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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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"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.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung, welche die Gesamtstruktur einer Ausführungsform einer
Siliciumreinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, welches eine Ausführungsform eines Reinigungsverfahrens
für Silicium
darstellt, wobei die Reinigungsvorrichtung der 1 eingesetzt
wird.
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3 ist
eine schematische Darstellung, wobei ein Abschnitt einer anderen
Ausführungsform
einer Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
dargestellt wird.
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4 ist
ein Flussdiagramm, welches eine Ausführungsform eines Reinigungsverfahrens
für Silicium
darstellt, wobei die Reinigungsvorrichtung der 3 eingesetzt
wird.
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5 ist
eine schematische Darstellung, wobei die Konfiguration eines Beispiels
einer Elektronenkanone mit einer heißen Katode, welche ein differenzielles
Pumpen einsetzt, dargestellt ist.
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6 ist
eine schematische Darstellung, wobei die Konfiguration eines Beispiels
einer Elektronenkanone, welche mit einer kalten Katode und einer Glimmentladung
arbeitet, dargestellt ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.