Für leistungselektronische Bauelemente werden Siliziumkristalle mit extrem niedrigen Sauerstoffgehalten benötigt, die derzeit nur mittels der teuren Floating-Zone-Technologie hergestellt werden können.
Im Rahmen des Projekts wurde daher evaluiert, inwieweit der SiO2-Glastiegel, der die Hauptquelle für den Sauerstoffeintrag in die Si-Kristalle beim kosteneffektiven Czochralski-Verfahren darstellt, durch sauerstofffreie Tiegelsysteme ersetzt werden kann.
rechts: Blick in einen CVD-Si3N4-beschichteten 20-Zoll Czochralski-Graphittiegel (Quelle: CVT GmbH)
Hierfür wurden eine Reihe an isostatisch gepressten Graphitmaterialien sowie Tiegel aus nitridgebundenem Siliziumnitrid (NSN) hergestellt und einigen Wechselwirkungstests mit Si-Schmelze unterzogen. Die Ergebnisse zeigten ein unterschiedliches Verhalten der Materialien, insbesondere in Abhängigkeit der Porenstruktur des Graphits bzw. der Güte einer auf dem NSN aufgebrachten Versiegelungsschicht. In beiden Fällen konnten schließlich Varianten entwickelt werden, die eine nur geringfügige Si-Infiltration bzw. Auflösung des Tiegelmaterials über lange Standzeiten zulassen.
Um den Tiegel zusätzlich vor der aggressiven Si-Schmelze zu schützen und gleichzeitig den Verunreinigungseintrag in diese zu reduzieren, wurde eine mittels Gasphasenabscheidung applizierte Si3N4-Tiegelbeschichtung entwickelt, die aufgrund ihrer Dichtheit, Reinheit sowie geringen Auflösung ein hohes Anwendungspotenzial besitzt.
Abschließende Tests im Rahmen von Langzeit-Kristallisationsversuchen im Labor bis hin zu einem 20-Zoll Cz-Experiment bestätigten die Robustheit der entwickelten Tiegelsysteme gegenüber der Si-Schmelze, womit der erste Grundstein für einen industriellen Einsatz gelegt werden konnte. Bis dahin sind jedoch noch weitere Entwicklungen, z. B. hinsichtlich der Vermeidung Stickstoff-basierter Ausscheidungsbildung in der Si-Schmelze, notwendig.
