Hochreiner Schmelztiegel aus Quarzglas zum Ziehen von Einkristallen

Derzeit wird monokristallines Silizium unter Verwendung von polykristallinem Silizium als Rohstoff und der Czochralski-Methode hergestellt. Bei der Herstellung von monokristallinem Silizium ist dieQuarzDer Tiegel ist ein entscheidendes Material für das Schmelzen von Silizium und das Kristallwachstum und hat einen direkten und erheblichen Einfluss auf die Produktionskosten und die Produktqualität von monokristallinem Silizium.

DerQuarztiegelist eine Schlüsselkomponente des Czochralski-Einkristallofens. Die Phase der Einkristallvorbereitung bestimmt technische Parameter wie Durchmesser, Kristallorientierung, Dotierungsleitfähigkeitstyp, Widerstandsbereich und -verteilung, Sauerstoff- und Kohlenstoffkonzentration, Lebensdauer der Minoritätsträger und Gitterdefekte des Siliziummaterials. Mikrodefekte, Sauerstoffkonzentration, Metallverunreinigungen und die Gleichmäßigkeit der Trägerkonzentration müssen alle innerhalb eines bestimmten Bereichs kontrolliert werden. Beim Czochralski-Einkristallverfahren muss der Quarztiegel hohen Temperaturen über dem Schmelzpunkt von Silizium (1420 °C) standhalten. Quarztiegel sind meist halbtransparent und aus mehreren Schichten aufgebaut. Die äußere Schicht ist ein Bereich mit hoher Blasendichte, der als Blasenverbundschicht bezeichnet wird. Die innere Schicht ist eine 3–5 mm dicke transparente Schicht, die als blasenarme Schicht bezeichnet wird. Das Vorhandensein der blasenarmen Schicht verringert die Dichte des Tiegels in dem Bereich, der mit der Lösung in Kontakt kommt, und verbessert so das Einkristallwachstum.

Aus qualitativer Sicht löst sich die Innenschicht des Quarztiegels aufgrund des direkten Kontakts mit der Siliziumschmelze während des Kristallziehprozesses kontinuierlich in der Siliziumschmelze auf.  Die Mikroblasen in der transparenten Schicht des Tiegels wachsen kontinuierlich und platzen, wodurch Quarzpartikel und Mikroblasen in das geschmolzene Silizium freigesetzt werden. Diese Verunreinigungen in Form von Mikropartikeln und Mikroblasen werden durch den Siliziumflüssigkeitsstrom durch die gesamte Siliziumschmelze transportiert und wirken sich direkt auf die Kristallisation von Silizium und die Qualität des Einkristalls aus.

Aus Kostensicht istQuarztiegelhaben eine starke Verbrauchscharakteristik in der Industriekette für monokristallines Silizium, und die Verwendung der kontinuierlichen Czochralski-Methode stellt auch höhere Anforderungen an die Lebensdauer des Quarztiegels. Die hohe Reinheit und hohe Temperaturbeständigkeit des Quarztiegels sind Garant für das Einkristallziehen und die Einkristallqualität. Aufgrund der Reinheitsanforderungen monokristalliner Siliziumwafer wird der Quarztiegel nach einem oder mehreren Heiz- und Kristallziehzyklen entsorgt und muss regelmäßig ausgetauscht werden, was ihn zu einem Verbrauchsartikel macht.

Darüber hinaus, wenn dieQuarztiegelWenn während des Kristallziehprozesses Qualitätsprobleme auftreten, wird der gesamte einkristalline Siliziumstab verschrottet. Quarztiegel werden überwiegend im Lichtbogenverfahren hergestellt, wobei hochreiner Quarzsand als Kernrohstoff dient. Die Reinheit des Quarzsandes ist ein entscheidender Faktor für die Qualität des Quarztiegels. Der Quarztiegel hat eine zweischichtige Struktur: Die äußere Schicht ist ein Bereich mit hoher Dichte, der als Blasenverbundschicht bezeichnet wird; Die innere Schicht ist eine 3–5 mm dicke transparente Schicht, die als blasenarme Schicht bezeichnet wird.

Das Vorhandensein der inneren Schicht, der blasenarmen Schicht, verringert die Blasendichte in dem Bereich, in dem der Tiegel mit der Lösung in Kontakt kommt. Je geringer die Reinheit des Quarzsands ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass er während des Schmelzprozesses bei hoher Temperatur schwarze Flecken und Blasen bildet. Bei Verwendung als Innenschichtsand führt eine längere Einwirkung hoher Temperaturen dazu, dass die in der Innenwand des Quarztiegels enthaltenen Blasen freigesetzt werden, was sich negativ auf die Stabilität und Erfolgsrate der Herstellung einkristalliner Siliziumwafer auswirkt. Daher erfordert der Sand der inneren Schicht Quarzsand mit höherer Reinheit, was zu einem höheren Preis führt. Darüber hinaus stellt der für Tiegel verwendete Quarzsand besondere Anforderungen an unterschiedliche Verunreinigungsgrade. Beispielsweise können übermäßige Alkalimetallverunreinigungen eine Kristallisation im Tiegel verursachen, was zu Trübung und Verformung führt, während ein übermäßiger Hydroxylgehalt zur Blasenbildung im Tiegel führen kann.

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