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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft ein Verfahren, welches Siliciumreste rasch und
in großer
Menge verfeinern kann, wobei ein Elektronenstrahl verwendet wird,
um hochreines Silicium zu erhalten, welches für Solarzellen, Halbleiter und ähnliche
Vorrichtungen geeignet ist.
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Um
die Ausnutzungsrate von RohSiliciummaterialien zu erhöhen, ist
es erwünscht,
Reste, welche während
der Herstellung von Siliciumwafern von Siliciumrohlingen produziert
werden, (welche im Folgenden als "Siliciumreste" bezeichnet werden) wieder zu verwenden.
Siliciumabfall bzw. Siliciumreste enthalten jedoch Verunreinigungen,
so dass es notwendig ist, ihre Reinheit zu verbessern, bevor sie wieder
verwendet werden können.
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Die
ungeprüfte
japanische veröffentlichte Patentanmeldung
Hei 10-245216 offenbart, dass der Ertrag von Silicium erhöht werden
kann, indem Siliciumreste, welche während der Herstellung von Silicium
für Solarzellen
produziert werden, zurück
gewonnen werden und die zurück
gewonnenen Siliciumreste zu einem Verfeinerungsschritt zurückkehren.
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Jedoch
offenbart die Veröffentlichung
lediglich eine Technik zur Erhöhung
des Ertrags von Silicium bei der Herstellung von Silicium für Solarzellen. Klumpen
von Siliciumresten von unterschiedlichen Quellen können eine
Vielzahl von verschiedenen Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor,
Phosphor, Arsen und Antimon, enthalten. Abhängig von dem Typ des Verunreinigungselements,
können
einige Klumpen nicht unter Verwendung eines Elektronenstrahls verfeinert
werden, während
es Klumpen gibt, bei welchen ein Verfeinern mit einem Elektronenstrahl
möglich
ist, aber es trotzdem vom Standpunkt der Zeit und der Kosten der
Verfeinerung nicht praktikabel ist. Zusätzlich wird, wenn Klumpen von
Siliciumresten, welche unterschiedliche Verunreinigungselemente
enthalten, während
des Schmelzschritts eines Verfeinerungsverfahrens gemischt werden,
kein hochreines Silicium erhalten. Darüber hinaus verbleiben, wenn
die Siliciumreste Verunreinigungselemente enthalten, welche nicht
angemessen oder überhaupt
nicht durch Schmel zen entfernt werden können, die Verunreinigungselemente
nach dem Verfeinern in dem Silicium, und man erhält kein hochreines Silicium.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Unter
Berücksichtigung
des vorab beschriebenen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfeinerungsverfahren für
Siliciumreste unter Verwendung eines Elektronenstrahls bereitzustellen,
welches zum Recycling von Siliciumresten geeignet ist, welche während der
Herstellung von Siliciumprodukten, wie z.B. Siliciumwafern, produziert werden.
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Gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist ein Verfeinerungsverfahren für Siliciumreste unter Verwendung
eines Elektronenstrahls, welches in der Lage ist, die vorab beschriebene
Aufgabe zu erfüllen,
(a) einen Schritt eines selektiven Aufbereitens von Klumpen von
Siliciumresten vom n-Typ, welche ein bestimmtes Verunreinigungselement
als Dotiersubstanz enthalten, (b) einen Schritt eines Zerkleinerns
der aufbereiteten Klumpen von Siliciumresten, (c) einen Schritt
eines Anordnens des zerkleinerten Siliciums in einem Vakuumbehälter, (d) einen
Schritt eines Bestrahlens des zerkleinerten Siliciums, welches in
dem Vakuumbehälter
angeordnet wurde, mit einem Elektronenstrahl, um das zerkleinerte
Silicium zu schmelzen und das bestimmte Verunreinigungselement zumindest
teilweise zu verdampfen, und (e) einen Schritt eines Verfestigens des
geschmolzenen Siliciums, welches erhalten wurde, auf.
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Alternativ
weist das Verfeinerungsverfahren auf, (a) einen Schritt eines selektiven
Aufbereitens von Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche ein
bestimmtes Verunreinigungselement als Dotiersubstanz enthalten,
(b) einen Schritt eines Zerkleinerns der aufbereiteten Klumpen von
Siliciumresten, um körniges
Silicium zu erhalten, (c) einen Schritt eines Anordnens des körnigen Siliciums
in einem in einem Vakuumbehälter
vorhandenen Halteabschnitt, (d) einen Schritt eines Zuführens eines
Anteils des körnigen
Siliciums in dem Halteabschnitt zu einem in dem Vakuumbehälter vorhandenen
Herd, eines Bestrahlens des körnigen
Siliciums in dem Herd mit einem Elektronenstrahl, um das körnige Silicium
zu schmelzen und geschmolzenes Silicium zu erhalten, von welchem
das bestimmte Verunreinigungselement zumindest teilweise verdampft
worden ist, (e) einen Schritt eines Beförderns des geschmolzenen Siliciums
zu einem in dem Vakuumbehälter
vorhandenen Tiegel, (f) einen Schritt eines vorgeschriebene Anzahl
häufigen
Wie derholens der Schritte (d) und (e), und (g) einen Schritt eines
Verfestigens des geschmolzenen Siliciums in dem Tiegel.
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Der
Umfang, zu welchem das bestimmte Verunreinigungselement verdampft
wird, wird auf der Grundlage der geforderten Reinheit des zu erzeugenden
Siliciums bestimmt. Wenn zum Beispiel das erzeugte Silicium als
ein Material für
Solarzellen verwendet wird, wird der Grad der Verdampfung derart bestimmt,
dass das erzeugte Silicium eine Reinheit von 99,999% aufweist, was
jedoch von dem Typ des Verunreinigungselements, welches als Dotiersubstanz
enthalten ist, abhängt.
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Das
Verunreinigungselement in den Siliciumresten ist vorzugsweise Phosphor,
Arsen oder Antimon. Phosphor, Arsen und Antimon weisen im Vakuum
einen hohen Dampfdruck auf, so dass sie relativ leicht in einer
kurzen Zeit durch das erfindungsgemäße Verfeinerungsverfahren entfernt
werden können, und
ein hochreines zu erzeugendes Silicium effektiv hergestellt werden
kann.
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Der
Schritt des selektiven Aufbereitens der Klumpen von Siliciumresten
kann ein Schritt eines Kaufens von Klumpen von Siliciumresten vom
n-Typ, welche das bestimmte Verunreinigungselement als Dotiersubstanz
enthalten, sein oder er kann ein Schritt eines Auswählens von
Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche das bestimmte Verunreinigungselement
als Dotiersubstanz enthalten, aus gekauften Klumpen von Siliciumresten
sein. In dem erstgenannten Fall weist der Aufbereitungsschritt einen
Schritt eines Messens des elektrischen spezifischen Widerstands
der gekauften Klumpen von Siliciumresten, einen Schritt eines Bestimmens,
ob die gekauften Klumpen von Siliciumresten das bestimmte Verunreinigungselement
als Dotiersubstanz enthalten oder nicht, basierend auf dem gemessenen elektrischen
spezifischen Widerstand, und einen Schritt eines Nicht-verwendens der gekauften
Klumpen von Siliciumresten, wenn es keine Klumpen von Siliciumresten
sind, welche das Verunreinigungselement als Dotiersubstanz enthalten,
auf. Es ist nicht notwendig, die Bestimmung, ob die Klumpen das
bestimmte Verunreinigungselement als Dotiersubstanz enthalten, bei
allen Klumpen von Siliciumresten durchzuführen und es reicht aus, diese
Bestimmung durchzuführen,
indem ein Anteil der gekauften Klumpen geprüft wird. In dem letztgenannten
Fall weist der Aufbereitungsschritt einen Schritt eines Messens
des elektrischen spezifischen Widerstands der gekauften Klumpen
von Siliciumresten und einen Schritt eines Auswählens der Klumpen von Siliciumresten
vom n-Typ, wel che das bestimmte Verunreinigungselement als Dotiersubstanz
enthalten, basierend auf dem gemessenen spezifischen Widerstand
auf.
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Bei
Silicium, welches momentan hergestellt wird, variiert der elektrische
spezifische Widerstand der Klumpen von Siliciumresten in Abhängigkeit
von dem Typ der Verunreinigungselemente, welche darin enthalten
sind. Auf der Grundlage dieser Tatsache konzipierten die vorliegenden
Erfinder ein Ermitteln, ob die gekauften Klumpen von Siliciumresten
ein bestimmtes Verunreinigungselement als Dotiersubstanz enthalten,
basierend auf dem elektrischen spezifischen Widerstand der Klumpen
von Siliciumresten und ein Auswählen
nur derjenigen von den gekauften Klumpen von Siliciumresten, welche
das bestimmte Verunreinigungselement enthalten, und sie stellten dadurch
die vorliegende Erfindung fertig.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfeinerungsverfahren
weist vorzugsweise weiter den Schritt eines Messens des elektrischen
spezifischen Widerstands der Siliciumklumpen, welche bei dem Verfestigungsschritt
erhalten werden, und eines Ermittelns, ob die Klumpen von Siliciumresten,
welche beim Verfeinern verwendet werden, Klumpen von Siliciumresten
vom n-Typ sind, welche das bestimmte Verunreinigungselement als
Dotiersubstanz enthalten, basierend auf dem gemessenen elektrischen
spezifischen Widerstand auf. Abhängig
von der Zusammensetzung der Siliciumreste kann ein Klumpen von Siliciumresten ein
Verunreinigungselement enthalten, welches sich von dem bestimmten
unterscheidet, auch wenn der elektrische spezifische Widerstand
des Klumpens mit dem des bestimmten Verunreinigungselements übereinstimmt.
In solch einem Fall kann, wenn das Verfeinern ausgeführt wird,
um das bestimmte Verunreinigungselement zu entfernen, das Verunreinigungselement,
welches ein anderes als das bestimmte ist, im Wesentlichen nicht
oder überhaupt
nicht entfernt werden, und ein zu erzeugendes hochreines Silicium kann
nicht erhalten werden. Erfindungsgemäß wird der elektrische spezifische
Widerstand der Siliciumklumpen, welche bei dem Verfestigungsschritt
erhalten werden, gemessen und basierend auf dem gemessenen elektrischen
spezifischen Widerstand kann ermittelt werden, ob die Klumpen von
Siliciumresten, welche beim Verfeinern verwendet werden, Klumpen
von Siliciumresten vom n-Typ sind, welche das bestimmte Verunreinigungselement
als Dotiersubstanz enthalten, so dass das vorab beschriebene Problem
nicht auftritt. Wenn Siliciumreste, welche ein bestimmtes Verunreinigungselement
enthalten, von einem bestimmten Hersteller gekauft werden, ist es nicht
notwendig, den vorab beschriebenen Ermittlungsschritt bezüglich jedem
zu erzeugenden Silicium durchzu führen
und es reicht aus, einen Anteil all der gekauften Siliciumreste
zu verfeinern und zu erzeugendes Silicium herzustellen und den vorab
beschriebenen Ermittlungsschritt bei dem erzeugten Silicium auszuführen, welches
aus dem Anteil hergestellt ist.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfeinerungsverfahren
für Siliciumreste
unter Verwendung eines Elektronenstrahls werden selektiv Klumpen von
Siliciumresten vom n-Typ, welche ein bestimmtes Verunreinigungselement
als Dotiersubstanz enthalten, aufbereitet, die aufbereiteten Klumpen
von Siliciumresten werden zerkleinert, das zerkleinerte Silicium
wird in einem Vakuumbehälter
mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und geschmolzen und das Verunreinigungselement
wird zumindest teilweise verdampft und das sich ergebende geschmolzene
Silicium wird verfestigt. Daher kann hochreines Silicium aus Siliciumresten
in einer kurzen Zeitspanne und mit einer guten Effizienz hergestellt
werden. Wenn zusätzlich
ein Schritt eines Zuführens
eines Anteils des körnigen
Siliciums in einem Halteabschnitt eines Vakuumsbehälters zu
einem in dem Vakuumbehälter vorhandenen
Herd und eines Bestrahlens des körnigen
Siliciums in dem Herd mit einem Elektronenstrahl, um es zu schmelzen,
und eines Erhaltens von geschmolzenem Silicium, von welchem ein
Verunreinigungselement zumindest teilweise verdampft wurde, ein
Schritt eines Beförderns
des geschmolzenen Siliciums zu einem in dem Vakuumbehälter vorhandenen
Tiegel und ein Schritt eines Bestrahlens des geschmolzenen Siliciums,
welches zu dem Tiegel transportiert wurde, mit einem Elektronenstrahl,
um das bestimmte Verunreinigungselement weiter zu verdampfen, eine
vorgeschriebene Anzahl oft wiederholt werden, kann ein Verfeinerungsvorgang
kontinuierlich ausgeführt
und ein Verfeinern von Silicium effektiv ausgeführt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Flussdiagramm der Schritte einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
eines Verfeinerungsverfahrens für
Siliciumreste.
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches die Details des Verfeinerungsschritts
der 1 darstellt.
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches die Details des Zerkleinerungsschritts
der 2 darstellt.
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4 ist
eine schematische Darstellung, welche die Gesamtstruktur einer Ausführungsform einer
Verfeinerungsvorrichtung, welche bei der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden kann, darstellt.
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5 ist
eine schematische Darstellung, welche die Struktur der in 4 dargestellten
Rohmaterialzuführvorrichtung
darstellt.
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6 ist
eine schematische Ansicht, welche die Struktur der in 4 dargestellten
Rutsche darstellt.
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7 ist
eine schematische Ansicht, welche die Struktur des in 4 dargestellten
Tiegels darstellt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Im
Folgenden wird eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Verfeinerungsverfahrens
für Siliciumreste
unter Verwendung eines Elektronenstrahls mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt ist, weist diese erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Verfahrens zur Verfeinerung von Siliciumresten unter Verwendung
eines Elektronenstrahls einen Schritt A eines selektiven Aufbereitens
von Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche ein bestimmtes
Verunreinigungselement als Dotiersubstanz enthalten, einen Schritt
B eines Verfeinerns der Siliciumreste, um zu erzeugendes Silicium
herzustellen, und einen Schritt C eines Analysierens des erzeugten
Siliciums und eines wiederholten Ermittelns, ob die aufbereiteten Klumpen
von Siliciumresten das bestimmte Verunreinigungselement als Dotiersubstanz
enthalten, auf. Diese Schritte werden im Folgenden im Detail beschrieben.
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Schritt A (Aufbereitungsschritt)
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Zuerst
werden Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche ein bestimmtes
Verunreinigungselement als Dotiersubstanz enthalten, wie z.B. Klumpen
von Siliciumresten vom n-Typ, welche Antimon als Dotiersubstanz
enthalten, selektiv aufbereitet. Insbesondere werden Klumpen von
Siliciumresten vom n-Typ, welche Antimon als Dotiersubstanz enthalten,
gekauft oder Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche Antimon
als Dotiersubstanz enthalten, werden von gekauften Klumpen von Siliciumresten, welche
verschiedene Verunreinigungselemente enthalten, ausgewählt.
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Wenn
Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche jeweils Antimon als
Dotiersubstanz enthalten, gekauft werden, wird der elektrische spezifische
Widerstand einer Anzahl von Proben, welche von den gekauften Klumpen
von Siliciumresten ausgewählt
sind, gemessen, und auf der Grundlage des gemessenen elektrischen
spezifischen Widerstands wird bestimmt, ob die gekauften Klumpen
von Siliciumresten nur Antimon enthalten. Bei einem momentan hergestellten
Silicium ist der elektrische spezifische Widerstand von Siliciumresten
vom n-Typ, welche Arsen als Dotiersubstanz enthalten, geringer als 5
Milliohm × cm,
wobei der elektrische spezifische Widerstand von Siliciumresten
vom n-Typ, welche Antimon als Dotiersubstanz enthalten, zwischen
5 Milliohm × cm
und 30 Milliohm × cm
und der elektrische spezifische Widerstand von Siliciumresten vom n-Typ,
welche Phosphor als Dotiersubstanz enthalten, zwischen 0,1 Ohm × cm und
1 Milliohm × cm liegt,
so dass der elektrische spezifische Widerstand wesentlich abhängig von
der Verunreinigung variiert und mit Sicherheit bestimmt werden kann,
ob die gekauften Siliciumreste Antimon enthalten.
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Wenn
Klumpen von Siliciumresten vom n-Typ, welche Antimon als Dotiersubstanz
enthalten, aus einem Gemisch von gekauften Klumpen von Siliciumresten,
welche verschiedene Verunreinigungselemente enthalten, ausgewählt werden,
wird der elektrische spezifische Widerstand von jedem Siliciumklumpen
gemessen und auf der Grundlage der Messung werden Klumpen von Siliciumresten
vom n-Typ, welche Antimon als Dotiersubstanz enthalten, ausgewählt.
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Schritt B (Verfeinerungsschritt)
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In
diesem Schritt werden die Klumpen von Siliciumresten, welche in
dem Schritt A aufbereitet wurden, pulverisiert und geschmolzen,
um sie zu verfeinern. Dieser Schritt wird mit weiteren Details später beschrieben.
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Schritt C (Verunreinigungsermittlungsschritt)
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Die
Reinheit und der elektrische spezifische Widerstand des verfeinerten
Siliciums werden gleichzeitig gemessen. Auf der Grundlage des gemessenen
elektrischen spezifischen Widerstands wird wiederum ermittelt, ob
die Siliciumreste, welche verwendet wurden, das bestimmte Verunreinigungselement als
Dotiersubstanz enthalten. Es wird zum Beispiel bestimmt, ob die
Siliciumreste, welche verwendet wurden, Antimon oder Arsen als Dotiersubstanz
enthielten. Für
den Fall dass der elektrische spezifische Widerstand des verfeinerten
Siliciums kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist, wird bestimmt,
dass die Siliciumreste, welche verwendet wurden, ein anderes Verunreinigungselement
als Antimon oder Arsen enthalten, wie z.B. Phosphor. Wenn bestimmt
wird, dass die Siliciumreste, welche verwendet wurden, ein anderes
Verunreinigungselement als Antimon oder Arsen enthielten, werden
die Verfeinerungsbedingungen geändert.
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Der
Verfeinerungsschritt (Schritt B) umfasst einen Zerkleinerungsschritt,
einen Schmelzschritt und einen Verfestigungsschritt. Diese Schritte
werden im Folgenden der Reihe nach beschrieben.
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Zerkleinerungsschritt
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In
diesem Schritt werden die Siliciumreste, welche in Schritt A aufbereitet
wurden (und welche im Folgenden als "Siliciumrohmaterial" bezeichnet werden) auf eine Größe zerkleinert,
welche für
den nachfolgenden Schmelzschritt geeignet ist. 3 stellt die
Details des Zerkleinerungsschritts dar. Zuerst wird das Siliciumrohmaterial
durch ein Verfahren, wie z.B. Aufheizen unter Verwendung eines Gasbrenners,
Aufheizen unter Verwendung einer elektrischen Brennkammer oder Hochfrequenzheizen
aufgeheizt und dann schnell durch Wasserkühlung oder Luftkühlung abgekühlt. Ausgehend
von den vorab beschriebenen Heizverfahren ist insbesondere eine
Verwendung des Hochfrequenzheizens vorzuziehen, da es eine Kontaminierung
während
des Heizens verhindern kann und eine relativ einfache Vorrichtung
verwendet wird. Das Aufheizen des Siliciumrohmaterials wird auf
feuerfestem Backstein oder Siliciumoxid durchgeführt, um eine Adhäsion von
Metallverunreinigungen an dem Siliciumrohmaterial zu verhindern. Als
Ergebnis der vorab beschriebenen Heiz- und Kühlschritte wird das Siliciumrohmaterial
brüchig
und ist einfach zu verkleinern. Dann werden Stücke des Siliciumrohmaterials
gegeneinander gestoßen
und zerkleinert. Wenn dieses Zerkleinern per Hand durchgeführt wird,
werden Stücke
des Siliciumrohmaterials in beiden Händen oberhalb einer Ablage gehalten,
welche aus Kunststoff, wie z.B. Polyethylen, hergestellt ist, und
zerkleinert, indem sie gegeneinander gestoßen werden. Das zerkleinerte
Siliciumrohmaterial (im Folgenden als "körnige
Siliciumreste" bezeichnet)
wird in der Ablage gesammelt. Da die Ablage aus Kunststoff hergestellt
ist, enthält
sie keine metallischen Verunreinigungen, welche an den körnigen Siliciumresten
während
des Zerkleinerns anhaften könnten.
Dieser Zerkleinerungsschritt kann auch durch einen Zerkleinerer
durchgeführt
werden, welcher dieselbe Arbeit, wie diejenige, welche durch manuelles
Zerkleinern durchgeführt
wird, durchführt. Die
Details des Zerkleinerungsschritts sind in der US-Patentanmeldung
Nr. 10/954,350 (Method of Crushing Silicon Blocks) offenbart, deren
Gesamtheit hier durch Inbezugnahme mit aufgenommen ist.
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Schmelzschritt
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Die
körnigen
Siliciumreste, welche bei dem vorab beschriebenen Zerkleinerungsschritt
erhalten werden, werden in einem Herd angeordnet, welcher sich in
einem Vakuumbehälter
befindet, der zum Beispiel auf einen Druck von 10–4 Torr
oder weniger abgesenkt ist. Die körnigen Siliciumreste werden
dann derart mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, dass sie schmelzen
und ein geschmolzenes Silicium erhalten wird, welches auf eine Temperatur
von zum Beispiel zumindest 1500°C
aufgeheizt ist (und welches im Folgenden als „Schmelze" bezeichnet wird). Die Schmelze wird
dann zu einem wassergekühlten
Tiegel, welcher sich angrenzend an dem Herd in dem Vakuumbehälter befindet,
befördert.
Vorzugsweise wird, nachdem eine vorgeschriebene Menge des körnigen Siliciums
in einem in dem Vakuumbehälter
vorhandenen Halteabschnitt angeordnet ist, (a) ein Schritt eines
Zuführens
eines Anteils des körnigen
Siliciums in dem Halteabschnitt zu einem innerhalb des Vakuumsbehälters vorhandenen
Herd, eines Bestrahlens des körnigen
Siliciums in dem Herd mit einem Elektronenstrahl, um es zu schmelzen,
und eines Erhaltens von geschmolzenem Silicium, von welchem das
bestimmte Verunreinigungselement zumindest teilweise verdampft wurde,
(b) ein Schritt eines Beförderns
des geschmolzenen Siliciums zu einem in dem Vakuumbehälter vorhandenen
Tiegel und optional (c) ein Schritt eines Bestrahlens des geschmolzenen
Siliciums, welches zu dem Tiegel befördert wurde, mit einem Elektronenstrahl,
um das bestimmte Verunreinigungselement weiter zu verdampfen, eine
vorgeschriebene Anzahl oft wiederholt. Wenn die geforderte Reinheit
des Siliciums gering ist, kann der Schritt (c) ausgelassen werden.
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Verfestigungsschritt
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Das
geschmolzene Silicium in dem Tiegel wird gekühlt. In einem wassergekühlten Tiegel
wird eine Siliciumschmelze einer gerichteten Verfestigung unterzogen
und Schwermetalle, welche in dem Siliciumrohmaterial enthalten sind,
oder Schwermetalle, welche sich während der vorab beschriebenen Schritte
eingemischt haben, werden durch Segregation entfernt.
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Als
nächstes
wird ein Beispiel einer Verfeinerungsvorrichtung, welche verwendet
werden kann, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verfeinerung
von Siliciumresten durchzuführen,
mit Bezug auf 4–7 beschrieben.
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Wie
in 4 dargestellt ist, weist diese Verfeinerungsvorrichtung
einen Vakuumbehälter
(Vakuumkammer) 1, eine in dem Vakuumbehälter angeordnete Rohmaterialzuführvorrichtung 2,
einen Herd 4, welcher sich in dem Vakuumbehälter 1 befindet
und körnige
Siliciumreste aufnimmt, welche über
eine Rutsche 3 durch die Rohmaterialzuführvorrichtung 2 zugeführt werden,
eine Elektronenkanone 5, welche die körnigen Siliciumreste in dem
Herd 4 mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und sie schmilzt,
einen Tiegel 6, zu welchem eine Schmelze von dem Herd 4 zugeführt wird,
und eine Elektronenkanone 7, welche die Schmelze in dem
Tiegel 6 mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, auf.
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Der
Vakuumbehälter 1 ist
mit einer nicht dargestellten Vakuumpumpe verbunden. In seinem oberen
Abschnitt ist der Vakuumbehälter 1 mit
einem entfernbaren abdichtenden Deckel 1a ausgestattet,
welcher eine Öffnung
hermetisch abdichtet, durch welche ein Rohmaterial in der Form von
körnigen
Siliciumresten der Materialzuführvorrichtung 2 von
dem Äußeren des
Vakuumbehälters 1 zugeführt werden kann.
Die Rohmaterialzuführvorrichtung 2 besteht aus
einem handelsüblich
verfügbaren
Vibrationsförderer
(z.B. einem Schüttgutbunker
vom JA-Typ von SANKI Co., Ltd.), welcher zum Einsatz in einem Hochtemperaturvakuumraum
in solch einer Weise verändert
ist, dass neben anderen Dingen aus Eisen hergestellte Teile durch
aus rostfreiem Stahl hergestellte Teile ersetzt sind, um ein Erzeugen
von Rost in dem Hochtemperaturvakuumraum zu verhindern, und wobei
gewöhnliches
Schmiermittel durch Schmiermittel zur Verwendung im Vakuum ersetzt
ist. Wie in 5 dargestellt ist, weist die
Rohmaterialzuführvorrichtung
einen Metallbunker 20, welcher als ein Rohmaterialhalteabschnitt
fungiert, einen Rohmaterialbewegungsabschnitt 21, welcher
die körnigen
Siliciumreste vibrierend zu einer horizontalen Position, welche
dem oberen Ende der Rutsche 3 entspricht, bewegt und sie
dann auf die Rutsche 3 fallen lässt, einen Antriebsabschnitt 22,
welcher dem Rohmaterialbewegungsabschnitt 21 vorgeschriebene
Vibrationen verleiht, und eine Steuereinheit 23, welche
den Antriebsabschnitt 22 steuert und außerhalb des Vakuumbehälters 1 angebracht
ist, auf. Die Zuführgeschwindigkeit
der körnigen
Siliciumreste kann verändert
werden, indem der Steuereinheit 23 eine Anweisung eingegeben
wird und indem das Ausmaß der
Vibrationen gesteuert wird. Eine Beschichtung aus Kunststoff, wie
z.B. Polyethylen, ist auf denjenigen Abschnitten der inneren Umfangsoberfläche des
Bunkers 20 vorhanden, welche durch die körnigen Siliciumreste
ohne eine Beschichtung berührt
werden könnten.
Zusätzlich
ist der Rohmaterialbewegungsabschnitt 21 aus Kunststoff
hergestellt. Demzufolge kommen die körnigen Siliciumreste nicht
mit Metalloberflächen
in dem Bunker 20 oder dem Rohmaterialbewegungsabschnitt 21 in
Berührung,
und es kann verhindert werden, dass metallische Verunreinigungen
in dem Bunker 20 oder dem Rohmaterialbewegungsabschnitt 21 an
den körnigen Siliciumresten
anhaften.
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Wie
in 6 dargestellt ist, weist die Rutsche 3 einen
Rutschenkörper 30 auf,
welcher aus Kupfer hergestellt ist und mit einem Winkel von ungefähr 15–60° mit Bezug
auf die Horizontale geneigt ist, um die körnigen Siliciumreste zu leiten,
welche von der Rohmaterialzuführvorrichtung 2 zu
dem Herd 4 auf die Rutsche 3 fallen. Die Rutsche 3 weist
auch eine Kühlwasserleitung 31 auf,
welche den Rutschenkörper 30 kühlt und
den Effekt einer Strahlungshitze von dem Silicium, welches in dem
Herd 4 geschmolzen wird, abschwächt. Eine Siliciumauskleidung 32 ist
auf der oberen Oberfläche
des Rutschenkörpers 30 vorhanden,
wo er direkt durch das körnige
Silicium berührt
worden wäre,
um Verunreinigungen des Rutschenkörpers 30 zu verhindern,
welche in das körnige
Silicium zugemischt sind. Bei dieser Ausführungsform weist der Rutschenkörper 30 eine
obere Oberfläche
und ein Paar von nicht dargestellten Seitenwänden auf, und eine Siliciumplatte, welche
aus einem hochreinen Siliciumrohling ausgeschnitten ist, ist auf
der oberen Oberfläche
und den inneren Oberflächen
der Seitenwände
als die Siliciumauskleidung 32 vorhanden. Eine Strahlungsabschottung
(Abtrennung) 33 ist oberhalb der Rutsche vorhanden, um
die Rohmaterialzuführvorrichtung 2 vor
einer Wärmestrahlung
von dem Herd 4 zu schützen
und zu verhindern, dass ein Anteil der Siliciumreste oder Fragmente
davon von der Rohmaterialzuführvorrichtung 2 in
den Tiegel 6 fliegen.
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Obwohl
es in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, weist der Herd 4 eine
Vertiefung in seinem oberen Abschnitt, um die körnigen Siliciumreste aufzunehmen, und
eine Schüttöffnung,
durch welche das geschmolzene Silicium in den Tiegel 6 geschüttet werden
kann, auf. Der Herd 4 ist derart gelagert, dass er um eine
Drehachse 4a nach oben und nach unten schwingen kann. Wenn
das geschmolzene Silicium von dem Herd 4 in den Tiegel
geschüttelt
wird, kann der Herd durch eine nicht dargestellte Betätigungsvorrichtung
derart gekippt werden, dass seine linke Seite (die Seite benachbart
zu dem Tiegel 6) in 4 abgesenkt
wird.
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Wie
in 7 dargestellt ist, weist der Tiegel 6 einen
wassergekühlten
Tiegelkörper 60,
welcher aus Kupfer hergestellt ist, und eine wassergekühlte Kühlfalle 61,
welche oberhalb des Tiegelkörpers 60 angebracht
ist, auf. Die Kühlfalle 61,
welche aus Kupfer hergestellt ist, fängt zum Beispiel Verunreinigungen,
welche von der Schmelze in dem Tiegelkörper 60 durch Bestrahlung
mit einem Elektronenstrahl verdampft sind, auf. Die Kühlfalle 61 ist
vorzugsweise derart gelagert, dass sie bezüglich des Tiegelkörpers derart
nach oben und nach unten bewegt werden kann, dass ihre Höhe gemäß des Umfangs
des geschmolzenen Siliciums in dem Tiegelkörper 60 verändert werden
kann, wodurch die Erfassungsrate von Verunreinigungselementen, welche
verdampft werden, erhöht
werden kann.
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Als
nächstes
wird der Betrieb des oben beschriebenen Beispiels einer Verfeinerungsvorrichtung
beschrieben. Zuerst werden die Klumpen von Siliciumresten pulverisiert,
um körnige
Siliciumreste auszubilden. Der Deckel 1a des Vakuumbehälters 1 wird
geöffnet
und der Bunker 20 der Rohmaterialzuführvorrichtung 2 wird
mit den körnigen
Siliciumresten gefüllt.
Der Deckel 1a wird dann geschlossen und ein Vakuum eines
vorgeschriebenen Niveaus wird innerhalb des Vakuumbehälters 1 erzeugt.
Die Rohmaterialzuführvorrichtung 2 wird
dann in Betrieb genommen und die körnigen Siliciumreste innerhalb
des Bunkers werden mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit auf
die Rutsche 3 freigesetzt und durch die Rutsche 3 dem Herd 4 zugeführt. Wenn
dem Herd 4 eine vorgeschriebene Menge der körnigen Siliciumreste
zugeführt
worden ist, wird die Elektronenkanone 5 in Betrieb genommen
und ein Elektronenstrahl bestrahlt die körnigen Siliciumreste in dem
Herd 4 und schmilzt sie, um eine Schmelze mit einer vorgeschriebenen
Temperatur zu erhalten.
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Wenn
das Schmelzen abgeschlossen ist, wird der Herd 4 gekippt
und geschmolzenes Silicium von dem Herd 4 in den Tiegelkörper 60 geschüttet. Bevor
sich die Schmelze in dem Tiegel 6 verfestigt, wird eine
Elektronenkanone 7, welche oberhalb des Tiegels 6 angeordnet
ist, in Betrieb genommen, um die Schmelze in dem Tiegel 6 mit
einem Elektronenstrahl zu bestrahlen und das Verunreinigungselement,
welches in der Schmelze vorhanden ist, weiter zu verdampfen. Der
vorab beschriebene Vorgang wird wiederholt, bis die Schmelze in
dem Tiegel ein vorgeschriebenes Niveau erreicht. Dann wird der Tiegel 6 gekühlt und
die Schmelze verfestigt. Zu dieser Zeit tritt eine gerichtete Verfestigung
der Siliciumschmelze auf und Schwermetalle, welche in dem Rohsiliciummaterial
enthalten sind, werden durch Segregation entfernt. Speziell durch
die Verfestigung werden Schwermetalle in die flüssige Phase versetzt und am
Ende der Verfestigung verfestigen sich die Schwermetalle in einem
Endabschnitt eines sich ergebenden Klumpens aus Silicium. Nach Abschluss der
Verfestigung wird der Endabschnitt des Klumpens aus Silicium ausgeschnitten,
um die Schwermetalle zu entfernen. Auf diese Weise wird ein hochreiner
Siliciumklumpen erhalten.
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Bei
der vorab beschriebenen Ausführungsform
ist die Rohmaterialzuführvorrichtung 2 ein
Vibrationsförderer.
Die Rohmaterialzuführvorrichtung 2 kann
jedoch eine Kombination aus einem Bunker und einem Schneckenabgeber,
eine Kombination aus einem Bunker und einem Durchgangsmechanismus, eine
Kombination aus einem Behälter
und einem Manipulator oder eine Kombination aus einem Behälter und
einem Förderer
sein.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfeinerungsverfahren
kann angewendet werden, um Siliciumreste zu recyceln, um aus Siliciumresten,
welche Verunreinigungselemente enthalten und welche während der Herstellung
von Siliciumprodukten, wie z.B. Siliciumwafern, produziert werden,
hochreines Silicium herzustellen.