DE102006038044A1

DE102006038044A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Silicium unter Verwendung eines Elektronenstrahls

Info

Publication number: DE102006038044A1
Application number: DE102006038044A
Authority: DE
Inventors: Norichika Yamauchi; Takehiko Shimada; Minoru Mori
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-16
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20070077191A1; US7704478B2; JP4947455B2; JP2007051047A

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Silicium werden bereitgestellt, welche Verunreinigungselemente, wie z. B. Phosphor und Antimon, wie auch Verunreinigungselemente, wie Bor und Kohlenstoff, in derselben Vakuumkammer entfernen können, wobei ein Elektronenstrahl eingesetzt wird. Silicium wird mit einem Elektronenstrahl in einem Niedervakuum innerhalb eines Vakuumbehälters bestrahlt und geschmolzen, eine Verbindung-bildende Substanz, wie z. B. H¶2¶O, welche mit Bor oder dergleichen in dem geschmolzenen Silicium reagiert und ein Oxid, welches verdampft werden kann, ausbildet, wird in die Vakuumkammer eingeführt, und Verunreinigungselemente, wie z. B. Bor, welche einen geringen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, werden von dem geschmolzenen Silicium als Teil der verdampfbaren Verbindung verdampft. Das Silicium in dem Vakuumbehälter wird dann mit einem Elektronenstrahl in einem Hochvakuum in dem Vakuumbehälter bestrahlt, und Verunreinigungselemente, welche in dem Silicium enthalten sind und einen hohen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, wie z. B. Phosphor, werden entfernt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Silicium zu reinigen, welches verunreinigende Elemente enthält, wie z.B. metallurgisches Silicium, wobei ein Elektronenstrahl verwendet wird, und um Silicium einer hohen Reinheit zu erhalten, um es bei Solarzellen oder ähnlichen Vorrichtungen zu verwenden.

Metallurgisches Silicium, welches ein Ausgangsmaterial zur Herstellung von Silicium einer hohen Reinheit ist, wird erhalten, in dem Quarzit reduziert wird. Der Grad der Reinheit eines metallurgischen Siliciums ist zu niedrig, um es zur Herstellung von Halbleitern zu verwenden, und es kann sogar nicht ohne eine weitere Reinigung als Silicium für die Herstellung von Solarzellen (wird im Folgenden als Solarsilicium bezeichnet) verwendet werden, welches eine niedrigere Reinheit als Silicium zur Herstellung von Halbleitern aufweist.

Die Hauptverunreinigungen in metallurgischem Silicium sind Metalle. Diese Verunreinigungen können durch das physikalische Verfahren einer gerichteten Erstarrung entfernt werden. Die verbleibenden Verunreinigungen sind hauptsächlich Bor und Phosphor, welche nicht so einfach entfernt werden können. Daher ist in der Vergangenheit metallurgisches Silicium typischerweise durch Verfahren, wie z.B. das Siemens-Verfahren, welches Silicium einer äußerst hohen Reinheit ausbildet, das als polykristallines Silicium oder Polysilicium bezeichnet wird, gereinigt worden. Polysilicium weist eine ausreichende Reinheit zum Einsatz bei Halbleitern auf, aber eine solch hohe Reinheit ist für Solarsilicium nicht erforderlich. Dementsprechend gibt es einen Wunsch nach einem einfacheren Verfahren zur Herstellung von Solarsilicium.

Die ungeprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung Hei 10-245216 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausbilden von Solarsilicium, wobei ein metallurgisches Verfahren und kein chemisches Verfahren eingesetzt wird. Das Verfahren, welches in dieser Patentschrift offenbart ist, berücksichtigt drei Typen von Verunreinigungselementen, welche in dem metallurgischem Silicium enthalten sind, d.h. Verunreinigungselemente, wie z.B. Phosphor und Antimon, welche durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl in einem Vakuum verdampft und entfernt werden können, Verunreinigungselemente, wie z.B. Bor und Kohlenstoff, welche durch Oxidation mit einem oxidierenden Gas (wie z.B. Wasserdampf), welches einem Hochtemperaturgasstrom hinzugefügt wird, verdampft und entfernt werden können, und metallische Verunreinigungselemente, welche durch eine gerichtete Erstarrung entfernt werden können. Bei dem Verfahren, welches in diesem Dokument offenbart ist, werden diese drei unterschiedlichen Gruppen von Verunreinigungselementen durch getrennte Verfahren entfernt.

Bei dem herkömmlichen Verfahren zur Reinigung von Silicium, welches in der vorab beschriebenen Patentschrift offenbart ist, ist es notwendig, ein Entfernen von Verunreinigungselementen, wie z.B. Phosphor und Antimon, und ein Entfernen von Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor und Kohlenstoff, in getrennten Atmosphären durchzuführen. Partikel des metallurgischen Siliciums nämlich werden in einer ersten Vakuumkammer mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und geschmolzen, um Verunreinigungselemente, wie z.B. Phosphor und Antimon zu entfernen, wobei Siliciumklumpen, welche entstehen, wenn das geschmolzene Silicium erstarrt, pulverisiert werden, um Siliciumpartikel zu bilden, wobei die Siliciumpartikel zu einer zweiten Vakuumkammer bewegt werden, wobei die Siliciumpartikel durch einen Hochtemperaturplasmagasstrom geschmolzen werden, und wobei Verunreinigungselemente, wie z.B. Bor und Kohlenstoff, durch ein oxidierendes Gas, welches dem Plasmagasstrom hinzugefügt wird, oxidiert und entfernt werden.

Dementsprechend sind bei dem vorab beschriebenen herkömmlichen Verfahren zur Reinigung von Silicium zwei Vakuumkammern wie auch eine Elektronenkanone zum Schmelzen des Siliciums und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmagases notwendig. Als Ergebnis wird eine Reinigungsvorrichtung, welche für dieses Verfahren eingesetzt wird, äußerst groß und teuer. Darüber hinaus ist es zwischen den zwei Entfernungsverfahren notwendig, Siliciumklumpen zu schleifen und das geschliffene Silicium zwischen den zwei Vakuumkammern zu transportieren, so dass die Effizienz dieses Verfahrens schlecht ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Silicium bereit, welche sowohl Verunreinigungselemente, wie z.B. Phosphor und Antimon, welche einen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, welcher höher als derjenige von Silicium ist (im Folgenden als eine erste Gruppe von Verunreinigungselementen bezeichnet), als auch Verunreinigungselemente, wie z.B. Bor und Kohlenstoff, welche einen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, welcher geringer ist oder in derselben Größenordnung wie derjenige von Silicium liegt (im Folgenden als eine zweite Gruppe von Verunreinigungselementen bezeichnet), in einer einzigen Vakuumkammer entfernen können, wobei ein Elektronenstrahl verwendet wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird Rohsilizium einem Schmelzbehälter in einem Vakuumbehälter zugeführt, und dann wird das Rohsilizium in dem Vakuumbehälter in mehreren Stufen gereinigt. In einer Stufe wird mindestens ein Verunreinigungselement, welches ausgewählt ist aus einer ersten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Phosphor und Antimon, welche einen höheren Dampfdruck als Silicium aufweisen, aus dem geschmolzenen Silicium in dem Schmelzbehälter durch Verdampfen in einer Hochvakuumumgebung (wie z.B. 10^–3–10^–4 Pa) entfernt. In einer anderen Stufe wird mindestens ein Verunreinigungselement, welches ausgewählt ist aus einer zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor und Kohlenstoff, welche einen Dampfdruck aufweisen, welcher in derselben Größenordnung wie derjenige des Siliciums liegt oder geringer ist, aus dem geschmolzenen Silicium in dem Schmelzbehälter entfernt, indem eine Verbindung-bildende Substanz, welche mit dem mindestens einen Verunreinigungselement, wie z.B. Bor oder Kohlenstoff, reagieren kann, in den Vakuumbehälter eingeführt wird, um eine Verbindung zu bilden, welche verdampft werden kann, wobei die Verbindung-bildende Substanz mit dem mindestens einen Verunreinigungselement in dem geschmolzenen Silicium reagiert und wobei die verdampfbare Verbindung aus dem geschmolzenen Silicium verdampft wird. Die Reihenfolge, in welcher diese Stufen ausgeführt werden, ist unwichtig. Das geschmolzene Silicium wird ausgebildet, indem das Rohsilizium, welches in den Vakuumbehälter eingeführt wurde, mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird. Nachdem eine Reinigung in diesen beiden Stufen abgeschlossen ist, erstarrt das geschmolzene Silicium.

Das geschmolzene Silicium kann in dem Schmelzbehälter erstarren, aber um eine größere Effizienz zu erreichen, wird es vorzugsweise von dem Schmelzbehälter zu einem Erstarrungsbehälter in der Form eines Tiegels transportiert, welcher in der Nähe des Schmelzbehälters angeordnet ist, und erstarrt in dem Tiegel. Ein Transport von geschmolzenem Silicium in den Tiegel ermöglicht, dass Rohsilicium dann wieder in den Schmelzbehälter eingeführt wird. Der Tiegel wird erhitzt, damit das gesamte Silicium in dem Tiegel einen geschmolzenen Zustand beibehält. Wenn die Menge des geschmolzenen Siliciums in dem Tiegel ein vorgeschriebenes Niveau erreicht, wird das geschmolzene Silicium langsam in dem Tiegel abgekühlt und erstarrt, so dass sich Verunreinigungen, welche irgendwo in dem geschmolzenen Silicium enthalten sind, nach oben bewegen. Auf diese Weise kann eine gerichtete Erstarrung ausgeführt werden.

Um Verunreinigungselemente aus dem Silicium zu verdampfen und zu entfernen, wobei ein Elektronenstrahl eingesetzt wird, wurde normalerweise eine Hochvakuumumgebung (z.B. 10^–1 Pa) als notwendig erachtet. Aus diesem Grund sind viele Versuche zum Schmelzen durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl unter einem geringen Vakuum unternommen wurden. Darüber hinaus ist ein Hochvakuum (10^–1–10^–2 Pa) notwendig, um mit einer typischen Elektronenkanone zu arbeiten. Daher ist es als unmöglich erachtet worden, eine Verbindung-bildende Substanz, welche das Vakuum verringert, in eine Vakuumkammer zur Entfernung mittels Verdampfung von Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor, mit einem im Vergleich zur Silicium geringem Dampfdruck mit einem Elektronenstrahl einzuführen.

Der Grund, warum ein Hochvakuum typischerweise erforderlich ist, um mit einer Elektronenkanone zu arbeiten, ist, dass die meisten Elektronenkanonen eine heiße Katode einsetzen, in welcher Elektronen durch eine thermische Elektronenemission durch ein Metall, welches auf eine hohe Temperatur aufgeheizt ist, erzeugt werden, und ein Hochvakuum erforderlich ist, um eine Beschädigung der heißen Katode zu verhindern. Die vorliegenden Erfinder haben erkannt, dass, wenn eine Elektronenkanone, welche ein differenzielles Pumpen einsetzt, oder eine Elektronenkanone, welche nicht auf einer thermischen Elektronenemission basiert, eingesetzt wird, um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, ein Elektronenstrahl erzeugt werden kann, auch wenn kein Hochvakuum in einem Vakuumbehälter aufrechterhalten wird, wie es herkömmlicherweise erforderlich gewesen ist. Demzufolge kann geschmolzenes Silicium mit einem Elektronenstrahl geschmolzen werden, um Verunreinigungen sogar in einer Niedervakuumumgebung der Größenordnung von 1–100 Pa, welches existiert, wenn eine Verbindung-bildende Substanz in eine Vakuumkammer eingeführt wird, zu entfernen.

Daher umfasst ein Verfahren zur Reinigung von Silicium unter Verwendung eines Elektronenstrahls gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ein Einfüh ren von zu reinigendem Silicium in die Vakuumkammer, ein Bestrahlen des Siliciums mit einem Elektronenstrahl, um geschmolzenes Silicium auszubilden, ein Verdampfen mindestens eines Elements, welches ausgewählt ist aus einer ersten Gruppe von Verunreinigungselementen mit einem Dampfdruck in einem Vakuum, welcher größer als derjenige von Silicium ist, aus dem geschmolzenen Silicium während das geschmolzene Silicium mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, ein Ausbilden eines zweiten Vakuums in der Vakuumkammer, welches geringer als das erste Vakuum ist, ein Einführen einer Verbindung-bildenden Substanz, welche mit mindestens einem Element in dem geschmolzenen Silicium, welches ausgewählt ist aus einer zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen mit einem Dampfdruck in einem Vakuum, welcher in derselben Größenordnung wie derjenige von Silicium liegt oder geringer ist, in die Vakuumkammer, ein Reagieren der Verbindung-bildenden Substanz mit dem mindestens einen Element, welches ausgewählt ist auf der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, um eine verdampfbare Verbindung auszubilden, und Verdampfen der Verbindung aus dem geschmolzenen Silicium während das geschmolzene Silicium mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird.

Eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl, um mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus der ersten Gruppe von Verunreinigungselementen, zu verdampfen, und eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl, um die verdampfbare Verbindung, welche mindestens ein Element enthält, welches ausgewählt ist aus der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, zu verdampfen, wird vorzugsweise ausgeführt, wobei dieselbe Elektronenkanone verwendet wird. Wenn dieselbe Elektronenkanone für beide Zwecke eingesetzt wird, ist die Elektronenkanone vorzugsweise eine, welche sowohl in einer Niedervakuumumgebung als auch in einer Hochvakuumumgebung betrieben werden kann.

Die Bezeichnung Elektronenkanone bezeichnet hier irgendeinen Typ einer Vorrichtung, welche in der Lage ist, einen Elektronenstrahl zu erzeugen und welche in der Lage ist, Rohsilicium in einem Vakuumbehälter zu schmelzen. Da die Vakuumkammer verschiedene Vakuen bei verschiedenen Stufen der Reinigung aufrechterhält, ist die Elektronenkanone vorzugsweise eine, welche über einem Bereich von Vakuen betrieben werden kann. Wenn die Elektronenkanone eine Elektronenkanone mit einer heißen Katode ist, wird vorzugsweise ein differenzielles Pumpen eingesetzt, um das Innere der Vakuumkammer auf ein niedriges Vakuum (z.B. 1–100 Pa) einzustellen, welches geeignet ist, um die Verbindung-bildende Substanz einzuführen während die Katode in einem Hochvakuum gehalten werden kann, welches die Haltbarkeit der Katode erhält. Alternativ kann die Elektronenkanone eine Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet, sein, welche in einem großen Bereich von Vakuen ohne Beschädigung der Katode betrieben werden kann.

Eine Elektronenkanone mit einer heißen Katode bezeichnet eine Elektronenkanone, bei welcher eine Katode aufgeheizt wird, um eine thermische Elektronenemission zu erzeugen. Eine Elektronenkanone mit einer kalten Katode ist eine, welche nicht auf thermischen Elektrodenemissionen von einer aufgeheizten Katode basiert, um Elektroden zu erzeugen. Bei einer Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet, wird eine Spannung zwischen einer kalten Katode und einer Anode aufgebracht, um eine Glimmentladung in einem gasförmigen ionisierbaren Medium zwischen der Anode und der Katode zu verursachen und Ionen von der Glimmentladung kollidieren mit der Katode, was bewirkt, dass die Katode Elektronen emittiert. Eine Elektronenkanone, welche differenzielles Pumpen einsetzt, ist mit einem Abschnitt ausgestattet, welcher eine winzige Öffnung aufweist, welche groß genug ist, damit ein Elektronenstrahl hindurch verläuft, aber klein genug ist, damit verschiedene Vakuumniveaus auf gegenüberliegenden Seiten des Abschnitts existieren können. Indem eine Vakuumpumpe mit dem Inneren der Elektronenkanone auf einer Seite des Abschnitts verbunden wird, kann das Innere der Elektronenkanone auf einem höheren Vakuum als das Äußere der Elektronenkanone gehalten werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Elektronenkanone in einer Vakuumkammer betrieben wird, welche ein geringes Vakuum enthält. Jede der vorab beschriebenen Typen von Elektronenkanonen ist nach dem Stand der Technik gut bekannt und ist in der wissenschaftlichen Literatur umfangreich beschrieben.

Das Verfahren umfasst vorzugsweise darüber hinaus ein Ausführen einer gerichteten Erstarrung von geschmolzenem Silicium nach dem Entfernen der Verunreinigungselemente durch ein Verdampfen, so dass metallische Elemente in dem geschmolzenen Silicium an einem Ende eines Siliciumklumpens aggregieren, welcher durch das Erstarren erhalten wird, und ein Abschneiden des Endabschnitts des Siliciumklumpens, wo die metallischen Elemente aggregiert worden sind. Diese Schritte ermöglichen, dass metallische Verunreinigungselemente in dem Silicium entfernt werden.

Eine Vorrichtung zur Reinigung von Silicium unter Verwendung eines Elektronenstrahls gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vakuumkammer, einen Schmelzbehälter, welcher sich installiert innerhalb der Vakuumkammer befindet, um zu reinigendes Silicium zu halten, eine erste Elektronenkanone, welche in der Lage ist, Silicium in dem ersten Schmelzbehälter mit einem Elektronenstrahl zu bestrahlen und das Silicium zu schmelzen, eine Vakuumpumpe, welche mit der Vakuumkammer verbunden ist und derart eingestellt werden kann, dass sie ein Hochvakuum in der Größenordnung von 10^–1–10^–4 Pa und ein Niedervakuum in der Größenordnung von 1–100 Pa in der Vakuumkammer ausbilden kann, und einen Zuführungsmechanismus, welcher mit der Vakuumkammer verbunden ist, um dem Inneren der Vakuumkammer eine Verbindung-bildende Substanz zuzuführen, welche mit einem Element in dem geschmolzenen Silicium reagieren kann, welches einen Dampfdruck aufweist, welcher geringer als derjenige des Siliciums ist oder in derselben Größenordnung liegt, um eine verdampfbare Verbindung zu bilden.

Die Reinigungsvorrichtung kann darüber hinaus umfassen einen Erstarrungsbehälter, welcher in der Nähe des Schmelzbehälters angeordnet ist und in welchen Silicium, welches in dem ersten Schmelzbehälter geschmolzen ist, zur Erstarrung transportiert werden kann, und eine zweite Elektronenkanone, welche Silicium, welches zu dem Erstarrungsbehälter transportiert wurde, mit einem Elektronenstrahl bestrahlen kann, um es in einem geschmolzenen Zustand zu halten.

Die erste Gruppe von Verunreinigungselementen umfasst Phosphor, Arsen und Antimon, und die zweite Gruppe von Verunreinigungselementen umfasst Bor und Kohlenstoff. Ein Beispiel der Verbindung-bildenden Substanz, welche in der Lage ist, mit einem Element der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen zu reagieren, um eine verdampfbare Verbindung zu bilden, ist H₂O, wobei in diesem Fall die verdampfbare Verbindung ein Oxid ist.

Erfindungsgemäß können sowohl mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus einer ersten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie Phosphor und Antimon, als auch mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus einer zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie Bor und Kohlenstoff, beide aus dem Silicium innerhalb derselben Vakuumkammer entfernt werden, wobei ein Elektronenstrahl verwendet wird, so dass eine erfindungsgemäße Reinigungsvor richtung nicht nur stark in der Größe verkleinert ist, sondern auch ihre Betriebseffizienz erhöhen kann.

"Rohsilicium" bezeichnet irgendeinen Typ von Silicium, welches durch die vorliegende Erfindung gereinigt wird. Es ist nicht auf irgendeinen speziellen Typ von Silicium beschränkt. Typischerweise ist das Rohsilicium ein metallurgisches Silicium. Es können jedoch auch andere Güteklassen von Silicium als das Rohsilicium verwendet werden, wie z.B. Siliciumabfall, welcher während der Herstellung von Halbleitern ausgebildet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung, welche die Gesamtstruktur einer Ausführungsform einer Siliciumreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Flussdiagramm, welches eine Ausführungsform eines Reinigungsverfahrens für Silicium darstellt, wobei die Reinigungsvorrichtung der 1 eingesetzt wird.
3 ist eine schematische Darstellung, wobei ein Abschnitt einer anderen Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt wird.
4 ist ein Flussdiagramm, welches eine Ausführungsform eines Reinigungsverfahrens für Silicium darstellt, wobei die Reinigungsvorrichtung der 3 eingesetzt wird.
5 ist eine schematische Darstellung, wobei die Konfiguration eines Beispiels einer Elektronenkanone mit einer heißen Katode, welche ein differenzielles Pumpen einsetzt, dargestellt ist.
6 ist eine schematische Darstellung, wobei die Konfiguration eines Beispiels einer Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet, dargestellt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden erfindungsgemäße Ausführungsformen einer Reinigungsvorrichtung für Silicium, wobei ein Elektronenstrahl verwendet wird, und eines Reinigungsverfahrens, wobei die Reinigungsvorrichtung verwendet wird, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Siliciumreinigungsvorrichtung, welche einen Elektronenstrahl verwendet, einen Vakuumbehälter (eine Vakuumkammer) 1, einen Schmelzbehälter 2, welcher innerhalb des Vakuumbehälters 1 installiert ist und welchem zerkleinerte Stücke von Rohsilicium in der Form von metallurgischem Silicium zugeführt werden, eine Elektronenkanone 3, welche das Rohsilicium innerhalb des Schmelzbehälters 2 mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und es schmelzt, ein Vakuumpumpensystem 4, welches ein Vakuum innerhalb des Vakuumbehälters 2 aufrechterhält, und ein System 5 zur Einführung von H₂O, welches H₂O als eine Verbindungbildende Substanz in den Vakuumbehälter 1 in der Form eines Nebels, zum Beispiel, einführt.
Die Elektronenkanone 3 ist vorzugsweise entweder eine Elektronenkanone mit einer heißen Katode, welche ein differenzielles Pumpen einsetzt, oder eine Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und mit einer Glimmentladung arbeitet. 5 stellt schematisch die Konfiguration eines Beispiels einer Elektronenkanone 3A mit einer heißen Katode, welche das differenzielle Pumpen einsetzt, dar, und 6 stellt schematisch die Konfiguration eines Beispiels einer Elektronenkanone 3B, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet, dar.
Die Elektronenkanone 3A mit der heißen Katode der 5 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 30, welches aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, eine zylindrische Katode 31, welche eine nicht dargestellte Heizvorrichtung enthält, eine zylindrische Anode 32 und eine Wehnelt-Elektrode 33. Die Katode 31 ist an dem oberen Ende des Inneren des Gehäuses 30 angeordnet, und die Anode 32 ist an dem unteren Ende des Inneren des Gehäuses 30 angeordnet. Die Wehnelt-Elektrode 33 ist zwischen der Katode 31 und der Anode 32 angeordnet. Wenn eine Hochspannung zwischen der Katode 31 und der Anode 32 aufgebracht ist und eine Vorspannung auf die Wehnelt-Elektrode 33 aufgebracht ist, wird einen Elektronenstrahl EB erzeugt. Eine kleine Öffnung 30a ist in der unteren Endwand des Gehäuses 30 ausgebildet, um einen Durchgang des Elektronenstrahls EB dort hindurch zu ermöglichen. Die Öffnung 30a ist ausreichend klein, dass das Innere und das Äußere des Gehäuses 30 verschiedene Vakuen aufweisen können. Ein differenzielles Pumpensystem 40 ist mit der Elektronenkanone 3A verbunden. Das differenzielle Pumpensystem 40 umfasst eine Vakuumpumpe 41, einen Vakuumssensor 42 und eine Steuerung 43 zum Betrieb der Vakuumpumpe 41, so dass das Vakuum, welches durch den Vakuumsensor 42 erfasst wird, mit einem Zielvakuum übereinstimmt, welches zum Betrieb der Elektronenkanone 3A geeignet ist. Das differenzielle Pumpensystem 40 ermöglicht, dass das Innere des Gehäuses 30 auf dem Zielvakuum gehalten werden kann, unabhängig von dem Vakuum innerhalb des Vakuumbehälters 1.
Die Elektronenkanone 3B der 6, welche mit der kalten Katode und mit der Glimmentladung arbeitet, umfasst ein zylindrisches Gehäuse 130, welches aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, eine zylindrische kalte Katode 131, welche eine konkave Vorderseite aufweist, und eine zylindrische Anode 132. Die Katode 131 ist innerhalb des Gehäuses 130 an seinem oberen Ende angeordnet, und die Anode 132 ist innerhalb des Gehäuses 130 an seinem unteren Ende angeordnet. Wenn eine Hochspannung zwischen der Katode 131 und der Anode 132 aufgebracht ist, tritt eine Glimmentladung GD zwischen der Katode 131 und der Anode 132 auf. Die Ionen von der Glimmentladung kollidieren mit der Katode 131, wenn die Katode 131 ein negatives Potenzial relativ zu der Anode 132 aufweist, und Elektroden werden durch die Katode 131 emittiert. Aufgrund der Formen der Katode 131 und der Anode 132 und der Form des elektrischen Feldes dort dazwischen, werden die emittierten Elektronen in einem Elektronenstrahl EB ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform ist die Elektronenkanone 3 eine Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet und von dem polytechnischen Institut von Kiew (Kiew, Ukraine) verfügbar ist. Sie weist eine einstellbare Ausgangsleistung auf und kann in einem weiten Bereich von Vakuen (von einem Niedervakuum von ungefähr 1–100 Pa bis zu einem Hochvakuum von 10^–3–10^–4 Pa) betrieben werden.
Das Vakuumpumpensystem 4 kann eine herkömmliche Struktur aufweisen. Es ist typischerweise mit einer Vakuumpumpe, welche mit dem Inneren des Vakuumbe hälters 1 verbunden ist, und einem Vakuumsensor, welcher den Grad eines Vakuums in der Vakuumkammer 1 erfasst, ausgestattet. Der Ausgang des Vakuumsensors wird einer Steuerung 10 eingegeben, welche die Vakuumpumpe des Vakuumpumpensystems 4 in Übereinstimmung mit dem Vakuum, welches durch den Vakuumsensor erfasst ist, steuert, um so ein Zielvakuum in der Vakuumkammer 1 aufrechtzuerhalten. Abhängig von einer Anweisung von der Steuerung 10 kann das Vakuumpumpensystem 4 zwischen einem Hochvakuum (wie z.B. 10^–3–10^–4 Pa), welches geeignet ist, um eine erste Gruppe von Verunreinigungselementen, welche einen hohen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, wie z.B. Phosphor, durch Verdampfen zu entfernen, und einem Niedervakuum (wie z.B. 1–10 Pa), welches geeignet ist, um eine zweite Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor oder Kohlenstoff, welche mit H₂O (d.h. oxidieren) reagieren und eine verdampfbare Verbindung bilden, durch Verdampfen zu entfernen, geschaltet werden.
Das H₂O einführende System 5 umfasst eine Wasserdampf erzeugende Vorrichtung 6, eine Wasserdampfzufuhrleitung 7, welche einen Wasserdampf, welcher in der Wasserdampf erzeugenden Vorrichtung 6 ausgebildet wird, zu dem Vakuumbehälter 1 führt, und eine Massenflusssteuerung 8, welche entlang der Wasserdampfzufuhrleitung 7 installiert ist. Die Massenflusssteuerung 8 führt kontinuierlich oder mit Unterbrechungen Wasserdampf dem Vakuumbehälter 1 basierend auf einer Anweisung von der Steuerung 10 zu und kontrolliert die Flussrate des Wasserdampfes zu dem Vakuumbehälter 1. Die Wasserdampf erzeugende Vorrichtung 6 umfasst einen Behälter für Wasser und eine Heizvorrichtung, um Wasser in dem Behälter aufzuheizen, um so Wasserdampf zu erzeugen. Die Massenflusssteuerung 8 kann ein kommerziell verfügbares Produkt rein.
Die Steuerung 10 kann eine herkömmliche Folgesteuerung, einen Mikrocomputer oder einen ähnlichen Mechanismus umfassen, um das Reinigungsverfahren, welches durch die Reinigungsvorrichtung ausgeführt wird, zu steuern. Wie in 1 dargestellt ist, sind die Elektronenkanone 3 und die Massenflusssteuerung 8 des H₂O einführenden Systems 5 mit der Steuerung 10 verbunden. Obwohl es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist das Vakuumpumpensystem 4 auch mit der Steuerung 10 verbunden. Die Elektronenkanone 3, die Massenflusssteuerung 8 und das Vakuumpumpensystem 4 werden gemäß von Anweisungen von der Steuerung 10 betrieben.
Der Betrieb der Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in 1 dargestellt ist, wird im Folgenden mit Bezug auf das Flussdiagram der 2 beschrieben. Zuerst öffnet eine Bedienperson der Reinigungsvorrichtung einen nicht dargestellten Deckel des Vakuumbehälters 1 und führt Rohsilizium in den Schmelzbehälter 2 ein (Schritt S1). Dann verschließt die Bedienperson den Deckel und drückt einen Startknopf, welcher mit der Steuerung 10 verbunden ist. Dies bewirkt, dass die Steuerung 10 mit einem Reinigungsprozess beginnt. Zuerst betätigt die Steuerung 10 das Vakuumpumpensystem 4 und erzeugt eine Atmosphäre mit einem vorgeschriebenen Niedervakuum von 1–10 Pa, und sie betätigt die Massenflusssteuerung 8 des H₂O einführenden Systems 5, um eine vorgeschriebene Menge von Wasserdampf dem Inneren des Vakuumbehälters 1 zuzuführen. Vorzugsweise werden die Flussrate und die Geschwindigkeit des Wasserdampfs bestimmt, so dass mindestens ein Oberflächenabschnitt des geschmolzenen Siliziums, vorzugsweise stark, aufgerührt wird. Dementsprechend ist die Wasserdampfzufuhrleitung 1 vorzugsweise derart angeordnet, dass das Ende, von welchem Wasserdampf freigesetzt wird, in der Nähe der Oberfläche des geschmolzenen Siliciums angeordnet ist. Nach der Einführung des H₂O stellt das Vakuumpumpensystem 4 das Vakuum automatisch derart ein, dass das Vakuum bei dem vorgeschriebenen Niveau von 1–10 Pa aufrechterhalten wird (Schritt S2). Die Steuerung 10 betätigt dann die Elektronenkanone 3, damit diese eine erste vorgeschriebene Ausgangsleistung aufweist, und die Elektronenkanone 3 bestrahlt das Rohsilicium in dem Schmelzbehälter 2 mit einem Elektronenstrahl und schmelzt es (Schritt S3). Als Ergebnis wird mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor und Kohlenstoff, welche sich aufgrund von Konvektion zu der Oberfläche des geschmolzenen Siliciums bewegen, oxidiert und bildet ein Oxid. Der Dampfdruck in einem Vakuum des Oxids ist höher als derjenige des Siliciums, so dass das Oxid aus der Schmelze verdampft und von der Reinigungsvorrichtung durch das Vakuumpumpensystem 4 abgeleitet wird. Als eine Alternative der vorgeschriebenen Reihenfolge der Vorgänge kann die Einführung von Wasserdampf in den Vakuumbehälter 1 nach dem Beginn der Elektronenstrahlbestrahlung ausgeführt werden. Die erste und die zweite vorgeschriebene Ausgangsleistung kann experimentell bestimmt werden, um so effizient das ausgewählte Element und das Oxid zu entfernen und sie können gleich oder unterschiedlich voneinander sein.
Als nächstes betätigt die Steuerung 10 das Vakuumpumpensystem 4, um ein vorgeschriebenes Hochvakuum von 10^–3–10^–4 Pa in dem Vakuumbehälter 1 zu erzeugen (Schritt S4). Als Ergebnis können der Wasserdampf und Oxide, welche in dem Vakuumbehälter 1 verbleiben, nahezu vollständig entfernt werden. Die Steuerung 10 betätigt dann die Elektronenkanone 3 mit einer zweiten vorgeschriebenen Ausgangsleistung, und das geschmolzene Silizium innerhalb des Schmelzbehälters 2 wird mit dem Elektronenstrahl bestrahlt (Schritt S5). Als Ergebnis wird mindestens ein Element, welches ausgewählt ist aus der ersten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Phosphor und Antimon, welche einen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, welcher höher als derjenige des Siliciums ist, und welche sich zu der Oberfläche der Schmelze aufgrund der Konvektion des Siliciums in der Schmelze bewegen, von der Schmelze verdampft und zu der Außenseite der Reinigungsvorrichtung durch das Vakuumpumpensystem 4 abgeführt.
Das Silicium, von welchem mindestens ein Element, welches sowohl aus der ersten als auch der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen ausgewählt ist, auf diese Weise entfernt wurde, wird langsam abgekühlt. Als Ergebnis findet eine gerichtete Erstarrung statt und metallische Verunreinigungselementen sammeln sich an dem oberen Ende des sich ergebenden Siliciumklumpens. Nachdem der Siliciumklumpen aus dem Schmelzbehälter 2 entfernt ist, können die metallischen Verunreinigungselemente in dem Klumpen entfernt werden, indem das obere Ende des Klumpens abgeschnitten wird (Schritt S6).
Ein Entfernen von mindestens einem Element, welches ausgewählt ist aus der ersten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Phosphor, und ein Entfernen von mindestens einem Element, welches ausgewählt ist aus der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, wie z.B. Bor, können auch in der umgekehrten Reihenfolge, wie sie vorab beschrieben ist, ausgeführt werden.
3 stellt einen Abschnitt einer anderen Ausführungsform einer Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar, welcher es einfacher macht, eine große Menge an Rohsilicium zu reinigen. Bei dieser Ausführungsform ist ein Erstarrungsbehälter in der Form eines Tiegels 11 in der Nähe des Schmelzbehälters 2 installiert. Der Schmelzbehälter 2 ist schwenkbar gelagert, damit er gekippt werden kann, und geschmolzenes Silicium in dem Schmelzbehälter 2 kann in den Tiegel 11 überführt werden, indem der Schmelzbehälter 2 gekippt wird und ge schmolzenes Silicium in den Tiegel 11 geschüttet wird. Eine zweite Elektronenkanone 12 kann vorhanden sein, um das geschmolzene Silizium, welches von dem Schmelzbehälter 2 zu dem Tiegel 11 überführt wurde, wieder aufzuheizen, um es in einem geschmolzenen Zustand zu halten. Die Struktur dieser Ausführungsform ist sonst dieselbe wie diejenige der Ausführungsform der 1.
Ein Reinigungsverfahren für Silicium, wobei die Ausführungsform der 3 verwendet wird, wird mit Bezug auf das Flussdiagram in 4 erläutert, welches die Schritte bei diesem Verfahren darstellt. Die Schritte S1–S5 in 4 sind dieselben wie die Schritte S1–S5 in 2, so dass eine Erläuterung dieser Schritte entfällt. Im Schritt S10 wird geschmolzenes Silicium, von welchem Verunreinigungselemente, welche aus der ersten und zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen ausgewählt sind, durch die Aufbereitung bis zu Schritt S5 entfernt wurden, von dem Schmelzbehälter 2 zu dem Tiegel 11 überführt, indem der Schmelzbehälter 2 gekippt und geschmolzenes Silicium in den Tiegel 11 geschüttet wird. In Schritt S11 wird bestimmt, ob die Schritte S1–S10 eine vorgeschriebene Anzahl oft wiederholt worden sind, wobei ein bestimmter Pegel von geschmolzenem Silicium in dem Tiegel 11 erzeugt wird. Wenn sie nicht die vorgeschriebene Anzahl oft wiederholt worden sind, wird zu Schritt S1 zurückgekehrt und die Schritte S1–S10 werden wieder wiederholt. Wenn die Schritte S1–S10 eine vorgeschriebene Anzahl oft wiederholt worden sind und das geschmolzene Silizium in dem Tiegel 11 einen vorgeschriebenen Pegel erreicht hat, wird Schritt S12 durchgeführt und die zweite Elektronenkanone 12 betätigt, um das geschmolzene Silizium in dem Tiegel 11 wieder aufzuheizen, und dann wird das geschmolzene Silizium langsam abgekühlt. Als Ergebnis findet eine gerichtete Erstarrung des geschmolzenen Siliciums statt und metallische Verunreinigungselemente sammeln sich an dem oberen Ende des sich ergebenden Siliciumklumpens. Nachdem der Siliciumklumpen von dem Tiegel 11 entfernt ist, werden die metallischen Verunreinigungselemente entfernt, indem das obere Ende des Klumpens abgeschnitten wird.

Claims

Verfahren zur Reinigung von Silicium, wobei ein Elektronenstrahl eingesetzt wird, umfassend: Einführen von zu reinigendem Silicium in eine Vakuumkammer; Herstellen eines ersten Vakuums in der Vakuumkammer; Bestrahlen des Siliciums mit einem Elektronenstrahl, um geschmolzenes Silicium auszubilden; Verdampfen mindestens eines Elements, welches ausgewählt ist aus einer ersten Gruppe von Verunreinigungselementen, welche einen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, welcher höher als derjenige des Siliciums ist, von dem geschmolzenen Silicium während das geschmolzene Silizium mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird; Herstellen eines zweiten Vakuums in der Vakuumkammer, welches niedriger als das erste Vakuum ist; Einführen einer Verbindung-bildenden Substanz, welche mit mindestens einem Element in dem geschmolzenen Silicium reagiert, welches ausgewählt ist aus einer zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, welche einen Dampfdruck in einem Vakuum aufweisen, welcher dieselbe Größenordnung wie derjenige des Siliciums aufweist oder geringer ist, in die Vakuumkammer; Reagieren der Verbindung-bildenden Substanz mit dem mindestens einen Element, welches ausgewählt ist aus der zweiten Gruppe von Verunreinigungselementen, um eine verdampfbare Verbindung zu bilden; und Verdampfen der verdampfbaren Verbindung von dem geschmolzenen Silicium während das geschmolzene Silizium mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Gruppe von Verunreinigungselementen Phosphor, Arsen und Antimon umfasst, und wobei die zweite Gruppe von Verunreinigungselementen Bor und Kohlenstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindung-bildende Substanz H₂O und die verdampfbare Verbindung ein Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Bestrahlung des geschmolzenen Siliciums, um das mindestens eine Elements, welches ausgewählt ist aus der ersten Gruppe von Elementen, zu verdampfen, und eine Bestrahlung des geschmolze nen Siliciums, um die verdampfbare Verbindung zu verdampfen, unter Verwendung derselben Elektronenkanone ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Elektronenkanone eine Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet, ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches umfasst Ausführen einer gerichteten Erstarrung des geschmolzenen Siliciums, so dass metallische Elemente in dem geschmolzenen Silicium an einem Ende eines Siliciumklumpens, welcher durch Erstarrung erhalten wird, aggregieren, und Abschneiden des Endes des Siliciumklumpens, wo die metallischen Elemente aggregiert haben.
Vorrichtung zur Reinigung von Silicium unter Verwendung eines Elektronenstrahls, umfassend: eine Vakuumkammer; einen Schmelzbehälter, welcher installiert innerhalb der Vakuumkammer angeordnet ist, um das zu reinigende Silicium zu halten; eine erste Elektronenkanone, welche in der Lage ist, Silicium in dem ersten Schmelzbehälter mit einem Elektronenstrahl zu bestrahlen und das Silicium zu schmelzen; eine Vakuumpumpe, welche mit der Vakuumkammer verbunden ist und welche derart eingestellt werden kann, dass sie ein Hochvakuum in der Größenordnung von 10^–1–10^–4 Pa und ein Niedervakuum in der Größenordnung von 1–100 Pa in der Vakuumkammer ausbilden kann; und einen Zuführmechanismus, welcher mit der Vakuumkammer verbunden ist, um dem Inneren der Vakuumkammer eine Verbindung-bildende Substanz zuzuführen, welche mit einem Element in dem geschmolzenen Silicium reagieren kann, welches einen Dampfdruck aufweist, welcher geringer als derjenige des Siliciums ist oder dieselbe Größenordnung aufweist, um eine verdampfbare Verbindung zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Gruppe von Verunreinigungselementen Phosphor, Arsen und Antimon umfasst, und wobei die zweite Gruppe von Verunreinigungselementen Bor und Kohlenstoff umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die erste Elektronenkanone eine Elektronenkanone ist, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung arbeitet.
Vorrichtung nach Anspruch 7, welche weiter umfasst einen Erstarrungsbehälter, welcher in der Nähe des ersten Schmelzbehälters angeordnet ist und in welchen Silicium, welches in dem ersten Schmelzbehälter geschmolzen wurde, überführt werden kann, und eine zweite Elektronenkanone, welche in der Lage ist, Silicium, welches zu dem zweiten Schmelzbehälter überführt wurde, mit einem Elektronenstrahl zu bestrahlen.