-
Diese
Erfindung betrifft eine Tiegelvorrichtung, welche verwendet werden
kann, um ein geschmolzenes Material zu verfestigen, und ein Verfahren
zum Verfestigen eines geschmolzenen Materials, wobei die Vorrichtung
eingesetzt wird. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Tiegelvorrichtung
und ein Verfestigungsverfahren, welche ideal zur Verfestigung von
geschmolzenem Silicium sind, welches erhalten wird, indem Siliciumabfall
geschmolzen und Verunreinigungen in dem Silizium verdampft werden.
-
Es
ist wünschenswert,
Siliciumabfall wieder zu verwenden, welcher sich bildet, wenn Silicium
für Halbleiter
gefertigt wird. Jedoch enthält
Siliciumabfall in einigen Fällen
Verunreinigungen (Dotiersubstanzen), so dass es, um solchen Siliciumabfall
wieder zu verwenden, notwendig ist, zuerst die Verunreinigungen
zu entfernen und die Reinheit des Siliciums zu erhöhen. Techniken
zur Vakuumveredelung von Siliciumabfall, wobei ein Elektronenstrahl
eingesetzt wird, sind entwickelt worden, um diese Aufgaben auszuführen. Bei
der Vakuumveredelung werden Klumpen von Silicium, welche erhalten
werden, indem Siliciumabfall zerbrochen wird, mit einem Elektronenstrahl
bestrahlt und geschmolzen, um Verunreinigungen, welche in dem Siliciumabfall
enthalten sind, zu verdampfen und die Reinheit des Siliciums zu
erhöhen.
Das geschmolzene Silicium wird dann in einem Tiegel verfestigt,
um einen Siliciumrohling einer hohen Reinheit zu erhalten.
-
Bei
dem vorab beschriebenen Verfahren zur Vakuumveredelung des Siliciums
wird typischerweise ein Quarztiegel aus einem Stück, welcher demjenigen ähnlich ist,
der in der veröffentlichten
nicht geprüften
japanischen Patentanmeldung 2002-226291 beschrieben
ist, verwendet. Jedoch ist es notwendig, um verfestigtes Silicium
aus solch einem Tiegel zu entfernen, den Tiegel zu zerstören, so
dass der Tiegel nicht wieder verwendet werden kann. Ein Quarztiegel
ist äußerst teuer,
so dass die Anforderung, den Tiegel zu zerstören, die Kosten zur Verfeinerung
von Siliciumabfall erhöht.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Tiegelvorrichtung, welche wiederholt
verwendet werden kann, und ein Verfestigungsverfahren, welches die Tiegelvorrichtung
verwendet, bereit.
-
Eine
Tiegelvorrichtung gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausbildungsform
umfasst einen hohlen Tiegelkörper,
welcher an seinem oberen Ende und seinem unteren Ende offen ist,
und eine getrennt davon ausgebildete Bodenplatte, welche das untere Ende
des Tiegelkörpers
verschließen
kann. Ein Raum zur Aufnahme eines geschmolzenen Materials wird ausgebildet,
indem der Tiegelkörper
auf der Bodenplatte angeordnet wird.
-
Der
Tiegelkörper
weist vorzugsweise in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt auf, um
eine Herstellung des Tiegelkörpers
wie auch das Entfernen von verfestigtem Material von dem Tiegelkörper zu
erleichtern. Die Form der Bodenplatte ist nicht beschränkt, aber
eine kreisförmige
Form kann von dem Standpunkt einer Vereinfachung der Herstellung
vorteilhaft sein. Verschiedene Materialien können für den Tiegelkörper und
die Bodenplatte verwendet werden. Zum Beispiel können sie aus einem Material,
wie z.B. Kupfer, ausgebildet werden, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt
als Silicium aufweist, aber eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, so dass die Oberfläche
des Materials im Kontakt mit dem geschmolzenen Silicium abgekühlt werden
kann, so dass das Material nicht das geschmolzene Silicium kontaminiert,
indem es in dieses einschmilzt oder in dieses extrahiert. Alternativ kann
es aus einem Material, wie z.B. Grafit ausgebildet werden, welches
einen höheren
Schmelzpunkt als Silicium aufweist, so dass das Material in einem ungekühlten Zustand
verwendet werden kann, ohne in das geschmolzene Silicium einzuschmelzen
oder in dieses zu extrahieren. Von einem praktischen Gesichtspunkt
her, wird der Tiegelkörper
vorzugsweise aus Kupfer oder Grafit ausgebildet und die Bodenplatte
wird vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet.
-
Der
Tiegelkörper
kann einen Schlitz aufweisen, welcher von seinem oberen Ende bis
zu seinem unteren Ende ausgebildet ist. Alternativ kann sich der Tiegelkörper verjüngen, so
dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als
der Durchmesser seines unteren Endes ist. Wenn der Tiegelkörper einen
Schlitz aufweist oder verjüngt
ist, wirkt keine übermäßige Kraft
auf den Tiegelkörper
ein, wenn sich das geschmolzene Material während des Verfestigungsprozesses
ausdehnt, so dass Risse verhindert werden können, welche sich während der Verfestigung
in dem Tiegelkörper
ausbilden.
-
Ein
Verfestigungsverfahren gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfasst ein Anordnen eines Tiegelkörpers, welcher an seinem oberen
Ende und seinem unteren Ende offen ist, über einer Bodenplatte, um einen
Raum auszubilden, um ein geschmolzenes Material aufzunehmen, Schütten eines
geschmolzenen Materials in den Raum, Verfestigen des geschmolzenen
Materials in dem Tiegelkörper,
Entfernen des Tiegelkörpers
von der Bodenplatte, Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des verfestigten
Materials in dem Tiegelkörper,
und Entfernen des verfestigten Materials von dem Tiegelkörper durch
ein Ende des Tiegelkörpers.
-
Vor
dem Schütten
des geschmolzenen Materials in den aufnehmenden Raum, welcher durch
den Tiegelkörper
und die Bodenplatte definiert ist, wird vorzugsweise ein festes
Material auf dem Boden des Raums derart angeordnet, dass es im Wesentlichen den
Boden des aufnehmenden Raums überdeckt. Das
feste Material verhindert, dass geschmolzenes Material, welches
in den Raum geschüttet
wird, direkt die Bodenoberfläche
des Raumes berührt,
wodurch verhindert werden kann, dass sich Bestandteile des Tiegels
mit dem geschmolzenen Material aufgrund eines thermischen Schocks
vermischen. Das feste Material umfasst vorzugsweise dieselben Substanzen
wie das geschmolzene Material. Wenn zum Beispiel das geschmolzene
Material raffiniertes Silicium umfasst, umfasst das feste Material
vorzugsweise Klumpen von vorher raffiniertem Silicium.
-
Gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist eine Tiegelvorrichtung eine Mehrzahl von hohlen Tiegelkörpern, wobei
jeder an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, und einen
drehbaren Tisch auf, welcher die Mehrzahl der Tiegelkörper halten
und die unteren Enden der Tiegelkörper verschließen kann.
Eine Mehrzahl von aufnehmenden Räumen
zum Aufnehmen von geschmolzenem Material wird definiert, indem die
Tiegelkörper
auf dem drehbaren Tisch angeordnet werden. Aufgrund des Vorhandenseins
einer Mehrzahl von Tiegelkörpern,
ist es möglich,
einen höheren Durchsatz
bei einer gleichzeitigen Herstellung einer Mehrzahl von Siliciumrohlingen
zu erzielen.
-
Die
Tiegelkörper
weisen vorzugsweise in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt auf, um
ihre Herstellung wie auch ein Entfernen von verfestigtem Material
von den Tiegelkörpern
zu erleichtern. Der drehbare Tisch ist nicht auf irgendeine besondere
Form beschränkt,
aber er ist typischerweise kreisförmig, um eine Herstellung zu
erleichtern. Die Tiegelkörper
sind vorzugsweise aus Kupfer oder Grafit ausgebildet, und der drehbare
Tisch ist vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet.
-
Jeder
Tiegelkörper
kann einen Schlitz aufweisen, welcher von seinem oberen Ende zu
seinem unteren Ende ausgebildet ist. Alternativ kann jeder Tiegelkörper verjüngt sein,
so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als
der Durchmesser seines unteren Endes ist. Wie vorab beschrieben
ist, wirkt, wenn ein Tiegelkörper
einen Schlitz aufweist oder verjüngt
ist, keine übermäßige Kraft
auf den Tiegelkörper
ein, wenn sich das geschmolzene Material während des Verfestigungsprozesses
ausdehnt, so dass verhindert werden kann, dass sich Risse in dem
Tiegelkörper
ausbilden.
-
Ein
Verfestigungsverfahren gemäß einer
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfasst Anordnen einer Mehrzahl von Tiegelkörper, welche an ihren oberen
und unteren Enden offen sind, auf einem drehbaren Tisch, um eine
Mehrzahl von aufnehmenden Räumen
zum Aufnehmen eines geschmolzenen Materials zu definieren, Drehen
des drehbaren Tisches und nachfolgendes Anordnen jedes aufnehmenden
Raums in eine Position, um nacheinander ein geschmolzenes Material
aufzunehmen und das geschmolzene Material in jeden aufnehmenden Raum
zu schütten,
Verfestigen des geschmolzenen Materials innerhalb jedes aufnehmenden
Raumes, Entfernen jedes Tiegelkörpers
von dem drehbaren Tisch, Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des
verfestigten Materials in jedem Tiegelkörper, wobei sich der Tiegelkörper in
einem umgekehrten Zustand befindet, und Entfernen des verfestigten
Materials von jedem Tiegelkörper
durch ein Ende des Tiegelkörpers.
-
Vor
dem Schütten
des geschmolzenen Materials in die aufnehmenden Räume, welche
durch die Tiegelkörper
definiert werden, wird vorzugsweise ein festes Material auf den
Boden jedes aufnehmenden Raumes derart eingeführt, dass es im Wesentlichen den
Boden des aufnehmenden Raumes überdeckt. In
derselben Weise, wie es vorab beschrieben ist, verhindert das feste
Material, dass geschmolzenes Material, welches in den Raum geschüttet wird,
die Bodenoberfläche
des Raumes direkt berührt,
wodurch verhindert wird, dass sich Bestandteile des Tiegels mit
dem geschmolzenen Material aufgrund eines thermischen Schocks vermischen.
Das feste Material umfasst vorzugsweise dieselbe Substanz wie das
geschmolzene Material.
-
Mit
einer Tiegelvorrichtung und einem Verfestigungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein Tiegelkörper
wiederholt verwendet werden, so dass nicht nur die Materialkosten
zur Raffination verringert werden können, sondern auch ein Entfernen
des verfestigten Materials erleichtert wird, so dass die Raffination
effizient ausgeführt
werden kann.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein schematischer Aufriss einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung,
welche mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung
ausgestaltet ist.
-
2 ist
ein aufgeschnittener Aufriss welcher den Zustand darstellt, in welchem
sich ein Siliciumrohling in Eingriff mit dem Auswerferstab der 1 befindet,
um den Rohling von einem Tiegelkörper
zu entfernen.
-
3 ist
ein Aufriss einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung.
-
4 ist
eine Darstellung der Tiegelvorrichtung der 3 von oben.
-
5 ist
ein schematischer Aufriss einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung,
welche eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Tiegelvorrichtung einsetzt.
-
6 ist
eine Draufsicht der Tiegelvorrichtung der 5.
-
BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 stellt
schematisch eine Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung dar, welche
mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
einer Tiegelvorrichtung ausgestaltet ist. Wie in 1 dargestellt
ist, weist die Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung eine Vakuumkammer 10 auf,
in welcher ein kippbarer Herd 11, eine Materialzufuhreinheit 13 und eine
Tiegelvorrichtung 20 vorhanden sind. Klumpen von Silicium,
welche vorher durch Brechen von Siliciumresten erhalten werden,
werden aufeinander folgend von der Zufuhreinheit 13 dem
Herd 11 zugeführt,
in welchem sie durch einen Elektronenstrahl von einer Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12,
die sich an dem oberen Ende der Vakuumkammer 10 befindet,
geschmolzen werden. Das Schmelzen verdampft Verunreinigungen, welche
in den Siliciumresten enthalten sind, um geschmolzenes Silicium
einer hohen Reinheit zu erhalten. Der Herd 11 wird dann gekippt
und geschmolzenes Silicium wird von dem Herd 11 in die
Tiegelvorrichtung 20 geschüttet. Das geschmolzene Silicium
wird innerhalb der Tiegelvorrichtung 20 verfestigt, um
einen Siliciumrohling einer hohen Reinheit auszubilden.
-
Die
Tiegelvorrichtung 20 umfasst einen hohlen Tiegelkörper 21,
welcher an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, und
eine kreisförmige Bodenplatte 22,
welche das untere Ende des Tiegelkörpers 21 verschließt. Der
Tiegelkörper 21 weist
in Querrichtung einen kreisförmigen
Querschnitt auf. Die Bodenplatte 22 ist fest auf einer
Trägerwelle 23 angebracht,
während
der Tiegelkörper 21 frei
auf der Bodenplatte 22 ruht. Der Tiegelkörper 21 ist
aus Kupfer hergestellt und verjüngt
sich über
seiner Länge, so
dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als
der Durchmesser seines unteren Endes ist. Da Kupfer einen Schmelzpunkt
besitzt, welcher niedriger als derjenige des Siliciums ist, werden sowohl
der Tiegelkörper 21 als
auch die Bodenplatte 22 vorzugsweise gekühlt, während sie
sich im Kontakt mit dem geschmolzenen Silicium befinden, indem sie
durch Wasser gekühlt
werden, welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserzufuhr zugeführt wird
und durch einen Kühlwasserdurchgang
in thermischer Verbindung mit den Oberflächen des Tiegelkörpers 21 und
der Bodenplatte 22, welche das geschmolzene Silicium berühren, zirkuliert.
Zum Beispiel können
sowohl der Tiegelkörper 21 als
auch die Bodenplatte 22 eine Doppelwandstruktur mit einem Durchgang
für Kühlwasser,
welcher in ihrem Inneren ausgebildet ist, aufweisen. Alternativ
können
Leitungen für
Kühlwasser
an einer äußeren Oberfläche des Tiegelkörpers 21 und
der Bodenplatte 22 angebracht sein und daran mittels Schweißen oder
eines anderen Verfahrens befestigt sein, welches ermöglicht, dass
Hitze zwischen den Leitungen und dem Tiegelkörper und der Bodenplatte abgeleitet
wird. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist ein spiralförmiger Kühlwasserdurchgang
auf dem Inneren des Tiegelkörpers 21 ausgebildet
und ein Spiralkühlwasserdurchgang
ist auf dem Inneren der Bodenplatte 22 ausgebildet. Da
der Tiegelkörper 21 einfach
auf der Bodenplatte 22 ruht, können winzige Zwi schenräume zwischen
dem Tiegelkörper 21 und
der Bodenplatte 22 vorhanden sein, aber aufgrund der Viskosität und der
Oberflächenspannung
des geschmolzenen Siliciums fließt das geschmolzene Silicium
nicht durch die winzigen Zwischenräume nach außen.
-
Die
sich verjüngende
Form des Tiegelkörpers 21 ermöglicht dem
geschmolzenen Material, sich innerhalb des Tiegelkörpers 21 auszudehnen, ohne übermäßige Belastungen
in dem Tiegelkörper 21 zu
erzeugen. Je größer der
Verjüngungswinkel
ist, desto geringer sind die Belastungen, welche auf die Wand des
Tiegelkörpers 21 einwirken,
aber wenn sich der Verjüngungswinkel
erhöht,
vergrößert sich der
Durchmesser des oberen Endes des Tiegelkörpers und es wird mehr Raum
benötigt,
um den Tiegelkörper 21 aufzubewahren
oder den Tiegelkörper 21 in
der Vakuumkammer 10 aufzunehmen. Wenn der Verjüngungswinkel
des Tiegelkörpers 21 groß ist, nimmt
darüber
hinaus der sich ergebende Siliciumrohling eine ungeeignete Form
an. Daher liegt von einem praktischen Standpunkt her gesehen der
Verjüngungswinkel
(der Winkel der inneren Oberfläche des
Tiegelkörpers 21 bezüglich der
Achse des Tiegelkörpers 21)
vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 20 Grad. Wenn der Durchmesser
des Tiegelkörpers 21 kleiner
als 200mm ist, liegt der Verjüngungswinkel
vorzugsweise in dem Bereich von 10 bis 20 Grad und wenn der Durchmesser
des Tiegelkörpers mindestens
200mm beträgt,
liegt der Verjüngungswinkel
vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 20 Grad. Ein spezielles Beispiel
für Abmessungen
des Tiegelkörpers 21 weist
eine Höhe
von 700mm, einen Durchmesser für
das untere Ende von 250mm und einen Durchmesser für das obere
Ende von 335mm auf, was einen Verjüngungswinkel von ungefähr 6 Grad
ergibt.
-
Ein
Auswerferstab 31 ist auf der Außenseite der Vakuumkammer 10 vorhanden.
Der Auswerferstab 31 ragt von der Mitte einer Trägerbasis
nach oben. Der Tiegelkörper 21 wird
von dem Inneren der Vakuumkammer 10 über den Auswerferstab 31 durch ein
nicht dargestelltes Fördermittel
transportiert, und die Bodenoberfläche eines Siliciumrohlings
SI, welcher durch Verfestigung des geschmolzenen Siliciums innerhalb
des Tiegelkörpers 21 ausgebildet
ist, berührt
den Auswerferstab 31. Wie in 2 dargestellt
ist, wird der Siliciumrohling SI dann aus dem Tiegelkörper 21 geschoben
während
er von dem Auswerferstab 31 berührt wird, indem der Auswerferstab 31 nach
oben bewegt wird und/oder indem der Tiegelkörper 21 nach unten
bewegt wird, um eine relativ Bewegung des Auswerferstabs 31 und
des Tiegelkörpers 21 zu
erzeugen. Der Siliciumrohling SI, welcher aus dem Tiegelkörper 21 geschoben
wurde, wird entweder per Hand oder durch ein getrenntes Fördermittel
zu einer vorgeschriebenen Stelle befördert.
-
Die
Materialzufuhreinheit 13 kann irgendeine Vorrichtung sein,
welche in der Lage ist, ein Material zur Raffination dem Herd 11 in
kontrollierten Mengen zuzuführen
während
innen ein Vakuum herrscht. Ein Beispiel einer geeigneten Materialzufuhreinheit 13 ist ein
kommerziell verfügbarer
Vibrationsförderer
(z.B. ein Schüttgutbehälter von
einem JA-Typ von SANKI Co., Ltd.), welcher für einen Einsatz in einem Hochtemperaturvakuum
modifiziert ist, indem zum Beispiel Teile, welche aus Eisen hergestellt
sind, durch Teile, welche aus rostfreiem Stahl hergestellt sind,
ersetzt werden, um eine Ausbildung von Rost in dem Hochtemperaturvakuum
zu verhindern, und indem ein gewöhnliches
Schmiermittel mit einem Schmiermittel zum Einsatz in einem Vakuum
ersetzt wird. Beispiele von anderen Typen von Mechanismen, welche als
die Materialzufuhreinheit 13 anstelle eines Vibrationsförderers
eingesetzt werden können,
sind eine Kombination eines Behälters
und eines Schneckenabgebers, eine Kombination eines Behälters und
eines Klappenmechanismus, eine Kombination eines Behälters und
eines Manipulators und eine Kombination eines Behälters und
eines Fördermittels.
-
Der
Betrieb der Raffinationsvorrichtung der 1 und eines
Verfestigungsverfahren, welches die Tiegelvorrichtung 20 verwendet,
wird im Folgenden beschrieben. Vor dem Beginn der Raffination wird
der Tiegelkörper 21 auf
der Bodenplatte 22 angeordnet, um einen aufnehmenden Raum
zur Aufnahme von geschmolzenem Silicium zu definieren. Die Materialzufuhreinheit 13 wird
dann mit zu raffinierenden Siliciumklumpen gefüllt. Ein Vakuum wird dann in
der Vakuumkammer 10 errichtet und die Siliciumklumpen werden
von der Materialzufuhreinheit 13 dem Herd 11 zugeführt, in
welchem sie durch einen Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12 geschmolzen
werden. Das raffinierte geschmolzene Silicium, welches sich ergibt,
wird von dem Herd 11 in die Tiegelvorrichtung 20 geschüttet, in
welcher es sich verfestigt, um einen Siliciumrohling SI auszubilden.
Nach Abschluss der Verfestigung wird das Innere der Vakuumkammer 10 auf
Atmosphärendruck
zurückversetzt,
eine nicht dargestellte Rohlingentladeöffnung der Vakuumkammer 10 wird
geöffnet
und der Tiegelkörper 21,
welcher den Siliciumrohling SI enthält, wird von der Bodenplatte 22 entfernt
und durch die Rohlingabgabeöffnung
durch ein nicht dargestelltes Fördermittel
aus der Vakuumkammer 10 bewegt. Der Tiegelkörper 21 wird
zu einer Position über
dem Auswerferstab 31 befördert. Das Silicium klebt nicht an
dem wassergekühlten
Kupfer, welches die Bodenplatte 22 ausbildet, und der Tiegelkörper 21 ruht
lediglich auf der Bodenplatte 22, so dass der Tiegelkörper 21 einfach
von der Bodenplatte 22 entfernt werden kann, wenn er aus
der Vakuumkammer 10 befördert
wird. Wenn der Tiegelkörper 21 über dem
Auswerferstab 31 angeordnet ist, wird die Bodenoberfläche des
Siliciumrohlings SI innerhalb des Tiegelkörpers 21 durch den
Auswerferstab 31 berührt
und, wie es in 2 dargestellt ist, der Siliciumrohlings
SI nach oben und aus dem Tiegelkörper 21 heraus
geschoben. Die Benetzbarkeit des Kupfers, welches den Tiegelkörper 21 ausbildet,
durch Silicium ist gering, so dass der Siliciumrohling SI leicht
aus dem Tiegelkörper 21 heraus
geschoben werden kann.
-
Vor
dem Schütten
des geschmolzenen Siliciums in den aufnehmenden Raum wird vorzugsweise ein
festes Material in der Form von Klumpen von raffiniertem Silicium
SG auf dem Bodenabschnitt des aufnehmenden Raums derart angeordnet,
dass es nahezu die Bodenoberfläche
des aufnehmenden Raums überdeckt.
Wenn anschließend
das geschmolzene Silicium in den aufnehmenden Raum geschüttet wird,
kann durch die Siliciumklumpen SG verhindert werden, dass es direkt
die Bodenoberfläche
des aufnehmenden Raums berührt,
so dass verhindert werden kann, dass sich Bestandteile des Tiegelkörpers 21 oder
der Bodenplatte 22 aufgrund des thermalen Schocks in das
geschmolzene Silicium mischen. Die Größe der Klumpen des raffinierten
Siliciums SG ist vorzugsweise derart, dass die Klumpen leicht in
dem geschmolzenen Silicium, welches von dem Herd 11 in
den Tiegelkörper 21 geschüttet wird, schmelzen.
-
Bei
dieser Ausführungsform
wird der Tiegelkörper 21 über dem
Auswerferstab 31 angeordnet, wobei das Ende des Tiegelkörpers 21 mit
dem großen
Durchmesser nach oben weist, aber alternativ kann der Tiegelkörper 21 in
einem umgekehrten Zustand unter dem Auswerferstab angeordnet werden, wobei
das Ende mit dem großen
Durchmesser nach unten weist, und der Auswerferstab 31 kann
den Siliciumrohling SI von oben berühren, um den Siliciumrohling
SI aus dem Tiegelkörper 21 zu
entfernen.
-
3 und 4 stellen
eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Tiegelvorrichtung 20 dar. Bei dieser Ausführungsform
umfasst die Tiegelvorrichtung 20 einen zylindrischen Tiegelkörper 21,
welcher aus Grafit hergestellt ist und welcher an seinem oberen
und seinem unteren Ende offen ist, und eine kreisförmige Bodenplatte 22,
welche das untere Ende des Tiegelkörpers 21 abschließt.
-
Der
Tiegelkörper 21 kann
auf der Bodenplatte 22 in der gleichen Weise, wie bei der
vorherigen Ausführungsform
angeordnet werden. Ein Schlitz 24 ist vollständig durch
die Wanddicke des Tiegelkörpers 21 über seine
gesamte Länge
von seinem oberen Ende bis zu seinem unteren Ende ausgebildet. Der
Schlitz 24 ermöglicht,
dass sich der Tiegelkörper 21 in
der radialen Richtung und in der Umfangsrichtung verformen kann.
Die Bodenplatte 22 ist aus Kupfer hergestellt, und wie
bei der vorherigen Ausführungsform
ist ein spiralförmiger
Durchgang in ihrem Inneren ausgebildet, durch welchen Kühlwasser,
welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserzufuhr zugeführt wird,
zirkulieren kann. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Grafit ist
es bezüglich
des Tiegelkörpers 21 nicht
notwendig, für
durchlaufendes Kühlwasser
zu sorgen. Die Breite des Schlitzes 24 liegt typischerweise
bei 3–10mm,
wenn der Tiegelkörper 21 für die Verfestigung
des geschmolzenen Siliciums eingesetzt wird. Aufgrund seiner Viskosität und seiner
Oberflächenspannung
fließt
geschmolzenes Silicium, welches in den Tiegelkörper 21 geschüttet wird,
nicht durch den Schlitz 24 aus dem Tiegelkörper 21 heraus.
Während
des Einsatzes der Ausführungsform
der Tiegelvorrichtung 20 kann sich, wenn sich geschmolzenes
Silicium, welches in die Tiegelvorrichtung 20 geschüttet wird,
während
des Prozesses der Verfestigung ausdehnt, der Tiegelkörper 21 mit
dem sich verfestigenden Silicium aufgrund des Vorhandenseins des
Schlitzes 24 ausdehnen, so dass keine übermäßige Kraft auf den Tiegelkörper 21 einwirkt
und keine Gefahr einer Beschädigung
des Tiegelkörpers 21 besteht.
Bei diesem Beispiel ist die Breite des Schlitzes 24 3–10mm, aber
wenn diese Ausführungsform
einer Tiegelvorrichtung für
die Verfestigung eines anderen Materials als Silicium eingesetzt
wird, kann die Breite des Schlitzes 24 gemäß der Viskosität und der
Oberflächenspannung
des Materials in einem anderen Bereich eingestellt werden, so dass
das geschmolzene Material nicht durch den Schlitz 24 aus
dem Tiegelkörper 21 entweicht.
Diese Ausführungsform
kann mit einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung verwendet
werden, um geschmolzenes Silicium zu verfestigen und um einen Siliciumrohling
in im Wesentlichen derselben Weise wie bei der Ausführungsform
der 1 auszubilden. Bei der momentanen Ausführungsform
dehnt sich der Schlitz 24 in einer geraden Linie in der
vertikalen Richtung aus. Der Schlitz 24 muss jedoch nicht
gerade oder vollständig
vertikal sein. Zum Beispiel kann er spiralförmig oder S-förmig sein.
-
Eine
dritte erfindungsgemäße Ausführungsform
einer Tiegelvorrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben. 5 ist ein
schematischer Aufriss einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung,
welche diese Ausfüh rungsform einer
Tiegelvorrichtung einsetzt, und 6 ist eine Draufsicht
der Tiegelvorrichtung der 5. Die Gesamtstruktur
der Raffinationsvorrichtung, welche in 5 dargestellt
ist, ist zu derjenigen der Raffinationsvorrichtung der 1 ähnlich,
so dass dieselben Komponenten wie in 1 mit denselben
Symbolen bezeichnet werden und sich die folgende Erläuterung auf
Komponenten konzentriert, welche in der Struktur unterschiedlich
zu der 1 sind.
-
Wie
in 5 dargestellt ist, ist ein kippbarer Herd 11,
eine Materialzufuhreinheit 13 und eine Tiegelvorrichtung 50 in
einer Vakuumkammer 10 angeordnet. Eine Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12 ist
in dem oberen Abschnitt der Vakuumkammer 10 vorhanden,
um Siliciumklumpen in dem Herd 11 mit einem Elektronenstrahl
zu bestrahlen.
-
Diese
Ausführungsform
einer Tiegelvorrichtung 50 weist auf eine Mehrzahl von
hohlen Tiegelkörpern 51,
welche an ihren oberen und unteren Enden offen sind, einen kreisförmigen drehbaren
Tisch 52, welcher die Mehrzahl der Tiegelkörper 51 lagert und
ihre unteren Enden verschließt,
eine Trägerwelle 53,
welche den drehbaren Tisch 52 trägt, und einen Positionierungsmechanismus,
welcher den drehbaren Tisch 52 derart drehen kann, dass
er die Tiegelkörper 51 in
vorgeschriebenen Drehstellungen positionieren kann. Der Positionierungsmechanismus weist
einen Antriebsmechanismus 54, um den drehbaren Tisch 52 zu
drehen, und einen nicht dargestellten Sensor auf, um die Drehstellung
des drehbaren Tisches 52 zu erfassen. Der Antriebsmechanismus 54 kann
entweder innerhalb oder außerhalb
der Vakuumkammer 10 angeordnet sein und kann genau den
drehbaren Tisch 52 drehen oder die Trägerwelle 53 kann an
dem drehbaren Tisch 52 befestigt sein und der Antriebsmechanismus 54 kann
den drehbaren Tisch 52 drehen, indem er die Trägerwelle 53 dreht.
Es ist von einem Standpunkt der Herstellung im Allgemeinen einfacher,
den Antriebsmechanismus 54 außerhalb der Vakuumkammer bereitzustellen,
so dass er nicht die Fähigkeit
aufweisen muss, in einem Vakuum zu arbeiten. Der Antriebsmechanismus 54 kann
irgendeinen Typ eines herkömmlichen
Mechanismus aufweisen, um eine gesteuerte Drehbewegung zu erzeugen,
wie z.B. einen Elementmotor, welcher mit einem Untersetzungsgetriebe
ausgestattet ist. Der Sensor kann irgendeine Vorrichtung sein, welche
in der Lage ist, die Drehstellung des drehbaren Tisches zu bestimmen,
wie z.B. ein herkömmlicher
Encoder, welcher die Drehung des Motors des Antriebsmechanismus 54,
der Trägerwelle 53 oder des
drehbaren Tisches 52 selbst erfasst. Bei der dargestellten
Ausführungsform
sind eine Mehrzahl von Magneten 55 an der Bodenober fläche des
drehbaren Tisches 52 mit vorgeschriebenen Abständen (wie zum
Beispiel alle 120 Grad) befestigt und ein Magnetsensor befindet
sich in der Nähe
des drehbaren Tisches 52, wo er die Magnete 55 erfassen
kann. Ein Ausgangssignal von dem Sensor kann einer nicht dargestellten
Steuerung bereitgestellt werden, welche den Antriebsmechanismus 54 gemäß dem Signal
von dem Sensor steuert.
-
Wie
in 6 dargestellt ist, umfasst bei dieser Ausführungsform
die Tiegelvorrichtung 50 drei Tiegelkörper 51, welche mit
gleichen Abständen
in der Umfangsrichtung auf dem drehbaren Tisch 52 angeordnet
sind. Obwohl es in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, sind zylindrische
Vertiefungen zur Positionierung der Tiegelkörper 51 in der oberen Oberfläche des
drehbaren Tisches 52 mit gleichen Abständen in der Umfangsrichtung
vorhanden. Der Durchmesser der zylindrischen Vertiefungen ist etwas
größer als
der Durchmesser des unteren Endes des Tiegelkörpers 51. Jeder Tiegelkörper 51 ist
aus Kupfer hergestellt und verjüngt
sich wie der Tiegelkörper 21 der 1,
so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als
der Durchmesser des unteren Endes ist. Alternativ könnte jeder
Tiegelkörper 51,
anstatt dass er verjüngt
ist, einen Längsschlitz
in ähnlicher
Weise wie der in 3 dargestellte Tiegelkörper 21 aufweisen.
Ein spiralförmiger Durchgang,
durch welchen Kühlwasser,
welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserquelle zugeführt wird,
durchgeführt
werden kann, ist in dem Inneren jedes Tiegelkörpers 51 ausgebildet.
Der drehbare Tisch 52 ist auch aus Kupfer hergestellt und
in Stellen, welche jede den zylindrische Vertiefungen entsprechen,
ist ein Spiraldurchgang ausgebildet, durch welchen Kühlwasser,
welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserzufuhr zugeführt wird,
verlaufen kann.
-
Bei
dieser Ausführungsform
dreht der Positionierungsmechanismus den drehbaren Tisch 52 jeweils
um 120 Grad, wodurch die Mehrzahl der Tiegelkörper 51 aufeinander
folgend unterhalb einer Siliciumschüttposition angeordnet werden
kann, in welcher geschmolzenes Silicium von dem Herd 11 in
einen der Tiegelkörper 51 geschüttet werden
kann.
-
Ein
Auswerferstab 41 befindet sich auf der Außenseite
der Vakuumkammer 10. Ein Tiegelkörper 51, welcher in
einer Abgabeposition auf dem drehbaren Tisch 52 angeordnet
ist, kann durch ein nicht dargestelltes Fördermittel über eine Trägerbasis unter den Auswerferstab 41 transportiert
werden. Der Tiegelkörper 51 wird
in einer umgekehrten Stellung über der
Trägerbasis
angeordnet, bei welcher das Ende des Tiegelkörpers 51, welches
nach unten weist, solange sich der Tiegel körper 51 auf dem drehbaren Tisch 52 befand,
(das Ende mit dem kleineren Durchmesser) nun nach oben weist. In
diesem Zustand wird der Auswerferstab 41 abgesenkt, um
die obere Oberfläche
des Siliciumrohlings innerhalb des Tiegelkörpers 51 zu berühren. Indem
der Auswerferstab 41 gegen den Siliciumrohling drückt, wird
der Siliciumrohling innerhalb des Tiegelkörpers 51 nach unten bewegt
und von dem Tiegelkörper 51 getrennt.
Der Tiegelkörper 51 wird
dann entfernt und der Siliciumrohling verbleibt über der Trägerbasis, von welcher er per
Hand oder durch ein getrenntes Fördermittel
zu einer vorgeschriebenen Stelle bewegt werden kann.
-
Als
nächstes
wird der Betrieb der Raffinationsvorrichtung der 5 und
insbesondere ein Verfestigungsverfahren, welches die Tiegelvorrichtung 50 einsetzt,
beschrieben. Vor dem Beginn der Raffination werden drei Tiegelkörper 51 auf
dem drehbaren Tisch 52 angeordnet, um drei aufnehmende
Räume zum
Aufnehmen von geschmolzenem Silicium zu definieren, wobei einer
der Tiegelkörper 51 in
einer Siliciumschüttposition
unterhalb des Herdes 11 angeordnet wird. Die Materialzufuhreinheit 13 wird
mit zu raffinierenden Klumpen gefüllt. Wie bei den vorherigen
Ausführungsformen
wird vorzugsweise ein festes Material in der Form von Klumpen von
raffiniertem Silicium SG auf dem Bodenabschnitt jedes aufnehmenden
Raumes derart angeordnet, dass es nahezu die Bodenoberfläche des
aufnehmenden Raumes überdeckt.
Das Innere der Vakuumkammer 10 wird dann luftleer gemacht,
um ein Vakuum auszubilden, Siliciumklumpen von der Materialzufuhreinheit 13 werden
dem Herd 11 zugeführt
und die Siliciumklumpen in dem Herd 11 werden mit einem
Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12 bestrahlt,
um sie zu schmelzen und Verunreinigungen von dem geschmolzenen Silicium
zu verdampfen. Das sich ergebende raffinierte geschmolzene Silicium
wird dann von dem Herd 11 in den Tiegelkörper 51 geschüttet, welcher
in der Siliciumschüttposition
angeordnet ist. Wenn der Tiegelkörper 51,
welcher in der Siliciumschüttposition
angeordnet ist, bis zur einem vorgeschriebenen Niveau mit geschmolzenem
Silicium gefüllt
ist, wird der Positionierungsmechanismus 54 betätigt und
der drehbare Tisch 52 wird gedreht, um den nächsten Tiegelkörper 51 zu
der Siliciumschüttposition
zu bewegen. Wenn der nächste
Tiegelkörper 51 geeignet
angeordnet ist, werden wiederum Siliciumklumpen von der Materialzufuhreinheit 13 dem
Herd 11 zugeführt,
die Siliciumklumpen werden durch einen Elektronenstrahl geschmolzen,
um das Silicium zu raffinieren, und das sich ergebende raffinierte
geschmolzene Silicium wird von dem Herd 11 in den Tiegelkörper 51 geschüttet, welcher
in der Siliciumschüttposition
angeordnet ist. Wenn der Tiegelkörper 51,
welcher in der Siliciumschüttposition
angeordnet ist, bis zu einem vorgeschriebenen Niveau mit geschmolzenen
Silicium gefüllt
ist, wird der Positionierungsmechanismus 54 wieder betätigt und
der drehbare Tisch 52 wird gedreht, um den nächsten Tiegelkörper 51 zu
der Siliciumschüttposition
zu bewegen. Das vorab beschriebene Verfahren wird dann wiederholt
und raffiniertes geschmolzenes Silicium wird in den Tiegelkörper 51 geschüttet, welcher
in der Siliciumschüttposition
angeordnet ist. Bei dem vorab beschriebenen Verfahren werden zu
raffinierende Siliciumklumpen dem Herd 11 von der Materialzufuhreinheit 13 jeweils
zugeführt,
wenn geschmolzenes Silicium in einen der Tiegelkörper 51 geschüttet ist,
aber die Siliciumklumpen können
dem Herd 11 auch in größeren Zeitabständen zugeführt werden.
-
Nachdem
die Verfestigung des geschmolzenen Siliciums innerhalb jedes der
Tiegelkörper 51 abgeschlossen
ist, wird das Innere der Vakuumkammer 10 auf einen Atmosphärendruck
zurückgesetzt,
und eine nicht dargestellte Rohlingsabgabeöffnung in der Vakuumkammer 10 wird
geöffnet.
Die drei Tiegelkörper 51 innerhalb
der Vakuumkammer 10 werden nacheinander zu einer Rohlingsabgabeposition
bewegt und sie werden durch ein nicht dargestelltes Fördermittel
durch die Rohlingsabgabeöffnung
aus der Vakuumkammer 10 befördert. Jeder Tiegelkörper wird
in einem umgekehrten Zustand auf der Trägerbasis angeordnet, d.h. das
Ende mit dem kleineren Durchmesser des Tiegelkörpers 51 weist nach
oben. Wenn sich einer der Tiegelkörper 51 über der
Trägerbasis
unterhalb des Auswerterstabes 41 befindet, wird der Auswerferstab 41 abgesenkt
und in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Siliciumrohlings SI
innerhalb des Tiegelkörpers 51 gebracht,
um den Siliciumrohling SI von dem Tiegelkörper 51 zu trennen. Der
Tiegelkörper 51 wird
dann entfernt und der Siliciumrohling, welcher auf der Trägerbasis
verbleibt, wird per Hand oder durch ein getrenntes Fördermittel zu
einer vorgeschriebenen Position befördert.
-
Bei
den vorab beschriebenen Ausführungsformen
wird eine erfindungsgemäße Tiegelvorrichtung
verwendet, um raffiniertes geschmolzenes Silicium zu verfestigen,
welches durch ein Raffinieren unter Vakuum mit einem Elektronenstrahl
erhalten wird, aber die vorliegende Erfindung kann auch eingesetzt werden,
um andere geschmolzene Materialien, welche durch andere Verfahren
erhalten werden, zu verfestigen.