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Herstellung von Rohsilizium
Silizium ist reichlich vorhanden: Die Erdkruste besteht zu etwa einem
Fünftel aus Silizium, das allerdings nicht elementar, sondern in Verbindungen wie
Silikaten, vor allem als Quarz (SiO2) vorkommt.
Elementares Silizium wird aus Quarz durch Reduktion mit Kohlenstoff in
elektrischen Öfen gewonnen, die wenig oberhalb des Schmelzpunktes von Si
(1686 K) betrieben werden.
Dabei läuft folgende Reaktion ab:
Das flüssige Si läßt sich leicht vom gasförmigen Kohlenmonoxid
trennen. Dieses Rohsilizium ist naturgemäß stark verunreinigt und enthält noch ca. 2%
bis 4% Fremdstoffe. Daher muß sich eine Reihe von Reinigungsprozessen anschließen.
Herstellung von Einkristallen - Tiegel-Verfahren nach Czochralsky (CZ-Verfahren)
Der Vorrat an gereinigtem Ausgangsmaterial befindet sich in einem
Tiegel aus Graphit oder Quarz und wird durch Hochfrequenz- bzw. Widerstandsheizung zum
Schmelzen gebracht.
An einem drehbar gelagertem Stab, der von oben bis an die Oberfläche
der Flüssigkeit herangeführt werden kann befindet sich der Keim (Impfkristall). Liegt
die Tiegeltemperatur nur wenig über dem Schmelzpunkt des Materials und ist die
Wärmeableitung durch den Haltestab ausreichend groß, wird die Schmelze am Ort des
eingetauchten Keims unterkühlt. Der Keim beginnt zu wachsen. Man zieht ihn nun langsam
nach oben, ohne daß der Kontakt mit der Schmelze dabei unterbrochen wird. So entsteht ein
stabförmiger Einkristall, dessen Durchmesser wesentlich durch die Ziehgeschwindigkeit
bestimmt wird. Sie liegt in der Regel zwischen 0,3 - 0,6 cm/h, wobei der Kristall um so
dünner ausfällt, je schneller gezogen wird. Einkristalle mit Durchmesser bis zu
10’’ sind auf diese Weise herstellbar.
Um weitgehend fehlerfreie Kristalle zu erhalten, muß für eine
möglichst gleichmäßige Temperatur innerhalb der Wachstumszone gesorgt werden. Man
läßt daher den Kristall während des Ziehvorgangs um seine Längsachse rotieren
(0,3 - 1,6 s-1). Häufig rotiert auch der Tiegel gegensinnig.
Vorteile
- große Durchmesser (bis 10’’)
- relativ geringe Kosten
Nachteile:
- keine hochohmige Einkristalle (rmax=100W/cm) wegen Verunreinigungen (C,O) durch den Tiegel
- ungleichmäßige Dotierung entlang des Stabes
Mit diesem Verfahren lassen sich auch dotierte Einkristalle herstellen,
indem der Dotierstoff zu der Schmelze gegeben wird. Eine gleichmäßige Dotierung über
die ganze Länge des Kristalls ist so allerdings nicht möglich, da der Dotierstoff nach
Maßgabe des Verteilungskoeffizienten in das Gitter eingelagert wird.
Internet-Link zum Exponat
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