DE112012003423T5 - Vorrichtung zum Fertigen eines Halbleiter- oder Metalloxidblocks - Google Patents

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Dong Soon Park
Myung Hoi Koo
Won Wook So
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Fertigen eines Halbleiter- oder Metalloxidblocks durch schrittweise Induzieren eines Phasenübergangs eines flüssigen Rohmaterials von flüssig zu fest, der einer Erstarrungsrichtung folgt, vorgesehen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Tiegel, der ein Halbleiter- oder Metalloxid-Rohmaterial enthält; eine Kühleinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in einer vertikalen Richtung beabstandet ist, wenn eine Höhenrichtung des Tiegels als vertikale Richtung bezeichnet ist und eine Richtung senkrecht zu der vertikalen Richtung als horizontale Richtung bezeichnet ist; eine erste Heizeinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in der horizontalen Richtung beabstandet ist und eine Umfangsfläche des Tiegels umgibt; und ein isolierendes Element, das zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung in der horizontalen Richtung vorgesehen ist, wobei eine Position des isolierenden Elements durch eine Verschiebeeinrichtung verschoben wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betriff eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks und insbesondere eine Vorrichtung zum Fertigen eines Halbleiter- oder Metalloxidblocks durch schrittweise Induzieren eines Phasenübergangs eines flüssigen Halbleiter- oder Metalloxid-Rohmaterials von flüssig zu fest, der einer Erstarrungsrichtung folgt.
  • Technischer Hintergrund
  • In letzter Zeit hat die Entwicklung von Solarstromerzeugung durch kristalline Siliziumsolarzellen aufgrund der Vorteile derselben im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit, Sicherheit, hohe Leistung und Zuverlässigkeit nach Tests Marktreife erreicht.
  • Infolgedessen kam es unter Verwenden der Siliziumsolarzellen in Deutschland, Kanada, USA u. a. zu Solarstrom-Massenerzeugung von etwa mehreren MW bis hin in den zweistelligen MW-Bereich.
  • Die derzeit bei der Solarstromerzeugung verwendete Solarzelle wird unter Verwenden eines monokristallinen Siliziumblocks, der durch das Czochralski-Ziehverfahren gefertigt wird, oder eines polykristallinen Siliziumblocks, der durch das Bridgman-Verfahren gefertigt wird, hergestellt. Man ist sich bewusst, dass die Preise für den Siliziumblock und das Substrat gesenkt werden müssen, während die Produktqualität und Produktivität im Hinblick auf eine künftige kontinuierliche Steigerung der Kapazität und Verbesserung der wirtschaftlichen Durchführbarkeit weiter verbessert werden müssen.
  • Unter Berücksichtigung dieses Hintergrunds wurden beträchtliche Anstrengungen beim effizienten Herstellen eines hochwertigen polykristallinen oder monokristallartigen Siliziumblocks unternommen, dessen physikalische Eigenschaften sich verglichen mit denen eines monokristallinen Siliziumblocks nicht signifikant verschlechtern und dessen Herstellungskosten einfach reduziert werden.
  • Im Grunde ist die Fertigung des polykristallinen Siliziumblocks sowie des monokristallinartigen Siliziumblocks für die Solarzelle durch gerichtete Erstarrung gekennzeichnet. Insbesondere der monokristallinartige Siliziumblock wird durch weiteres Verwenden von monokristallinen Keimen gefertigt.
  • Wenn die monokristallinen Keime an dem untersten Abschnitt eines Tiegels aus Quarz oder Graphit eingebracht werden und ein Rohsilizium von Solarzellenqualität den Tiegel füllt, gefolgt von Erwärmen bei 1420°C oder höher, werden alle monokristallinen Keime und das Rohsilizium geschmolzen. Das gesamte Rohsilizium wird hier geschmolzen, während ein unterer Abschnitt der monokristallinen Siliziumkeime durch Steuern derselben teilweise nicht geschmolzen wird, und wenn dann die Erstarrungswärme des Siliziums in einer Richtung hin zu einem unteren Abschnitt des Tiegels abgeführt wird, weitet sich die Erstarrung von den Keimen an dem unteren Abschnitt des Tiegels hin zu einem oberen Abschnitt des Tiegels unter Befolgung der Prozessvorgangsweise der gerichteten Erstarrung von monokristallinartigen Siliziumblöcken aus.
  • Im Fall eines polykristallinen Siliziumblocks weist der durch einen gut gesteuerten gerichteten Erstarrungsprozess erhaltene Block eine Säulenstruktur auf, bei der eine große Anzahl an monokristallinen Säulen in einer Richtung integriert sind. Wenn der Block senkrecht zu einer Kristallwachstumsrichtung geschnitten wird, weist das resultierende Substrat eine Struktur auf, bei der wie beim monokristallinen Block durch Licht erzeugte Elektronen ohne Elektronenverlust hin zu einer Elektrode sammelbar sind.
  • Wie in den offengelegten koreanischen Patentveröffentlichungen Nr. 2008-0068423 , 2008-0068424 , 2009-0035336 und 2009-0035337 gezeigt, wurde in letzter Zeit dieses Fertigungsverfahren für polykristalline Siliziumblöcke weiter entwickelt, und Forschung und Entwicklung der Fertigung eines Blocks mit polykristalliner Struktur, die einer monokristallinen Struktur sehr ähnlich ist (eine monokristallinartige Struktur), wurde vorangetrieben. D. h. gemäß dieser Technologie werden die monokristallinen Keime wie beim Wachstum eines monokristallinen Blocks verwendet, doch werden die plattenförmigen monokristallinen Keime an einem unteren Abschnitt in dem bestehenden Tiegel für polykristalline Siliziumblöcke positioniert und es wird ein monokristalliner Block gezüchtet. Um die monokristallinen Keime selektiv zu schmelzen und den monokristallinen Block sukzessive zu züchten, muss ein spezielles Kühlsystem, das nur einen Teil des unteren Abschnitts des Tiegels selektiv kühlen oder eine Wärmeübertragungsrate in Zeit und Raum präzis steuern kann, entwickelt werden.
  • Derzeit ist ein polykristalliner Siliziumblock handelsüblicher Größe für eine Solarzelle etwa 400–650 kg schwer, und es wird ein Block pro Charge gefertigt, um hohe Qualität sicherzustellen. Um einen monokristallinartigen Siliziumblock unter Verwenden der vorhandenen Fertigungsvorrichtung für polykristalline Blöcke zu fertigen, muss aber die Ausstattung wie etwa ein Wärmeübertragungssystem an dem unteren Abschnitt des Tiegels oder dergleichen verbessert werden.
  • Der technische Punkt bei der Fertigung eines monokristallinartigen Siliziumblocks ist, dass ein monokristalliner Siliziumkeim in dem untersten Abschnitt im Tiegel positioniert wird, wenn ein Rohmaterial einen unteren Abschnitt im Tiegel füllt; zum Zeitpunkt des Schmelzens des Rohmaterials das Schmelzen nur auf einen oberen Abschnitt des monokristallinen Siliziumkeims beschränkt ist, während ein unterer Abschnitt des monokristallinen Siliziumkeims in einem erstarrten Zustand gehalten wird; zum Zeitpunkt des Kristallwachstums das flüssige Silizium einer gerichteten Erstarrung hin zu einem unteren Abschnitt des Tiegels unterzogen wird. Hier kann ein Block guter Qualität vorgesehen werden, bei dem die kristalline Struktur entsprechend dem verwendeten Keim eine monokristallinartige Struktur ist, und die Korngröße wird monokristallinähnlich gehalten, was signifikant weniger kristalline Defekte und Verunreinigungseinmischen, d. h. einen monokristallinartigen Block ergibt, der die Spezifikationen von Solarzellen hohen Wirkungsgrads erfüllt.
  • Die Leistung der Blockfertigungsvorrichtung des Stands der Technik hängt überwiegend von der Minimierung von Kristalldefekten und Einmischung von Metallverunreinigungen sowie Maximierung des Säulenstrukturanteils ab, welches die wesentlichen physikalischen Eigenschaften des Blocks sind, die durch die Reduzierung der Prozesszeit hervorgerufen werden, die zum Erwärmen und Kühlen erforderlich ist.
  • Die Prozessfaktoren, wie etwa Erwärmen, Kühlen und dergleichen, stehen mit der Optimierung einer Vorrichtung in Verbindung, wie etwa einer Beschaffenheit eines isolierenden Kühlsystems, und somit ist eine Anordnung von isolierenden Materialien und dergleichen, die um einen Heizer eingebaut werden, wichtig. Insbesondere ist das isolierende Kühlsystem um den Tiegel, der mit einem Kühlmittel in Kontakt kommt, sehr wichtig. Daher ist es erforderlich, ein unteres Isolier- und Wärmeübertragungssystem zu konstruieren, das aufwändiger als der Stand der Technik ist, um einen polykristallinen Siliziumblock hoher Qualität, ferner einen monokristallinartigen sowie andere voluminöse Halbleiterblöcke oder Metalloxidblöcke wie etwa Saphir zu fertigen, die durch ein Schmelzkristallzuchtverfahren wie etwa Czochralski gefertigt werden können.
  • Offenbarung
  • Technisches Problem
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks an die Hand zu geben, die das Schmelzen und Erstarren eines Rohmaterials entsprechend der Position in einem Tiegel streng steuern kann; die Erstarrungswärme, die zum Zeitpunkt des Erstarrens entsprechend der Zeit und Position, bei der die Erstarrung fortschreitet, erzeugt wird, variabel und präzis steuern kann; das Rohmaterial in kurzer Zeit schmelzen kann; eine Keimbildung und ein Wachstum an einer Seitenfläche eines Tiegels unterbinden kann; die vorhandene Blockfertigungsvorrichtung ohne große Änderung derselben nutzen kann, um dadurch wirtschaftlichen Gewinn zu erzielen; und eine Minimierung der Vorrichtung ermöglichen kann.
  • Technische Lösung
  • Bei einer allgemeinen Ausgestaltung umfasst eine Vorrichtung zum Fertigen eines Halbleiter- oder Metalloxidblocks durch schrittweise Induzieren eines Phasenübergangs eines flüssigen Rohmaterials von flüssig zu fest, der einer Erstarrungsrichtung folgt: einen Tiegel, der ein Halbleiter- oder Metalloxid-Rohmaterial enthält; eine Kühleinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in einer vertikalen Richtung beabstandet ist, wenn eine Höhenrichtung des Tiegels als vertikale Richtung bezeichnet wird und eine Richtung senkrecht zu der vertikalen Richtung als horizontale Richtung bezeichnet wird; eine erste Heizeinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in der horizontalen Richtung beabstandet ist und eine Umfangsfläche des Tiegels umgibt; und ein isolierendes Element, das zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung in der horizontalen Richtung vorgesehen ist, wobei eine Position des isolierenden Elements durch eine Verschiebeeinrichtung verschoben wird.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuereinrichtung umfassen, die die Verschiebeeinrichtung steuert, um die Position des isolierenden Elements zu verschieben, und hier steuert die Steuereinrichtung die Position des isolierenden Elements, um dadurch den Wärmefluss in der Vorrichtung zu steuern, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise von der Heizeinrichtung und der Kühleinrichtung verfestigt wird.
  • Wenn im Einzelnen das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise von der Heizeinrichtung und der Kühleinrichtung verfestigt wird, steuert die Steuereinrichtung die jeweiligen Positionen der mehreren flachen aus einem Isoliermaterial bestehenden Platten, die das isolierende Element bilden, um dadurch eine Gesamtdicke in der vertikalen Richtung des isolierenden Elements entsprechend der Position des isolierenden Elements zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung zu steuern.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuereinrichtung umfassen, die die Verschiebeeinrichtung steuert, um die Position des isolierenden Elements zu verschieben, wobei die Steuereinrichtung die Position des isolierenden Elements steuert, um dadurch zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung abzuschirmen, wenn das Rohmaterial von der Heizeinrichtung geschmolzen wird, und die die Position des isolierenden Elements steuert, um dadurch eine Durchbrechung zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung zu bilden, wenn ein flüssiges Rohmaterial von der Kühleinrichtung einem Erstarrungsübergang unterzogen wird.
  • Das isolierende Element kann zwei oder mehr flache Platten aus isolierendem Material umfassen, wobei jeweilige Positionen der zwei oder mehr flachen Platten von der Verschiebeeinrichtung unabhängig verschoben werden, und die zwei oder mehr flachen Platten können sich im Hinblick auf mindestens einen Faktor, der aus Dicke, Form, Größe und Material derselben gewählt wird, unterscheiden.
  • Das isolierende Element kann durch die Verschiebeeinrichtung in der horizontalen Richtung verschoben werden.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin zusammen mit der ersten Heizeinrichtung eine zweite Heizeinrichtung umfassen, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in der vertikalen Richtung beabstandet ist, so dass die zweite Heizeinrichtung in der vertikalen Richtung mit dem Tiegel dazwischen der Kühleinrichtung zugewandt ist.
  • Das isolierende Element kann zwei oder mehr flache Platten aus einem isolierenden Material umfassen, wobei die zwei oder mehr isolierenden flachen Platten in der vertikalen Richtung in der gleichen Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind und mindestens Abschnitte der isolierenden flachen Platten in dem Fall, in dem die zwei oder mehr flachen Platten in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind, in der vertikalen Richtung eng im Kontakt miteinander gebracht werden können.
  • Die zwei oder mehr flachen Platten können jeweils unabhängig eine polygonale Platte, eine polygonale Platte, die ausgehöhlt ist, oder eine kreisförmige Platte, die ausgehöhlt ist, sein oder können N Stücke sein, die durch Teilen einer polygonalen Platte, einer polygonalen Platte, die ausgehöhlt ist, einer kreisförmigen Platte oder einer kreisförmigen Platte, die ausgehöhlt ist, in N (N = natürliche Zahl gleich 2 oder höher) gebildet werden.
  • Vorteilhafte Wirkungen
  • Entsprechend der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise durch die Heizeinrichtung und die Kühleinrichtung verfestigt wird, die Gesamtdicke in der vertikalen Richtung des isolierenden Elements entsprechend der Position desselben entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung anders gesteuert, oder die Bildung oder fehlende Bildung der Durchbrechung und die Größe der Durchbrechung werden durch Verschieben des isolierenden Elements gesteuert, so dass der Wärmeübertragungsgrad und die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung gesteuert werden, wodurch der Temperaturgradient entsprechend der Position in dem Tiegel streng gesteuert wird. Wenn das Rohmaterial durch Verschieben des isolierenden Elements schrittweise erstarrt wird, wird ferner die Wärmeübertragungsrate entsprechend der selektiven Position und der Zeit gesteuert, so dass ein monokristalliner Halbleiterblock hoher Qualität und ein polykristalliner Halbleiterblock hoher Qualität mit groß bemessenen Kristallkörnern und weniger Kristalldefekten vorgesehen werden kann. Ferner können eine Keimbildung und ein Wachstum auf der Seitenfläche des Tiegels verhindert werden, was zu ausgezeichneter Wirtschaftlichkeit führt.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen hervor, die in Verbindung mit den Begleitzeichnungen gegeben werden, wobei:
  • 1 eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 2 ein Beispiel eines isolierenden Elements ist, das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
  • 3 einige Beispiele des isolierenden Elements sind, das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
  • 4 einige Beispiele des isolierenden Elements sind, das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
  • 5 ein anderes Beispiel des isolierenden Elements ist, das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
  • 6 ein noch anderes Beispiel des isolierenden Elements ist, das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
  • 7 eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • 8 eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Rohmaterial
    200
    Tiegel
    300
    Heizeinrichtung
    400
    Kühleinrichtung
    500
    isolierendes Element
    501–550
    flache Platten
    600
    Verschiebeeinrichtung
    700
    Steuereinrichtung
  • Beste Methode
  • Nachstehend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Begleitzeichnungen näher beschrieben. Die nachstehend erläuterten Zeichnungen sind beispielhaft vorgesehen, so dass dem Fachmann, den die vorliegende Erfindung betrifft, das Wesen der vorliegenden Erfindung ausreichend vermittelt werden kann. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die nachstehend aufgeführten Zeichnungen beschränkt und kann in unterschiedlichen Formen umgesetzt werden, und die nachstehend aufgeführten Zeichnungen können übertrieben sein, um das Wesen der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen. Ähnliche Bezugszeichen bezeichnen ferner in der gesamten Spezifikation ähnliche Elemente.
  • Sofern nichts anderes angegeben ist, haben hier die in der Beschreibung verwendeten Begriffe, einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe, die gleiche Bedeutung wie sie üblicherweise von Fachleuten des Gebiets, das die vorliegende Erfindung betrifft, verstanden wird, und auf eine nähere Beschreibung der bekannten Funktionen und Beschaffenheiten, die den Kern der vorliegenden Erfindung unklar machen könnte, wird verzichtet.
  • Eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Fertigen eines Halbleiter- oder Metalloxidblocks durch schrittweise Induzieren eines Phasenübergangs eines flüssigen Rohmaterials von flüssig zu fest, der einer Erstarrungsrichtung folgt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Tiegel, der ein Halbleiter- oder Metalloxid-Rohmaterial enthält; eine Kühleinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in einer vertikalen Richtung beabstandet ist, wenn eine Höhenrichtung des Tiegels als vertikale Richtung bezeichnet wird und eine Richtung senkrecht zu der vertikalen Richtung als horizontale Richtung bezeichnet wird; eine erste Heizeinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in der horizontalen Richtung beabstandet ist und eine Umfangsfläche des Tiegels umgibt; und ein isolierendes Element, das zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung in der horizontalen Richtung vorgesehen ist, wobei eine Position des isolierenden Elements durch eine Verlagerungseinrichtung verschoben wird.
  • Bezüglich des Halbleiters oder Metalloxids, der/das als Rohmaterial zum Fertigen eines Blocks durch Aufnehmen in dem Tiegel verwendet wird, können Beispiele für das Halbleiter-Rohmaterial Halbleiter der Gruppe 4, einschließlich Silizium (Si), Germanium (Ge) und Silizium-Germanium (SiGe); Halbleiter der Gruppe 3–5, einschließlich Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Galliumphosphid (GaP); Halbleiter der Gruppe 2–6, einschließlich Cadmiumsulfid (CdS) und Zinktellurid (ZnTe); und Halbleiter der Gruppe 4–6, einschließlich Bleisulfid (PbS) umfassen, und Beispiele des Metalloxid-Rohmaterials können Aluminiumoxid umfassen.
  • Der aus dem Halbleiter-Rohmaterial gefertigte Halbleiterblock kann einen Halbleiterblock umfassen, der einen Halbleiter der Gruppe 4, einschließlich Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Silizium-Germanium (SiGe) enthält; einen Halbleiter der Gruppe 3–5, einschließlich Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) oder Gallliumphosphid (GaP) enthält; einen Halbleiter der Gruppe 2–6, einschließlich Cadmiumsulfid (CdS) oder Zinktellurid (ZnTe) enthält; oder einen Halbleiter der Gruppe 4–6, einschließlich Bleisulfid (PbS) enthält, und der Metalloxidblock, der mit dem Metalloxid-Rohmaterial gefertigt wird, umfasst einen Saphirblock.
  • Das in dem Tiegel enthaltene Halbleiter- oder Metalloxid-Rohmaterial wird durch die Heizeinrichtung geschmolzen und somit einer vorbestimmten Erstarrungsrichtung folgend schrittweise verfestigt, um dadurch zu einem Block gefertigt zu werden. Beispiele für den Block können einen polykristallinen Block mit einer Säulenstruktur, einen monokristallartigen Block und einen monokristallinen Block umfassen.
  • Monokristalline Keime zum Fertigen eines monokristallinen Blocks können an einer Bodenfläche in dem Tiegel, wo ein schrittweises Erstarren beginnt, positioniert werden. Zum Fertigen des monokristallinartigen Blocks können natürlich mehrere monokristalline Keime, die konstant angeordnet sind, positioniert werden.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Wie in (a) von 1 gezeigt ist, kann die Vorrichtung zum Fertigen eines erfindungsgemäßen Blocks einen Tiegel 200 umfassen, der darin ein Rohmaterial 100 enthält; wenn eine Höhenrichtung des Tiegels 200 als vertikale Richtung (V) bezeichnet ist und eine Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung (V) als horizontale Richtung (H) bezeichnet ist, eine Kühleinrichtung 400, die von einer Seite des Tiegels 200 bei einem vorbestimmten Abstand in der vertikalen Richtung (V) beabstandet ist; eine erste Heizeinrichtung 310 von dem Tiegel 200 bei einem vorbestimmten Abstand in der horizontalen Richtung (H) beabstandet ist und den gesamten Umfang des Tiegels 200 umgibt; und ein isolierendes Element 500, das zwischen dem Tiegel 290 und der Kühleinrichtung 400 in der horizontalen Richtung (H) vorgesehen ist und von einer Verschiebeeinrichtung 600 verschoben wird, wobei das isolierende Element 500 aus zwei oder mehr flachen Platten 501 und 502 aus einem isolierenden Material besteht.
  • Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine zweite Heizeinrichtung 320 umfasse, die von der anderen Seite des Tiegels 200 bei einem vorbestimmten Abstand in der vertikalen Richtung (V) beabstandet ist. Die zweite Heizeinrichtung 320 ist von dem Tiegel 200 bei einem vorbestimmten Abstand in der vertikalen Richtung beabstandet, so dass die zweite Heizeinrichtung 320 der Kühleinrichtung 400 in der vertikalen Richtung (V) mit dem Tiegel 200 dazwischen zugewandt ist.
  • Die Heizeinrichtung 300 zum Schmelzen des Rohmaterials, das in dem Tiegel 200 enthalten ist, kann ein allgemeines Heizelement umfassen, das durch elektrischen Strom Joule'sche Wärme erzeugt. Vorzugsweise kann die Heizeinrichtung 300 die erste Heizeinrichtung 310, die von der Umfangsfläche des Tiegels 200 bei einem vorbestimmten Abstand beabstandet ist, um dadurch den gesamten Umfang des Tiegels 200 zu geben, und die zweite Heizeinrichtung 320, die über dem Tiegel 200 vorgesehen ist, so dass die zweite Heizeinrichtung 320 der Kühleinrichtung 400 mit dem Tiegel dazwischen zugewandt ist, umfassen.
  • Die Kühleinrichtung 400 ist zum Kühlen des durch die Heizeinrichtung 300 geschmolzenen Rohmaterials ausgelegt und umfasst einen allgemeinen Kühlteil mit einem Strömungskanal, durch den eine Kühlflüssigkeit strömt, um dadurch ein Kühlen durch die Kühlflüssigkeit durchzuführen. Die Kühleinrichtung 400 ist vorzugsweise bei einem vorbestimmten Abstand von einer unteren Fläche des Tiegels 200 beabstandet.
  • Bevorzugter kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Lagerstange zum Lagern der Kühleinrichtung und eine Kühleinrichtungsfördervorrichtung, die die Lagerstange befördert, um dadurch die Kühleinrichtung 400 in vertikaler Richtung (V) zu befördern, zusammen mit der Kühleinrichtung 400, die den flachen plattenförmigen Kühlteil mit dem Strömungskanal, durch den die Kühlflüssigkeit strömt, umfasst, umfassen. Die Kühleinrichtungsfördervorrichtung ermöglicht ein Befördern der Kühleinrichtung 400, um dadurch die Abstandsstrecke zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 zu steuern.
  • Ein Wärmeübertragungssystem, das die Verschiebeeinrichtung 600 und das isolierende Element 500 umfasst, steuert den Wärmefluss in der Vorrichtung und steuert die Innentemperaturen des Tiegels entsprechend der Position in dem Tiegel und dem zeitlichen Fortschritt der Erstarrung präzis und variabel. Die Position des isolierenden Elements 500 wird von der Verschiebeeinrichtung 600 verschoben, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise verfestigt wird.
  • Wie im Einzelnen in 1 gezeigt ist, kann die Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks weiterhin eine Steuereinrichtung 700 zum Steuern der Verschiebeeinrichtung 600, der Heizeinrichtung 300 und der Kühleinrichtung 400 (einschließlich der Kühleinrichtungsfördervorrichtung) umfassen. Die Steuereinrichtung 700 steuert die Position des isolierenden Elements 500, wenn das Rohmaterial geschmolzen und von der Heizeinrichtung 300 und der Kühleinrichtung 400 schrittweise verfestigt wird, um dadurch den Wärmefluss in der Vorrichtung zu steuern und den Temperaturgradienten entsprechend der Position in dem Tiegel 200 zu steuern.
  • Im Einzelnen ist die Steuereinrichtung 700 durch Öffnen oder Schließen des isolierenden Elements 500, das zwei oder mehr flache Platten aus einem isolierenden Material umfasst, durch die Verschiebeeinrichtung 600, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise verfestigt wird, gekennzeichnet.
  • Wenn das Rohrmaterial durch die Heizeinrichtung 300 geschmolzen wird, steuert die Steuereinrichtung 700 die Position des isolierenden Elements 500, um dadurch zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 abzuschirmen, wie in (a) von 1 gezeigt ist. Wenn das geschmolzene Rohmaterial durch die Kühleinrichtung 400 schrittweise verfestigt wird, steuert die Steuereinrichtung 700 die Position des isolierenden Elementes 500, um dadurch einen Verbindungsbereich zu bilden, d. h. eine Durchbrechung 1, die ein in der vertikalen Richtung (V) geöffneter Raum zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 ist, wie in (b) von 1 gezeigt ist.
  • Wenn das Rohmaterial geschmolzen wird, wird aus diesem Grund der in der Heizeinrichtung 300 erzeugte Wärmeverlust nach außen minimiert und das in dem Tiegel enthaltene Rohmaterial kann in kurzer Zeit schnell geschmolzen werden. Wenn das Rohmaterial durch die Kühleinrichtung 400 nach dem Schmelzen des Rohmaterials verfestigt wird, kann die durch das Erstarren erzeugte Erstarrungswärme durch die Durchbrechung 1, die durch Verschieben des isolierenden Elements 500 gebildet wird, effektiv abgeführt werden.
  • Wie in (a) von 1 gezeigt werden hier zwei oder mehr flache Platten 501 bis 504, die durch die Verschiebeeinrichtung 600 verschoben und kombiniert werden, um eine Abschirmschicht zum Abschirmen zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 zu bilden, verschoben und kombiniert, um dadurch zu einer einzigen Platte zu werden, deren Vorsprungsform keine Öffnungen darin aufweist. Der Durchmesser der Vorsprungsform der Abschirmschicht, die durch Verschieben und Kombinieren der zwei oder mehr flachen Platten 501 bis 504 gebildet wird, beträgt vorzugsweise das 1- bis 1,5-fache des Durchmessers des Tiegels 200.
  • Die Größe der Durchbrechung 1 kann durch die Steuereinrichtung 700 entsprechend dem Grad des Fortschreitens der schrittweisen Erstarrung des Rohmaterials gesteuert werden. Im Einzelnen wird die Durchbrechung 1 vorzugsweise so gebildet, dass in der Anfangsphase der Erstarrung, bei der 10% oder weniger der Erstarrung beruhend auf dem Gesamtvolumen des Rohmaterials erfolgt, das 0,1- bis 0,5-fache der Schnittfläche eines Querschnitts des Tiegels 200 senkrecht zu der vertikalen Richtung mit der Kühleinrichtung 400 in Verbindung steht; in der mittleren Phase der Erstarrung, bei der 10–60% der Erstarrung beruhend auf dem Gesamtvolumen des Rohmaterials erfolgt, das 0,5- bis 0,7-fache der Schnittfläche des Querschnitts des Tiegels 200, der senkrechtrecht zu der vertikalen Richtung ist, mit der Kühleinrichtung 400 in Verbindung steht; in der letzten Phase der Erstarrung, bei der 60% oder mehr der Erstarrung beruhend auf dem Gesamtvolumen des Rohmaterials erfolgt, das 0,7- bis 1,0-fache der Schnittfläche des Querschnitts des Tiegels 200, der senkrechtrecht zu der vertikalen Richtung ist, mit der Kühleinrichtung 400 in Verbindung steht. Wie vorstehend beschrieben werden hier zwei oder mehr flache Platten 501 bis 504, die das isolierende Element 500 bilden, von der Steuereinrichtung 700 und der Verschiebeeinrichtung 600 unabhängig jeweils verschoben, um dadurch die Durchbrechung 1 zu bilden. Die Durchbrechung 1 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass eine Mitte der Durchbrechung 1 auf einer gedachten Linie liegt, die den Tiegel und die Kühleinrichtung 400 verbindet, d. h. der Tiegel 200 und die Kühleinrichtung 400 sind beruhend auf der gedachten Linie zueinander symmetrisch.
  • Das isolierende Element 500 wird hier durch die Steuereinrichtung 700 entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung kontinuierlich oder diskontinuierlich verschoben, und somit kann natürlich die Größe der Durchbrechung 1 kontinuierlich oder diskontinuierlich verändert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben steuert bei der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung die Steuereinrichtung 700 die Gesamtdicke des isolierenden Elements 500 in der vertikalen Richtung (V) lokal und steuert auch die Bildung oder Nichtbildung der Durchbrechung 1, die Größe der Durchbrechung 1 und die Ausbildungsposition der Durchbrechung 1, wodurch der Temperaturgradient entsprechend der Position in dem Tiegel 200 streng gesteuert wird, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise verfestigt wird.
  • Somit ist die Heizeinrichtung 300 in der vertikalen Richtung (V) und der horizontalen Richtung (H) des Tiegels 200 vorgesehen; die Kühleinrichtung 400 ist unter dem Tiegel 200 in der vertikalen Richtung (V) des Tiegels 200 vorgesehen; und das isolierende Element 500 ist in der vertikalen Richtung (V) zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 vorgesehen. Daher wird das isolierende Element 500 vorzugsweise in der horizontalen Richtung verschoben, um eine Erstarrungswärme effektiv und gleichmäßig abzuführen. In dem Fall, da das isolierende Element 500 aus mehreren flachen Platten aus einem isolierenden Material besteht, ist es bevorzugt, die flachen Platten unabhängig in der horizontalen Richtung (H) zu verschieben.
  • Hier besteht das isolierende Element 500 aus einem allgemeinen isolierenden Material, das Graphit oder Aluminiumoxid umfasst. Als Verschiebeeinrichtung 600 wird eine allgemeine Vorrichtung, die die Position eines Objekts durch elektrisches Steuern in der Richtung nach oben, nach unten, nach links und nach rechts verschieben kann, verwendet. Zum Beispiel kann die Verschiebeeinrichtung 600 einen Antriebsteil einschließlich eines Zylinders, der eine lineare Bewegung induziert, oder eines Motors, der eine Drehbewegung induziert, einen Umwandlungsteil, der mit einer Antriebswelle des Antriebsteils verbunden ist, um die lineare Bewegung oder die Drehbewegung in Bewegung horizontaler Richtung umzuwandeln, und ein kombinierendes Element, das eine Richtung der Bewegung, die von dem Umwandlungsteil umgewandelt wurde, an dem isolierenden Element 500 anlegt, umfassen.
  • 2 zeigt ein Beispiel des isolierenden Elements (500), das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. 2 ist ein Schaubild zum Erläutern des isolierenden Elements 500, das von der Steuereinrichtung 700 verschoben wird, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise verfestigt wird.
  • Wie in 2 gezeigt wird, kann das in der Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehene isolierende Element 500 zwei oder mehr flache Platten 501 bis 504 aus einem isolierenden Material umfassen, und Positionen der zwei oder mehr flachen Platten 501 bis 504 werden durch die Verschiebeeinrichtung 600 unabhängig jeweils in der horizontalen Richtung verschoben.
  • Wie in (a) von 2 gezeigt ist, steuert, wenn das Rohmaterial in dem Tiegel 200 geschmolzen wird, die Steuereinrichtung 700 die zu verschiebenden zwei oder mehr flachen Platten 501 bis 504, um dadurch zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 abzuschirmen, was die Wirkung zeitigt, dass ein unterer Abschnitt des Tiegels von einem isolierenden Material abgeschirmt wird, so dass das Rohmaterial effektiv in kurzer Zeit geschmolzen werden kann.
  • Wie in (b) und (c) von 2 gezeigt wird, steuert zum Verhindern von Keimbildung und Wachstum an einer Seitenfläche des Tiegels und zum Verhindern des gleichzeitigen Auftretens eines großen Betrags an Keimbildung an einer unteren Fläche in dem Tiegel, wenn das geschmolzene Rohmaterial schrittweise in der vertikalen Richtung (V) verfestigt wird, die Steuereinrichtung 700 jeweils zwei oder mehr in der horizontalen Richtung (H) zu verschiebende flache Platten 501 bis 504, um dadurch die aufgrund der Erstarrung des Rohmaterials entsprechend der Position in dem Tiegel erzeugte Erstarrungswärme selektiv abzuführen, so dass ein hochwertiger monokristalliner, monokristallinartiger oder polykristalliner Halbleiterblock gefertigt werden kann.
  • Wie im Einzelnen in (b) von 2 gezeigt ist, werden in der Anfangsphase der Erstarrung, bei der eine Erstarrung an der unteren Fläche im Tiegel erfolgt, wenn die flachen Platten (z. B. 501 und 502), die in der gleichen Ebene positioniert sind, als eine flache Plattenschicht verwendet werden, die flachen Platten 503 und 504, die in der flachen Plattenschicht nahe dem Tiegel in der vertikalen Richtung (V) enthalten sind, in der horizontalen Richtung (H) um einen vorbestimmten Abstand verschoben, und die flachen Platten 501 und 502, die in der flachen Plattenschicht weit weg von dem Tiegel enthalten sind, bilden eine Abschirmschicht, wodurch das Auftreten einer übermäßigen Keimbildungsantriebskraft verhindert wird.
  • Wie im Einzelnen an (c) von 2 gezeigt ist, werden in der mittleren oder letzten Phase der Erstarrung, bei der die schrittweise Erstarrung in der vertikalen Richtung (V) erfolgt, die flachen Platten 501 und 502, die in der flachen Plattenschicht weit weg von dem Tiegel enthalten sind, in der horizontalen Richtung (H) um einen vorbestimmten Abstand verschoben, um dadurch eine Durchbrechung 1 mit einer vorbestimmten Größe zu bilden, und die flachen Platten 503 und 504, die in der flachen Plattenschicht nahe dem Tiegel enthalten sind, werden weiter zum Randbereich der unteren Fläche des Tiegels 200 verschoben, wodurch das Auftreten einer Erstarrung an der Seitenfläche des Tiegels verhindert wird. D. h. in der mittleren oder letzten Phase der Erstarrung werden die flachen Platten so verschoben, dass ein Durchmesser der Durchbrechung 1 in der horizontalen Richtung (H) größer wird, wenn die flachen Platten in der vertikalen Richtung (V) näher zu dem Tiegel verschoben werden.
  • Das Verschieben des isolierenden Elements entsprechend der Phase der Erstarrung, wie in 2 gezeigt, ist hier nur ein Beispiel für das deutlichere Erläutern der Steuerung eines Wärmeflusses in der Vorrichtung zum Zeitpunkt des Fertigens eines Blocks. Der Grad der Verschiebung des isolierenden Elements während der gerichteten Erstarrung kann unter Berücksichtigung der Größe des Tiegels, des Materials des Tiegels, der Menge an Rohmaterial, der Art des zu fertigenden Blocks (monokristallin oder polykristallin), der Art des Rohmaterials und dergleichen optimiert werden. Bezüglich der optimierten Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung natürlich nicht durch den Grad der Verschiebung des isolierenden Elements während der gerichteten Erstarrung beschränkt.
  • 3 bis 6 zeigen Fälle, bei denen zwei oder mehr flache Platten in der vertikalen Richtung (V) in verschiedenen Ebenen positioniert sind. Hierin wird in den folgenden Beschreibungen bezüglich 3 bis 6 das isolierende Element 500 der vorliegenden Erfindung beruhend auf dem Fall näher beschrieben, bei dem das isolierende Element 500 zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 abschirmt. Die Verschiebungsrichtungen von jeweiligen flachen Platten, die das isolierende Element 500 bilden, durch die Verschiebeeinrichtung 600 und die Steuereinrichtung 700 sind durch Pfeile dargestellt.
  • Wie in 3 bis 6 gezeigt, umfasst das isolierende Element 500 zwei oder mehr flache Platten bestehend aus einem isolierenden Material. Die zwei oder mehr flachen Platten können jeweils eine polygonale Platte, eine polygonale Platte, die ausgehöhlt ist, eine kreisförmige Platte oder eine kreisförmige Platte, die ausgehöhlt ist, sein. Die zwei oder mehr flachen Platten sind N Stücke, die durch Teilen der polygonalen Platte, der polygonalen Platte, die ausgehöhlt ist, der kreisförmigen Platte oder der kreisförmigen Platte, die ausgehöhlt ist, in N (N = eine natürliche Zahl von 2 oder höher) und vorzugsweise 2 bis 10 Stücke gebildet werden. Die zwei oder mehr flachen Platten sind dadurch gekennzeichnet, dass sie in der vertikalen Richtung in der gleichen Ebene oder unterschiedlichen Ebenen positioniert sind.
  • In dem Fall, in dem die zwei oder mehr flachen Platten, die das isolierende Element 500 bilden, in der vertikalen Richtung (V) in den unterschiedlichen Ebenen positioniert sind, wie in 3 bis 6 gezeigt ist, werden zum Minimieren des Wärmeverlusts aufgrund eines geöffneten Raums und zum strengeren Steuern des Wärmeflusses in der Vorrichtung, wenn das Rohmaterial durch die Heizeinrichtung 300 geschmolzen wird, mindestens Abschnitte der flachen Platten in der vertikalen Richtung eng miteinander in Kontakt gebracht. Für eine deutlichere Beschreibung auf den Zeichnungen sind hier die flachen Platten, die in den unterschiedlichen Ebenen positioniert sind, voneinander beabstandet, und dann ist die Richtung, in der die flachen Platten end miteinander in Kontakt stehen, durch Verwenden eines gestrichelten Pfeils dargestellt.
  • Im Einzelnen kann das isolierende Element 500 aufweisen: eine Struktur, bei der zwei oder mehr kreis- oder polygonal-förmige flache Platten 505 bis 508 der gleichen Größe gestapelt sind, so dass jeweilige Flächen der flachen Platten miteinander in Kontakt gebracht werden, wie in (a) von 3 gezeigt ist; eine Struktur, bei der zwei oder mehr kreis- oder polygonal-förmige flache Platten 509 bis 511 unterschiedlicher Größen gestapelt sind, so dass eine Fläche der kleinsten flachen Platte 510 mit allen anderen flachen Platten in Kontakt gebracht wird, wie in (b) von 3 gezeigt ist; und eine Struktur, bei der zwei oder mehr kreis- oder polygonal-förmige flache Platten 512 bis 514 oder 515 bis 518 der gleichen Größe oder unterschiedlicher Größen so gestapelt sind, dass lokale Bereiche der jeweiligen Oberflächen davon miteinander in Kontakt gebracht werden, wie in (c) und (d) von 3 gezeigt ist.
  • Alternativ kann das isolierende Element 500 aufweisen: eine Struktur, bei der N flache Platten 519 bis 522, die N Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen oder kreisförmigen Platte in N (N = natürliche Zahl von 2 oder höher, im Allgemeinen 2 bis 10) gebildet sind, in der gleichen Ebene positioniert sind, und mehrere flache Platten 523 bis 526 mit einer Größe, die jedem der N-geteilten Stücke entspricht, werden über und unter den N flachen Platten 519 bis 522 positioniert, so dass die flachen Platten 523 bis 526 einander nicht zugewandt sind, wie in (a) von 4 gezeigt ist; eine Struktur, bei der N flache Platten 527 bis 530, die N Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen oder kreisförmigen Platte in N (N = natürliche Zahl von 2 oder höher) gebildet werden, in der gleichen Ebene positioniert sind, und M flache Platten 531 bis 534, die M Stücke sind, die durch Dividieren einer polygonalen oder kreisförmigen Platte in M (M = natürliche Zahl von 2 oder höher) gebildet sind, über oder unter den N flachen Platten 527 bis 530 positioniert sind, wie in (b) von 4 gezeigt ist; und eine Struktur, bei der N flache Platten 535 bis 538, die N Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen oder kreisförmigen Platte in N (N = eine natürliche Zahl von 2 oder höher) gebildet sind, in der gleichen Ebene positioniert sind, und eine einzelne polygonal- oder kreisförmige flache Platte 539 über oder unter den N flachen Platten 535 bis 538 positioniert ist, so dass eine Mitte der einzelnen polygonal- oder kreisförmigen flachen Platte 539 auf einer gedachten Mittellinie liegt, die den Tiegel 200 und die Kühleinrichtung 400 verbindet, wie in (c) von 4 gezeigt ist.
  • Wie in 5 gezeigt ist, kann das isolierende Element 500 einen Struktur aufweisen, die zwei oder mehr flache Platten umfasst, die in der vertikalen Richtung (V) in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind. Wie in 5 gezeigt ist, kann das isolierende Element 500 im Einzelnen eine Struktur haben, bei der über oder unter einer hohlen flachen Platten 540, die eine polygonale Platte, die ausgehöhlt ist, oder eine kreisförmige Platte, die ausgehöhlt ist, ist, eine polygonal- oder kreisförmige flache Platte 541 mit einer größeren Größe als der hohle Teil der polygonalen Platte oder der kreisförmigen Platte nahe der hohlen flachen Platte 540 positioniert ist, so dass die polygonal- oder kreisförmige flache Platte 541 den hohlen Teil der hohlen flachen Platte 540 versperrt.
  • Wie in 6 gezeigt ist, kann das isolierende Element 500 alternativ eine Struktur aufweisen, bei der L flache Platten 542 und 543, die L Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen Platte, die ausgehöhlt ist, oder einer kreisförmigen Platte, die ausgehöhlt ist, in L (L = natürliche Zahl von 2 oder höher), gebildet sind, in der gleichen Ebene positioniert sind, und P flache Platten 544 und 545, die P Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen oder kreisförmigen Platte mit einer größeren Größe als der hohle Teil der L flachen Platten 542 und 543 gebildet sind, nahe über oder unter den L flachen Platten 542 und 543 positioniert sind, so dass die P flachen Platten 544 und 545 den hohlen Teil der L flachen Platten 542 und 543 versperren.
  • Zum strengen Steuern der Abführrate der Erstarrungswärme entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung und zum präzisen Steuern der Abführrate von Erstarrungswärme entsprechend der lokalen Position in dem Tiegel, weist das isolierende Element 500, wie in 3 bis 6 gezeigt, vorzugsweise einen Struktur auf, bei der zwei oder mehr flache Platten nicht in einer einzigen Ebene, sondern in den vertikalen Richtungen (V) in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind und mindestens Abschnitte von jeweiligen flachen Platten, die in den unterschiedlichen flachen Platten positioniert sind, in der vertikalen Richtung jeweils eng miteinander in Kontakt stehen. Wenn die flachen Platten, die in der einzigen Ebene positioniert sind, hier als eine flache Plattenschicht verwendet werden, besteht das isolierende Element 500 vorzugsweise aus 2 bis 6 flachen Plattenschichten.
  • Um eine lokale Steuerung der Erstarrungswärme entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung oder eine variable Steuerung der Erstarrungswärme entsprechend der Zeit strenger durchzuführen, kann das isolierende Element 500 ferner vorzugsweise aus zwei oder mehr flachen Platten bestehen, während sich die jeweiligen flachen Platten im Hinblick auf mindestens einen Faktor gewählt aus Dicke, Form, Größe und Material derselben voneinander unterscheiden.
  • Vorzugsweise können die das isolierende Element 500 bildenden flachen Platten aus einem isolierenden Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,2565 W/m°K bis 65 W/m°K bestehen. Vorzugsweise können Beispiele des isolierenden Materials, die die vorstehende Wärmeleitfähigkeit erfüllen, einen styroporartigen Graphitfilz, der durch Verschäumen einer Graphitfaser erhalten wird, oder einer Graphitplatte umfassen. Vorzugsweise sind die das isolierende Element 500 bildenden flachen Platten jeweils unabhängig ein Graphitfilz oder eine Graphitplatte.
  • Die flachen Platten weisen vorzugsweise Dicken von einzeln 2 cm bis 12 cm auf. In dem Fall, da das isolierende Element 500 mehrere flachen Platten umfasst, die polygonale oder kreisförmige Platten sind, wie in 3 und 4 gezeigt ist, weisen die jeweiligen flachen Platten vorzugsweise eine Flächengröße auf, die das 0,2- bis 0,5-fache der Schnittfläche eines Querschnitts des Tiegels 200 senkrecht zur vertikalen Richtung beträgt. In dem Fall, da das isolierende Element 500 die flachen Platten umfasst, die die hohlen polygonalen Platten, die hohlen kreisförmigen Platten, die geteilten hohlen polygonalen Platten oder die geteilten hohlen kreisförmigen Platten sind, wie in 5 und 6 gezeigt ist, weist jede der flachen Platten vorzugsweise einen hohlen Teil auf, dessen Mitte auf der gedachten Mittellinie liegt, die den Tiegel 200 und die Kühleinrichtung 400 verbindet. Die Schnittfläche des hohlen Teils beträgt vorzugsweise das 0,1- bis 0,5-fache der Schnittfläche eines Querschnitts des Tiegels 200 senkrecht zur vertikalen Richtung. Der Durchmesser der hohlen Platte, die die polygonale Platte, die ausgehöhlt ist, oder die kreisförmige Platte, die ausgehöhlt ist (einschließlich einer Platte, die nicht geteilt ist, oder einer Platte vor der Teilung), ist, beträgt vorzugsweise das 1,0- bis 1,2-fache des Durchmessers des Tiegels 200.
  • Durch Bilden des isolierenden Elements 500 der flachen Platten, die aus einem isolierenden Material bestehen, das die vorstehenden Bedingungen erfüllt, kann das isolierende Element 500 der vorliegenden Erfindung: als Abschirmschicht dienen, die den Wärmeverlust zu einer anderen Region als dem Tiegel verhindert, wenn das Rohmaterial geschmolzen wird; durch Zulassen, dass die jeweiligen flachen Platten durch die Steuereinrichtung 700 unabhängig verschoben werden, um die Durchbrechung zu bilden, effektiv ein übermäßiges Auftreten von Keimbildung an dem unteren Abschnitt in dem Tiegel verhindern oder die Gesamtdicke in der vertikalen Richtung der flachen Platten entsprechend ihrer Position steuern, während die gerichtete Erstarrung des Rohmaterials von dem unteren Abschnitt hin zum oberen Abschnitt in dem Tiegel fortschreitet; effektiv eine seitliche Keimbildung und ein seitliches Wachstum aufgrund der Abkühlung der Seitenfläche in dem Tiegel verhindern; effektiv die Form einer Fest/Flüssig-Grenzschicht und die Bewegungsrate der Fest/Flüssig-Grenzschicht steuern; und den Raum zum Verschieben der flachen Platten in der horizontalen Richtung minimieren, um dadurch eine Konstruktion der kompakten Vorrichtung zu ermöglichen.
  • Gemäß den Strukturen der isolierenden Elemente, die in 3 bis 6 gezeigt sind, bildet wie vorstehend beschrieben bei Schmelzen des Rohmaterials in dem Tiegel durch die Heizeinrichtung 300 das isolierende Element 500, das durch die Steuereinrichtung 700 und die Verschiebeeinrichtung 600 verschoben wird, die Abschirmschicht, die zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 abschirmt. Wie in den Pfeilen von 3 bis 6 gezeigt steuert die Steuereinrichtung 700 unabhängig die jeweiligen flachen Platten, die das in der horizontalen Richtung (H) zu verschiebende isolierende Element 500 bilden, wenn das Rohmaterial geschmolzen und dann in dem Tiegel schrittweise verfestigt wird. Das unabhängige Verschieben der flachen Platten durch die Steuereinrichtung 700 bedeutet, dass die jeweiligen flachen Platten entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung unabhängig verschoben werden.
  • 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht der Ausbildung der Durchbrechung gesehen, doch kann, wie in 7 gezeigt, der Wärmefluss in der Vorrichtung, spezifisch die Temperatur entsprechend der Position in dem Tiegel, natürlich durch Regulieren der Gesamtdicke (Gesamtdicke in der vertikalen Richtung) des isolierenden Elements, die durch Addieren aller Dicken in der vertikalen Richtung (V) der mehreren flachen Platten erhalten wird, die in den verschiedenen Ebenen positioniert sind, gesteuert werden.
  • Wie in 7 zum Erläutern eines Falls gezeigt, bei dem das isolierende Element 500 aus drei flachen Plattenschichten besteht, kann die Gesamtdicke in der vertikalen Richtung des isolierenden Elements 500 im Einzelnen entsprechend der Position desselben unterschiedlich sein. Die Dicke in der vertikalen Richtung des isolierenden Elements 500 kann entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung kontinuierlich oder diskontinuierlich gesteuert werden, indem bei Schmelzen des Rohmaterials in dem Tiegel 200 ein Verschieben des isolierenden Elements 500 durch die Steuereinrichtung 700 und die Verschiebeeinrichtung 600 zugelassen wird, um eine zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 abschirmende Abschirmschicht zu bilden, wie in (a) von 7 gezeigt ist; um keine übermäßige Keimbildungsantriebskraft in der Anfangsphase der Erstarrung anzulegen, bei der Erstarrung an der unteren Fläche in dem Tiegel 200 auftritt, indem nur eine einzige flache Platte 550 verschoben und entfernt wird, die eine polygonale oder kreisförmige Platte ist, die über N flachen Platten 546 und 547 oder 548 und 549 positioniert ist, die N Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen oder kreisförmigen Platte in N (N = natürliche Zahl von 2 oder höher), die in der gleichen Ebene positioniert sind, gebildet werden, um ein Beeinträchtigen des Wärmeflusses in der Vorrichtung durch die einzige flache Platte 550 zu verhindern, wie in (b) von 7 gezeigt ist; und um das Auftreten einer Erstarrung an der Seitenfläche in dem Tiegel in der mittleren oder letzten Phase der Erstarrung, bei der eine schrittweise Erstarrung in der vertikalen Richtung (V) fortschreitet, zu verhindern, in dem nur flache Platten 546 und 547, die in einer flachen Plattenschicht nahe dem Tiegel enthalten sind, um einen vorbestimmten Abstand in der vertikalen Richtung (V) verschoben werden und indem zugelassen wird, dass flache Platten 548 und 549, die in einer flachen Plattenschicht weit weg von dem Tiegel enthalten sind, eine Abschirmschicht bilden, wie in (c) von 7 gezeigt ist.
  • D. h. wenn die Erstarrung fortschreitet, steuert die Steuereinrichtung 700 die Gesamtdicke in der vertikalen Richtung des isolierenden Elements 500 entsprechend seiner Position entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung oder steuert die Ausbildung oder Nichtausbildung der Durchbrechung und die Größe der Durchbrechung, wodurch der Wärmeübertragungsgrad und die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung gesteuert werden, und kann somit den Temperaturgradienten entsprechend der Position in dem Tiegel streng steuern, so dass die Kristallwachstumsrate und die Qualität von Halbleiterkristallen gesteuert werden können.
  • Um die zum Zeitpunkt der Erstarrung erzeugte Erstarrungswärme, insbesondere die Erstarrungswärme, die von dem oberen Abschnitt in dem Tiegel in der letzten Phase der Erstarrung erzeugt wird, strenger und effektiver zu steuern und die Kristallwachstumsrate von Halbleiterkristallen streng zu steuern, steuert die Steuereinrichtung 700 ferner vorzugsweise die Verschiebeeinrichtung 600, die das isolierende Element 500 verschiebt, und die Kühleinrichtungsfördervorrichtung (nicht gezeigt), die die Kühleinrichtung 400 sowie das isolierende Element 500 befördert, um dadurch das Verschieben des isolierenden Elements 500 und die Abstandsstrecke zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 entsprechend dem Grad des Fortschreitens der Erstarrung zu steuern.
  • Zum Beispiel kann die Steuereinrichtung 700 durch Verschieben des isolierenden Elements 500 eine größere Durchbrechung 1 bilden oder die Gesamtdicke in der vertikalen Richtung (V) des isolierenden Elements 500 reduzieren und durch Bewegten der Kühleinrichtung 400 hin zu einer unteren Seite des Tiegels die Abstandsstrecke zwischen der Kühleinrichtung 400 und dem Tiegel 200 reduzieren, um dadurch die Kristallwachstumsrate (Erstarrungsrate) des Rohmaterials in dem Tiegel 200 schneller zu steuern; sie kann durch Verschieben des isolierenden Elements 500 eine kleinere Durchbrechung 1 bilden oder die Gesamtdicke in der vertikalen Richtung (V) des isolierenden Elements 500 steigern und durch Verschieben der Kühleinrichtung 400, so dass sie weit weg von der unteren Seite des Tiegels ist, die Abstandsstrecke zwischen der Kühleinrichtung 400 und dem Tiegel 200 vergrößern, um dadurch die Kristallwachstumsrate (Erstarrungsrate) des Rohmaterials in dem Tiegel 200 langsamer zu steuern.
  • 8 ist ein Schaubild, das eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 8 gezeigt ist, kann eine Vorrichtung zum Fertigen eines Blocks nach der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Tiegel 200, der Heizeinrichtung 300, der Kühleinrichtung 400, dem isolierenden Element 500, der Verschiebeeinrichtung 600 und der Steuereinrichtung 700, die vorstehend beschrieben sind, umfassen: einen Temperatursensor (nicht gezeigt), der eine Temperatur des Tiegels 200 misst, einen Suszeptor 810, der eine Außenumfangsfläche des Tiegels 200 umfängt, um den Tiegel 200 zu schützen, eine Tiegellagerung 820, die in einer horizontalen Richtung ausgebildet ist, um den Suszeptor 810 zu lagern, eine untere isolierende Schicht 830 mit einem Verschiebeloch, das durch Durchdringen eines vorbestimmten Bereichs zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 ausgebildet ist, eine seitliche isolierende Schicht 840, die von der Heizeinrichtung bei einem vorbestimmten Abstand in der horizontalen Richtung beabstandet ist und den gesamten Umfang des Tiegels 200 umgibt, um die Wärme, die zu dem Bereich mit Ausnahme des Tiegels 200 freigesetzt wird, abzuschirmen und um eine gleichmäßige Temperatur zu halten, eine Vakuumkammer 1000 zum Positionieren mindestens des Tiegels 200, des Temperatursensors, des Suszeptors 810, der Tiegellagerung 820, der Heizeinrichtung 300, der Kühleinrichtung 400, des isolierenden Elements 500, der unteren isolierenden Schicht 830 und der seitlichen isolierenden Schicht 840 darin, und Inertgas-Zufuhr- und Inertgas-Abfuhrteile zum Zuführen und Abführen eines Inertgases in die oder aus der Vakuumkammer 1000. Hier ist es bevorzugt, das isolierende Element 500 zwischen der unteren isolierenden Schicht 830 und der Kühleinrichtung 400 vorzusehen, und es ist bevorzugter, das isolierende Element 500 benachbart zu der unteren isolierenden Schicht 830 vorzusehen, solange das isolierende Element 500 beweglich ist.
  • Hier kann zusammen mit der seitlichen isolierenden Schicht 840, der unteren isolierenden Schicht 830 und dem isolierenden Element 500, das das in der unteren isolierenden Schicht 830 gebildete Verschiebeloch versperrt, ferner eine obere isolierende Schicht (nicht gezeigt) über dem obersten Abschnitt des Tiegels 200 vorgesehen werden, so dass die obere isolierende Schicht so positioniert ist, dass sie der unteren isolierenden Schicht 830 mit dem Tiegel 200 dazwischen zugewandt ist, und somit sind alle Umfangsabschnitte in der horizontalen Richtung und vertikalen Richtung des Tiegels 200 von Isolatoren umwickelt. Ein Ende in der vertikalen Richtung der seitlichen isolierenden Schicht 840 steht mit der unteren isolierenden Schicht 830 in Kontakt, und das andere Ende in der vertikalen Richtung der seitlichen isolierenden Schicht 840 steht mit der oberen isolierenden Schicht (nicht gezeigt) in Kontakt, und somit sind alle Umfangsabschnitte des Tiegels 200 mit Ausnahme des Verschiebelochs der unteren isolierenden Schicht 830 vorzugsweise von einem Isoliermaterial umwickelt.
  • Vorzugsweise empfängt die Steuereinrichtung 700 von dem Temperatursensor ausgegebene Informationen, um die Heizeinrichtung 300 und die Kühleinrichtung 400 zusammen mit der Verschiebeeinrichtung 600 zu steuern, um dadurch die Temperatur des Tiegels 200 zu steuern, und steuert den Inertgas-Zufuhr- und Inertgas-Abfuhrteil.
  • In dem Fall, da das isolierende Element 500 durch die Steuereinrichtung 700 und die Verschiebeeinrichtung 600 verschoben wird, um die Abschirmschicht zu bilden, die zwischen dem Tiegel 200 und der Kühleinrichtung 400 abschirmt, wird das isolierende Element 500 vorzugsweise unter der unteren isolierenden Schicht 830 positioniert, so dass das isolierende Element 500 eng mit der unteren isolierenden Schicht 830 in Kontakt steht, so dass das isolierende Element 500 das Verschiebeloch der unteren isolierenden Schicht 830 versperren kann. Vorzugsweise ist die Größe des Verschiebelochs, das in der unteren isolierenden Schicht 830 ausgebildet ist, hier kleiner oder gleich der Größe der Abschirmschicht, die durch Verschieben und Kombinieren der flachen Platten ausgebildet ist, die das isolierende Element 500 bilden. Im Einzelnen beträgt die Größe des Verschiebelochs, das in der unteren isolierenden Schicht 830 ausgebildet ist, vorzugsweise das 1,0- bis 1,2-fache der Schnittfläche des Querschnitts des Tiegels 200 senkrecht zu der vertikalen Richtung.
  • Wie vorstehend beschrieben ist die Steuereinrichtung 700 durch Steuern der Verschiebeeinrichtung 600, die das isolierende Element 500 verschiebt, und der Kühleinrichtungsfördervorrichtung, die die Kühleinrichtung 400 befördert, um dadurch die Kühleinrichtung 400 in der vertikalen Richtung zu bewegen, wenn die gerichtete Erstarrung des geschmolzenen Rohmaterials fortschreitet, gekennzeichnet.
  • Wenn das in dem Tiegel 200 enthaltene Rohmaterial geschmolzen wird, steuert die Steuereinrichtung 700 das isolierende Element 500, um die Abschirmschicht unter der unteren isolierenden Schicht 830 zu bilden, um das Verschiebeloch der unteren isolierenden Schicht 830 zu versperren. Bei der vorstehend beschriebenen anfänglichen und mittleren Phase der Erstarrung bewegt die Steuereinrichtung 700 die Kühleinrichtung 400 in der vertikalen Richtung hin zur unteren isolierenden Schicht 830, während das isolierende Element 500 verschoben wird. In der letzten Phase der Erstarrung bewegt die Steuereinrichtung 700 die Kühleinrichtung 400, um durch das Verschiebeloch der unteren isolierenden Schicht 830 zu treten, um dadurch die Kühleinrichtung 400 über der unteren isolierenden Schicht 830 zu positionieren oder die Kühleinrichtung 400 so zu positionieren, dass sie mit der unteren Fläche des Tiegels 200 in Kontakt steht.
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung wie vorstehend beschrieben durch konkrete Dinge wie etwa konkrete Komponenten und dergleichen, beispielhafte Ausführungsformen und Zeichnungen beschrieben ist, sind diese nur zur Unterstützung des Gesamtverständnisses der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein. Von Fachleuten, die diese Erfindung betrifft, können verschiedene Abwandlungen und Änderungen dieser Beschreibung vorgenommen werden.
  • Daher sollte das Wesen der vorliegenden Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt sein, und die folgenden Ansprüche sowie alle Ansprüche, die gleichwertig oder äquivalent zu den Ansprüchen abgewandelt sind, sollen in den Schutzumfang und das Wesen der Erfindung fallen.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zum Fertigen eines Halbleiter- oder Metalloxidblocks durch schrittweise Induzieren eines Phasenübergangs eines flüssigen Rohmaterials von flüssig zu fest, der einer Erstarrungsrichtung folgt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Tiegel, der ein Halbleiter- oder Metalloxid-Rohmaterial enthält; eine Kühleinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in einer vertikalen Richtung beabstandet ist, wenn eine Höhenrichtung des Tiegels als vertikale Richtung bezeichnet ist und eine Richtung senkrecht zu der vertikalen Richtung als horizontale Richtung bezeichnet ist; eine erste Heizeinrichtung, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in der horizontalen Richtung beabstandet ist und eine Umfangsfläche des Tiegels umgibt; und ein isolierendes Element, das zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung in der horizontalen Richtung vorgesehen ist, wobei eine Position des isolierenden Elements durch eine Verschiebeeinrichtung verschoben wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Steuereinrichtung umfasst, die die Verschiebeeinrichtung steuert, um die Position des isolierenden Elements zu verschieben, wobei die Steuereinrichtung jeweilige Positionen von mehreren flachen Platten aus einem isolierenden Material, die das isolierende Element bilden, steuert, um dadurch eine Gesamtdicke in der vertikalen Richtung des isolierenden Elements entsprechend der Position des isolierenden Elements zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung zu steuern, wenn das Rohmaterial geschmolzen und schrittweise von der Heizeinrichtung und der Kühleinrichtung verfestigt wird.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Steuereinrichtung umfasst, die die Verschiebeeinrichtung steuert, um die Position des isolierenden Elements zu verschieben, wobei die Steuereinrichtung die Position des isolierenden Elements steuert, um dadurch zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung abzuschirmen, wenn das Rohmaterial von der Heizeinrichtung geschmolzen wird, und die Position des isolierenden Elements steuert, um dadurch eine Durchbrechung zwischen dem Tiegel und der Kühleinrichtung zu bilden, wenn ein flüssiges Rohmaterial von der Kühleinrichtung einem Erstarrungsübergang unterzogen wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das isolierende Element zwei oder mehr flache Platten aus einem isolierenden Material umfasst, wobei jeweilige Positionen der zwei oder mehr flachen Platten von der Verschiebeeinrichtung unabhängig verschoben werden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zwei oder mehr flache Platten im Hinblick auf mindestens einen Faktor gewählt aus Dicke, Form, Größe und Material derselben unterschiedlich sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das isolierende Element durch die Verschiebeeinrichtung in der horizontalen Richtung verschoben wird.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine zweite Heizeinrichtung umfasst, die von dem Tiegel bei einem vorbestimmten Abstand in der vertikalen Richtung beabstandet ist, so dass die zweite Heizeinrichtung in der vertikalen Richtung mit dem Tiegel dazwischen der Kühleinrichtung zugewandt ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das isolierende Element zwei oder mehr flache Platten aus einem isolierenden Material umfasst, wobei die zwei oder mehr isolierenden flachen Platten in der vertikalen Richtung in der gleichen Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zumindest Abschnitte der isolierenden flachen Platten in dem Fall, in dem zwei oder mehr flache Platten in den unterschiedlichen Ebenen positioniert sind, in der vertikalen Richtung eng miteinander in Kontakt stehen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die zwei oder mehr flachen Platten N Stücke sind, die durch Teilen einer polygonalen Platte, einer polygonalen Platte, die ausgehöhlt ist, einer kreisförmigen Platte oder einer kreisförmigen Platte, die ausgehöhlt ist, in N (N = natürliche Zahl von 2 oder höher) gebildet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die zwei oder mehr flachen Platten jeweils unabhängig eine polygonale Platte, eine polygonale Platte, die ausgehöhlt ist, eine kreisförmige Platte oder eine kreisförmige Platte, die ausgehöhlt ist, sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiter Silizium (Si), Germanium (Ge) oder Galliumarsenid (GaAs) ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Metalloxid Saphir (Al2O3) ist.
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