min (1,0 Zoll/Minute)
abgezogen. Da die Kerben so bemessen sind, daß eine
ausreichende Schmelzenmenge zwischen dem von dem beidseits
jeder Kerbe benachbarten Formgebungsoberteil gezogenen
Material vorliegt, erhält man einen Hohlkörper 72 mit
einer Querschnittsform entsprechend der von den
Formgebungsoberteilenden 42 und 52 der
Formgebungsoberteilabschnitte 40 und 50 vorgegebenen Form, in der in Fig. 5
veranschaulichten Weise. Wie ersichtlich, ist jedoch die
Dicke der von den einzelnen Kerben 70 gezogenen Bereiche
74 des Ziehkörpers reduziert. Da der Hohlkörper mit einer
konstanten Geschwindigkeit gezogen wird, zeigen die
dünneren Bereiche 72, die sich jeweils in einer Richtung
parallel zur Ziehrichtung des Hohlkörpers erstrecken, die
Tendenz zum Auftreten höherer Spannungen als in den
zwischen den Kerben 70 gezogenen Abschnitten 76 des
Ziehkörpers 72. Aus diesem Grund kann man sagen, daß die
Kerben 70 beim Ziehen des Körpers Spannungsstränge in
diesen erzeugen. Die Spannungsstränge entlang den
Bereichen 74 sind entlang Linien vorgesehen, längs welchen der
hohle Kristallkörper anschließend in die einzelnen
Abschnitte aufgetrennt wird. Diese Spannungsstränge
erleichtern so das Aufschneiden des Hohlkörpers in seine
bandförmigen oder bandähnlichen Abschnitte.
Beispielshalber, und ohne einschränkende Bedeutung, kann ein
Formgebungsoberteil mit einer Dicke von etwa 0,076 mm (3 Tausendstel Zoll)
an den beiden Kanten 42 und 52 und mit einem Spalt von
etwa 0,76 mm (30 Tausendstel Zoll) zwischen den Ziehkanten 42 und
52 typischerweise einen Ziehkörper von etwa 0,38 mm (15
Tausendstel Zoll) Dicke ergeben. Infolge der quer verlaufenden
Kerben oder Schlitze 70 von etwa 0,81 mm (32 Tausendstel Zoll)
Breite und etwa 1,27 mm (50 Tausendstel Zoll) Tiefe erhalten die
dünneren Bereiche 74 in dem Ziehkörper 72 gemäß Fig. 5,
die von den einzelnen Kerben 70 gezogen werden, eine
Dicke von etwa 5 Tausendstel Zoll an ihre dünnsten
Stelle.
Nach dem Ziehen des Körpers kann dieser entlang den
dünneren Bereichen 74 in beliebiger bekannter Weise in
Längsrichtung aufgetrennt werden. Beispielsweise kann der
Körper nach dem Ätzverfahren, wie es etwa in den US-
Patentschriften 4 036 666 oder 4 095 329 beschrieben ist,
aufgetrennt werden, oder alternativ nach Verfahren etwa
unter Verwendung eines Lasers (beispielsweise eines
CO2-Lasers), wie dem Fachmann bekannt. Bei diesem
Abtrennvorgang führt infolge der in den dünneren Bereichen
74 konzentrierten eingebauten Spannungen das Auftrennen
in die einzelnen Bereiche zu einer saubereren
Bruchstelle zwischen den einzelnen Abschnitten 76, mit
weniger Rißbildung und verringerter Bruchgefahr für die
Abschnitte. Die lichtelektrischen Sperrschicht-Übergänge
können in den bandförmigen Abschnitten entweder nach
deren Abtrennen oder alternativ auch vor der Auftrennung
erzeugt werden, wie in den US-Patentschriften 4 036 666
und 4 095 329 beschrieben. Die durch Auftrennen des
vieleckförmigen Kristallkörpers gemäß Fig. 5 anschließend
erhaltenen Abschnitte 76 sind im wesentlichen flach-ebene
Bänder. Anderweitige Abschnitte mit anderen Formgebungen
und Konturen lassen sich aus erfindungsgemäß gezogenen
Hohlkörpern anderer Querschnittsformen erhalten.
Beispielsweise können gekrümmte bandähnliche Abschnitte mit
einer Form entsprechend gekrümmten bogenförmigen
Abschnitten eines rechtwinkligen Zylinders aus einem
zylindrischen Hohlkörper geschnitten werden, der mit
Spannungssträngen von der Formgebungsteiloberseite des
Aggregats 30A gezogen wurde, welche einen kreisförmigen
Querschnitt umschreibt und mit Kerben 70A versehen ist,
wie in Fig. 4 veranschaulicht.
Die in den Fig. 1 bis 4 veranschaulichten
Ausführungsformen können in verschiedener Weise modifiziert werden,
ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen
wird. Beispielsweise kann gemäß den Fig. 6 bis 8 das in
der US-Patentschrift 4 230 674 beschriebene gesonderte
Formgebungsteil für die Zwecke der vorliegenden Erfindung
modifiziert werden. Dieses in den Fig. 6 bis 8 gezeigte
modifizierte gesonderte diskrete Formgebungsteil 80
besitzt die Form eines senkrechten Zylinders mit einem
flach-ebenen Boden 82 und einer zylindrischen
Seitenwandung 84, die einstückig miteinander als gesondertes
Element ausgebildet sind. Das Teil 80 kann ebenfalls eine
beliebige geschlossene geometrische Querschnittsform,
beispielsweise die gezeigte Vieleckform, oder Kreis- oder
Ovalform besitzen. Die Seitenwandung 84 ist so bemessen,
daß sie dichtsitzend in den Suszeptor 20 paßt, wie in den
Fig. 6 und 7 veranschaulicht. An seiner Oberseite ist
das Formgebungsteil 80 mit einem inneren
Formgebungsoberteilabschnitt 86 und einem entsprechenden äußeren
Formgebungsoberteilabschnitt 88 ausgebildet, die sich im
Abstand voneinander unter Bildung eines Spaltes 70 von
Kapillar-Abmessung gegenüberstehen. In Umfangsabständen
entlang dem Formgebungsoberteil sind durch die
Formgebungsoberteilabschnitte 86 und 88 quer verlaufende
(vorzugsweise in Radialrichtung zu dem durch die
Formgebungsoberteilabschnitte 86 und 88 definierten geometrischen
Zentrum) Kerben 90A vorgesehen. Im unteren Teil der
inneren zylindrischen Wandung des Teils 80 sind Schlitze 92
ausgebildet. Diese Schlitze besitzen ebenfalls Kapillar-
Abmessungen und stehen in Strömungsverbindung mit dem
Spalt 90, derart, daß in dem Teil 80 vorhandene Schmelze
durch die Schlitze 92 in den Spalt 90 hinaufgezogen
werden kann und von der durch die inneren und äußeren
Formgebungsoberteilabschnitte 86 und 88 gebildeten
Formgebungsoberseite gezogen werden kann. Die Vorrichtung ist
insoweit gleichartig mit dem aus der US-Patentschrift
4 230 674 bekannten Aggregat, mit Ausnahme der zusätzlich
angebrachten Kerben 90. Die Kerben 90 ergeben jeweils
eine verringerte Dicke und daher einen "Spannungsstrang"
in der Wandung des gezogenen Hohlkörpers, wobei sich
während des Ziehvorgangs eingebaute Spannungen längs diesen
Bereichen verringerter Dicke konzentrieren. Der gezogene
Hohlkörper kann daher längs den durch diese Bereiche
verringerter Dicke gebildeten Linien leichter aufgetrennt
werden.
Gemäß Fig. 9 kann in der an sich aus der US-Patentschrift
4 230 674 bekannten Weise das Formgebungsteil 80 der
Ausführungsform gemäß den Fig. 6 bis 8 in der Weise
modifiziert werden, daß bei dem Kapillar-Formgebungsteil 100
der Boden weggelassen wird, derart, daß das zylindrische
Element an seiner Unterseite offen ist. Das
Formgebungsteil 100 ist engsitzend in einem zylindrischen
becherförmigen Behälter 102 angeordnet, der beispielsweise aus
Quarz bestehen kann und eine Bodenwandung 104 sowie eine
Seitenwandung 106 aufweist, derart, daß die
Formgebungsoberteilabschnitte frei über die Seitenwandung 106
überstehen. Der Behälter 102 ist seinerseits in Paßsitz in
dem Suszeptor 20 angeordnet. Eine derartige
Ausführungsform kann erfindungsgemäß modifiziert werden, indem man
in den inneren und äußeren Formgebungsoberteilabschnitten
108 und 110 Kerben 112 vorsieht.
Die dargestellten und beschriebenen Aggregate ergeben bei
ihrer Anwendung ein verbessertes Verfahren und eine
verbesserte Apparatur zum Ziehen von Hohlkörpern aus einem
im wesentlichen einkristallinen Material aus einer
gemeinsamen Vorratsschmelze. Die in dem Formgebungsoberteil
vorgesehenen Kerben bilden eine einfache Maßnahme zur
Erzeugung von Spannungssträngen in vorgegebenen Bereichen
der hohlen Ziehkörper. Infolge dieser in dem Hohlkörper
beim Ziehen erzeugten Spannungsstränge lassen sich die
Hohlkörper leichter in einzelne Abschnitte zur Bildung
bandförmiger oder bandähnlicher Körper auftrennen. Dies
ergibt eine höhere Herstellungsausbeute infolge geringer
Rißbildung und verringerter Bruchgefahr in den aus diesen
Hohlkörpern geschnittenen bandförmigen oder bandähnlichen
Abschnitten.