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Silizium-Einkristall

 

Silizium ist reichlich vorhanden: Die Erdkruste besteht zu etwa einem Fünftel aus Silizium ...

Multimediashow: Vom Quarz zum Mikrochip
Programmierung und Copyright: Thomas Seilnacht mit freundlicher Unterstützung von Wacker Silitronic

Silizium im Periodensystem

 


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.

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Aussteller

Physikalisch-Technische Bundesanstalt


Adresse und Ansprechpartner

Bundesallee 100
D-38116 Braunschweig

Telefon: (0531) 592-6132
Telefax: (0531) 592-6015

Dr. Ulrich Kuetgens


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