Tiegelziehverfahren

Kristallziehanlage nach Czochralski (1956)

Silizium-Einkristall zur Waferherstellung, hergestellt nach dem Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren bezeichnet ein Verfahren der Werkstofftechnik zur Herstellung von einkristallinen Werkstoffen. Es ist auch unter den Begriffen Tiegelziehverfahren oder Ziehen aus der Schmelze bekannt. Im Tiegel wird die zu kristallisierende Substanz wenig unter dem Schmelzpunkt gehalten (innerhalb des Ostwald-Miers-Bereiches, in dem keine spontane Keimbildung stattfindet). Darin taucht der Keim (z. B. kleiner Einkristall der zu züchtenden Substanz) ein. Durch Drehen und langsames Nach-oben-ziehen – ohne dass der Kontakt zu der Schmelze abreißt – wächst das erstarrende Material zu einem Einkristall, der das Kristallgitter des Keims fortsetzt.

Geschichte

Das Czochralski-Verfahren wurde 1916 im Metall-Labor der AEG vom polnischen Chemiker Jan Czochralski (1885–1953, 1904–1929 in Deutschland) durch ein Versehen entdeckt: er tauchte seine Schreibfeder in einen Schmelztiegel mit flüssigem Zinn anstatt ins Tintenfass. Daraufhin entwickelte und verbesserte er das Verfahren, wies nach, dass damit Einkristalle hergestellt werden können und benutzte es, um Kristallisationsgeschwindigkeiten abzuschätzen (Veröffentlichung von 1918).

Obwohl Hans von Wartenberg schon 1918 erkannte, dass das Verfahren zur Kristallzüchtung verwendet werden kann, kam es erst ab 1950 zur praktischen Verwendung auch in großem Maßstab.

Technik

Silicium-Impfkristall, der linke Teil wird in die Schmelze getaucht und dann herausgezogen, die Kerbe rechts dient der mechanischen Halterung

In einem Tiegel befindet sich eine schon gereinigte Schmelze des gewünschten Materials (beispielsweise Silicium). Ein an einem langsam rotierenden Metallstab befestigter Impfkristall wird von oben mit der Spitze in die Schmelze eingetaucht. Der Impfkristall muss am Metallstab exakt mit der gewünschten Kristallorientierung ausgerichtet sein, da er die Kristallorientierung des entstehenden Einkristalls vorgibt. Der Stab mit dem Einkristall wird langsam wieder nach oben gezogen, während die Schmelze an der sich ausbildenden Grenzfläche erstarrt. Durch Variation von Ziehgeschwindigkeit und Temperatur erreicht der wachsende Kristall den gewünschten Durchmesser. Mittels einer geeigneten Regelung kann der Kristalldurchmesser bis zum Ende des Ziehvorgangs sehr genau beibehalten werden.

In einer Verfeinerung des Verfahrens wird direkt nach dem Ansatz am Impfkristall zunächst ein noch dünneres Stück gezogen, um erst danach auf den gewünschten Enddurchmesser zu gehen. An der entstehenden Engstelle sollen sich Versetzungen, die im Impfkristall noch bestehen konnten, zur Seite hinauswandern. Versetzungen stellen ja Störungen des einkristallinen Gefüges dar und sind deshalb gerade nicht exakt parallel zur Symmetrieachse ausgerichtet. Beim Ziehen wandern sie also schräg zur Seite, an einer Engstelle dann sogar ganz aus dem Kristall hinaus, so dass der verbleibende Kristall versetzungsfrei wird.

Die als Ingot bezeichnete Kristallsäule kann bis über zwei Meter lang werden. Der derzeitige Standard in der Halbleiterindustrie beträgt einen Durchmesser von etwa 30 cm, woraus 300-mm-Wafer hergestellt werden. Derzeit wird bei den Silicium-Einkristallherstellern die Kristallzucht für die 450-mm-Technologie erprobt.

Das Czochralski-Verfahren

Anwendung

Mit diesem Verfahren ist die Herstellung von reinen, monokristallinen Materialien möglich. Es erreicht nicht ganz die Qualität des Zonenschmelzverfahrens, ist jedoch kostengünstiger. Es werden unter anderem Einkristalle aus Halbleitern (z. B. Silicium), Metallen wie z. B. Palladium, Platin, Gold, Silber, Salzen, z. B. Alkalimetallhalogeniden für optische Zwecke, und Oxiden (zahlreiche Anwendungen vor allem in der Lasertechnik und Sensorik) mit dieser Methode hergestellt.

Silicium als Einkristall wird auf diese Weise in großen Mengen hergestellt und beispielsweise in der Mikrosystemtechnik, in der Computerindustrie für integrierte Schaltungen (siehe auch Wafer) und in der Photovoltaik für die Herstellung von Solarzellen verwendet. Gerade für monokristalline Solarzellen hat sich dieses Verfahren etabliert. Zur Gewinnung der Zellen wird hier die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zugeschnitten.

Literatur

• J. Evers, P. Klüfers, R. Staudigl, P. Stallhofer: Czochralskis schöpferischer Fehlgriff: ein Meilenstein auf dem Weg in die Gigabit-Ära. In: Angewandte Chemie. 115, 2003, S. 5862–5877 (doi:10.1002/ange.200300587).