DE2814751A1 - Verfahren zur herstellung von siliciumeinkristallen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur herstellung von siliciumeinkristallen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
- Publication number
- DE2814751A1 DE2814751A1 DE19782814751 DE2814751A DE2814751A1 DE 2814751 A1 DE2814751 A1 DE 2814751A1 DE 19782814751 DE19782814751 DE 19782814751 DE 2814751 A DE2814751 A DE 2814751A DE 2814751 A1 DE2814751 A1 DE 2814751A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- silicon
- arc
- reactant
- liquid silicon
- liquid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
- C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
- C01B33/03—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of silicon halides or halosilanes or reduction thereof with hydrogen as the only reducing agent
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
- C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
- C01B33/02—Silicon
- C01B33/021—Preparation
- C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
- C01B33/033—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by reduction of silicon halides or halosilanes with a metal or a metallic alloy as the only reducing agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
- C30B11/04—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
- C30B11/08—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt every component of the crystal composition being added during the crystallisation
- C30B11/12—Vaporous components, e.g. vapour-liquid-solid-growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/06—Non-vertical pulling
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/08—Downward pulling
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B7/00—Heating by electric discharge
- H05B7/18—Heating by arc discharge
- H05B7/185—Heating gases for arc discharge
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
- Y10S117/903—Dendrite or web or cage technique
- Y10S117/904—Laser beam
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
- Y10S117/905—Electron beam
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
- Y10S117/91—Downward pulling
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
Vestinghouse Electric Corp«
¥estinghouse Building Gateway Center, Pittsburgh Pennsylvania 15222, USA
Verfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen und . Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen und insbesondere zur Umwandlung von
siliciumhaltigen Ausgangsmaterialien in einkristallines Silicium, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
um durch Reduktion flüssiges Silicium herzustellen, aus welchem anschließend ein Einkristall gewachsen wird.
Die Möglichkeit der photovoltaischen Energieumwandlung um
elektrische Energie zu erzeugen wird durch die Kosten begrenzt, xielche mit den verschiedenen aufwendigen Herstellungsschritten verbunden sind, um aus Kiesel einkristallines
Silicium herzustellen, sox-jie um aus diesem Solarzellen in
Form großer Felder aufzubauen. Die bisher bekannten Verfahren
zum Herstellen von Solarzellenfeldern sind äußerst arbeitsaufwendig, wobei in der Regel sehr viel Energie und
Fs/gf
Material
809842/0810
Patentanwälte ' * IHfO
Seite: 5 Unser Zeichen: WS123P-1753
Material verbraucht wird. Aus diesem Grund werden erhebliche
Anstrengungen gemacht, um die photovoltaische Energiewandlung durch eine Reduktion der Kosten für die Siliciumsolarzellen
preiswerter zu machen, und um Wege zufinden, das Rohmaterial für die Siliciumsolarzellen mit weniger Kosten
ökonomischer und möglichst automatisch herstellen zu können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung von SiIiciumeinkristallen
zu schaffen, so daß die Herstellung von Siliciumeinkristallen in kontinuierlichen Verfahren auch in großen
Mengen zu verhältnismäßig geringen Kosten möglich wird.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß ein Lichtbogenerhitzer mit einer Lichtbogenkammer und einer an diese anschließende Reaktionskammer verwendet
werden, wobei der in zumindest einem Elektrodenspalt erzeugte Lichtbogen mit einem durch den Elektrodenspalt eingeblasenen
Lichtbogengas, insbesondere durch Wasserstoffgas oder ein
Gemisch aus Wasserstoffgas und einem Edelgas in die Reaktionskammer verdrängt wird, daß in den Lichtbogen ein Reaktionsmittel, insbesondere ein reduzierendes Metall, Wasserstoff
oder ein Gemisch daraus eingeleitet wird, daß ferner in den Lichtbogen Siliciumhalogenid eingeleitet wird, um Reaktionsprodukte
mit gasförmigen Salzen des Reaktionsmittels und flüssiges Silicium zu bilden, daß das flüssige Silicium von
den gasförmigen Salzen des Reaktionsmittels vorzugsweise in einem Zyklonenreaktor getrennt wird,und daß das flüssige
Silicium an einer geneigten Fläche niedergeschlagen und mit einem Kristallkeim geimpft sowie als großer Einkristall aus
dem flüssigen Silicium gewachsen wird.
¥eitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen,,
Eine
809842/0810
Patentanwälte ° ' ^ ' ^
Seite: g Unser Zeichen:
Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogenerhitzer in Verbindung mit
einem an die Reaktionskammer angeschlossenen Zyklonenscheider Verwendung findet, in xvelchen die Reaktionsprodukte tangential
eingeleitet werden.
Durch die Maßnahmen der Erfindung läßt sich Silicium in großen Mengen verhältnismäßig einfach und rasch herstellen,
wobei sich die Kosten für die Herstellung wesentlich reduzieren und auch Siliciumeinkristalle unterschiedlicher Formgebung
und insbesondere in Form flachen Platten einfach herstellen lassen.
Die Vorteile und Merkmale ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung
von Siliciumeinkristallen;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Lichtbogenerhitzers für dreiphasigen Yechselstrombetrieb mit
teilweise aufgebrochenen Ansichten;
Fig. 3 eine teilxireise gebrochen dargestellte Ansicht des
Zyklonenreaktors mit dem Lichtbogenerhitzer;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum
Herstellen von Siliciumeinkristallen in Form flacher Platten;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum
Herstellen von Siliciumeinkristallen in Form von Stäben»
809842/0810 —
Patentanwälte ^ ^ ' *♦ / O i
Seite: η UnserZeicharcyS'i 23^-1 753
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in einem Zyklonenreaktor 11 gemäß Fig. 1 ausgeführt, der mit einem Lichtbogenerhitzer
15 zusammenarbeitet. Der Zyklonenreaktor 11 umfaßt eine Reaktionskammer 13, die mit zumindest einem Lichtbogenerhitzer
15 , vorzugsweise jedoch mit einer Vielzahl von Lichtbogenerhitzern verbunden ist und eine Abgasöffnung 17
für die Spaltgase sowie eine Auslaßöffnung 19 für das flüssige Silicium hat.
Das Lichtbogengas wird in das System durch Einlaßöffnungen 21 über den Lichtbogenerhitzer zugeführt, wie nachfolgend
noch näher erläutert wird. Dieses Lichtbogengas zusammen mit anderen Spaltprodukten, wie z.B. HCl und/oder ITaCl, verlassen
den Zyklonenreaktor durch die Abgasöffnung 17 und werden über eine entsprechende Verbindung einem als Kondensator aufgebauten
Separator 23 zugeführt, um das Lichtbogengas und die Spaltchloride zu separieren. Das Lichtbogengas wird dem Lichtbogenerhitzer
15 über die Einlaßöffnung 21 wieder direkt zugeführt.
Die sich ergebenden Spaltchloride verlassen den Separator 23 und werden Elektrolysezellen 31 zugeführt, um
daraus Wasserstoff und/oder die Metallkomponente sowie das Chlor durch Spaltung zu gewinnen. Der Wasserstoff oder das
Metall wird über die Einlaßöffnung 35 am Lichtbogenerhitzer
zurück in den Zyklonenreaktor 11 geführt, wogegen das Chlor von den Elektrolysezellen 31 in eine Verchlorungseinrichtung
37 gegeben wird, welcher über eine Einlaßöffnung 39 kieselhaltige Materialien und über eine Einlaßöffnung 41 kohlenstoffhaltige
Materialien, wie z.B. Koks, zugeführt werden. Diese Zuschlagstoffe reagieren mit dem Chlor, so daß ein
mit Chloriden verunreinigtes Siliciumtetrachlorid sowie Oxyde des Kohlenstoffs entstehen. Die sich in der Verchlorungseinrichtungen
37 ergebende Gasmischung wird in einer Trenn- und Reinigungsstufe 43 weiter verarbeitet, um
reines
809842/0810
Patentanwälte
28U751
Seite: 8 Unser Zeichen: WS123P-1753
reines Sxlicxumtetrachlorxd zu erhalten. Das Siliciumtetrachlorid
wird einem Verdampfer 45 zugeführt und anschließend
in den Zyklonenreaktor über Einlaßöffnungen 51 eingeleitet.
Der Lichtbogenerhitzer 15 gemäß Fig. 2 besteht aus einphasigen
sich selbst stabilisierenden Einheiten, welche in der Lage sind ein Leistungsniveau bis zu etwa 3500 kW zu liefern. Bei
einer dreiphasigen Betriebsinstallation können Leistungen bis zu etwa 10 000 kW erreicht werden.
Der einzelne Lichtbogenerhitzer 15 hat zwei ringförmige Kupferelektroden 59 und 61, die mit einem Spaltabstand 63
von etwa 1 mm einander gegenüberliegen, um sie an die Netzfrequenzleistung von etwa 4 kV anzupassen. In dem Spalt 63
bildet sich ein Lichtbogen 65 aus, der durch das zugeführte Gas 67 sofort in den Innenraum der Lichtbogenkammer 69 verdrängt,
bzxiT. geblasen wird. Das zugeführte Gas 67 muß mit
dem Silicium kompatibel sein und kann aus einem Edelgas, aus Wasserstoff, Siliciumhalogeniden bzw. einem Gemisch
dieser Gase bestehen. Der Lichtbogen 65 rotiert mit einer Geschwindigkeit von 1000 U/Sek. durch das Zusammenwirken
des Lichtbogenwechselstromes von etwa mehreren tausend Ampere mit dem magnetischen Gleichfeld, das durch die !Feldspulen
71 und 73 im Innern aufgebaut wird. Die Umlaufgeschwindigkeiten
führen zu einem sehr hohen Wirkungsgrad für die Anlage dieser Art.
Im Fall einer Metallreduktion werden durch die Einlaßöffnung
56 Metalltropfen oder Metallteile zugeführt und in den lichtbogenerhitzten
Gasstrom eingeleitet. Bei einer Vasserstoffreduktion kann der gesamte oder auch ein Teil des Wasserstoffs
durch den Spalt 63 zugeführt werden» Wenn nur ein Teil des Wasserstoffs durch den Spalt 63 eingeleitet wird, ist der
restliche Wasserstoff durch die Einlaßöffnung 56 einzuführen.
Das 809842/0810
FLEUCHAUS & WEHSER O Q 1 / »7 C
Patentanwälte ^ O I A 7 5 1
Seite: Q Unser Zeichen:^-\ 23P-1 753
Das Siliciumhalogenid wird durch die Einlaßöffnungen 35
und 51 zugeführt, die vorzugsweise in Strömungsrichtung
hinter den Kupferelektroden 61 angeordnet sind. Als Alternative dazu kann jedoch das Siliciumhalogenid auch durch
die Einlaßöffnung 56 eingeleitet werden. Wie man aus den
!"ig. 2 und 3 entnehmen kann, sind die Lichtbogenerhitzer
15 radial an der Lichtbogenkammer 74- angeordnet, die ihrerseits
wieder tangential in die Reaktionskammer 13 des Zyklonenreaktors
einmündet. Diese Reaktionskammer 13 ist vorzugsweise zylindrisch aufgebaut, um die Trennung des flüssigen
Silicium von den gasförmigen Spaltgasen aufgrund der vorausgehenden Reaktionen mit Hilfe der Zentrifugalkraft zu begünstigen,
wobei die gasförmigen Produkte z.B. das ■Wasserstoffchlorid den Zyklonenreaktor 11 über die Abgasöffnung
17 verläßt und das flüssige Silicium über die Auslaßöffnung 19 abfließt.
Die Reaktionskammer 13 besteht aus einer Außenwand 79, an die ein oberer Endabschnitt 81 und ein unterer Endabschnitt
anschließen . Der obere Endabschnitt 81 verläuft von der Außenwand 79 aus konisch nach oben und innen, und geht in
das untere Ende der Abgasöffnung 17 übero Dadurch werden
die Spaltgase direkt und leicht aus der Zentrifugalzone innerhalb der Reaktionskammer 13 zur Abgasöffnung 17 hin gerichtet.
In entsprechender Veise ist der untere Endabschnitt 83 sich nach unten konisch verjüngend ausgebildet und geht
in die Auslaßöffnung 19 über. Die Außenwandung 79 sowie der obere und untere Endabschnitt 81 bzw. 83 werden vorzugsweise
wassergekühlt, indem zwischen der Außenwand und einer inneren Gehäusewand 87 eine Kühlwasserführung 85 vorgesehen
ist. Die innere und die äußere Gehäusewand werden durch Keramikstützringe 95 auf Abstand gehalten.
Die
809842/0810
Patentanwälte
281 AO
Die innere Gehäusewand der Reaktionskammer 13 "bestellt vorzugsweise
aus einer inneren Lage 89 und aus einer äußeren Lage 91· Die innere Gehäusewand 87 nimmt im Betrieb sehr hohe Temperaturen
an, wodurch sich Silicium aufgrund des Reaktionsablaufes in der Reaktionskammer 13 ergibt. Dieses flüssige.
Silicium trennt sich durch die Zentrifugalkräfte von den gemeinsam mit ihm zugeführten Spaltgasen und schlägt sich an
der inneren Lage 89 der inneren Gehäusewand in Form einer sich verfestigenden Siliciumschicht 99 nieder, wobei sich
die Dicke aufgrund des Wärmeübergangs einstellt. Anschließend fließt flüssiges Silicium in der Reaktionskammer 13 nach unten
ab. Aufgrund der hohen innerhalb der Reaktionskammer 13 wirkenden Temperatur, mußt die innere Lage 89 der inneren Gehäusewand
aus einem bei hohen Temperaturen beständigen Material, xfie z.B. Kohlenstoff, Molybdän oder Silicide bestehen. Die
äußere Lage der Innenauskleidung besteht aus einem feuerbeständigen isolierenden Material, wie z.B. AIpO^, SiOp und MgO.
Nachfolgend wird das Verfahren gemäß der Erfindung an einem Beispiel beschrieben, wobei eine Vasserstoffreduktion des
Siliciumtetrachlorids Verwendung findet.
Die Reaktion,aus der sich das flüssige Silicium ergibt,
läuft nach der folgenden Reaktionsgleichung ab:
SiGl4 + 2H2 # Si + 4HGl
In dieser Reaktionsgleichung liegt das Silicium bei dem beschriebenen Reaktionsablauf in flüssiger Form vor. Neben
dem flüssigen Silicium und anderen Siliciumchloriden können sich als Ergebnis des Reaktionsablaufes zwischen dem SiIiciumtetrachlorid
und dem Wasserstoff auch Siliciumhydride
und
809842/0810
Patentanwälte
28U751
ΛΛ
Seite: ^)-"| Unser Zeichen: VS123P—1753
und Chlor silane ergeben. Diese anderen Produkte "bewirken,
daß sich eine Ausbeute für das flüssige Silicium von weniger als 100 % ergibt. Aufgrund einer Berechnung der komplexen
Gleichgewichtsverhältnisse in einem Silicium-Wasserstoff-Chlorsystem
kann man zeigen, daß sich in einem Temperaturbereich 18000K und 24000K eine maximale Ausbeute bei etwa
22000K ergibt. Insbesondere läßt sich errechnen, daß bei
22000K und einer Atmosphäre Ge.samtdruck theoretisch ein
minimaler Anteil von Vasserstoff von etwa 26,6 nr (940
Standard Cubic Feet) für etwa 0,45 kg Silicium benötigt
wird, wobei die minimale theoretische Energieanforderung bei etwa 26 kWH pro 0,45 kg Silicium (26 Kw-Hr/lb Si) für
eine Speiseströmung mit 25 M öl Wasserstoff pro 1 Mol
Siliciumtetrachlorid liegt.
Das von der inneren Lage 89 der Innenauskleidung abfließende flüssige Silicium tropft in eine geneigte Schütte 101
und fließt bei einer Temperatur von etwa 17000K in eine
Plattenform 103, die gemäß Fig. 4 um einen kleinen Vinkel 105 nach unten geneigt ist, wobei dieser Winkel etwa 1° bis
2° betragen kann. Sowohl die Schütte 101 als auch die Plattenform 103 sind mit einem kieselartigen Material ausgekleidet,
um eine Verunreinigung zu vermeiden und werden ferner in einem nicht dargestellten Gefäß untergebracht, um eine
kontrollierte Gasatmosphäre aufrechterhalten zu können, wobei beispielsweise Argon oder Helium zum Verhindern einer
Oxydation Verblendung findet. Ferner ist das Gehäuse zusätzlich beheizt.
Das flüssige Silicium verfestigt sich in der Plattenform 103, so daß eine polykristalline Siliciumplatte 104 entsteht.
Venn die Platte 104 in der Darstellung auf der rechten
809842/0810
FLEUCHAUS & WEHSER 2 P 1 A 7 ζ 1
Patentanwälte C ° ' *♦ ' O I
Seite: 12 ' Unser Zeichen: WS123P-1753
Seite aus der Plattenform 103 entnommen wird, durchläuft sie eine schmale Erhitzungszone 106, die durch Fokussierung
eine linienförmige Wärmequelle darstellt und z.B. von einem fokussierten Laserstrahl oder einem fokussierten Elektronenstrahl
gebildet sein kann. Die wiedergeschmolzene Siliciumplatte wird dann beim Erstarrungsvorgang kontrolliert, so
daß von einem einkristallinen Kristallkern ausgehend ein plattenförmiger Siliciumeinkristall 107 entsteht. Die Verfahren,
die hierbei zum Wachsen eines Einkristalles Verwendung finden, umfassen sowohl eine gerichtete Erstarrungstechnik als auch eine Zonentechnik. Grundsätzlich wird
beim Erreichen der Erstarrungstemperatur ein Einkristall in das flüssige Silicium eingeimpft. Die Erhitzungszone 106
kann neben der Verwendung eines Laserstrahls oder eines Hochfrequenzerhitzers auch von einer fokussierten Halogendampflampe
oder mit anderen Heizeinrichtungen bewirkt werden, wobei der Kristall durch die Erhitzungszone verläuft.
Wegen der sehr schwierigen Steuerung des Värmeflusses und der Notwendigkeit der exakten Einhaltung des Wärmeflusses
werden zusätzliche Heizvorrichtungen und/oder Isolationseinrichtungen benötigt, um das richtige Wachsen bzw. sich
Ausbreiten des Kristalls sicherzustellen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5
dargestellt, bei der die Schütte 101 gemäß Fig. 4· in einen Tiegel 109 mündet, der ebenfalls mit einem Kieselmaterial
ausgekleidet ist. Mit Hilfe einer geeigneten Heizvorrichtung, z.B. in Form einer Induktionspule 111, die um den
Tiegel 109 herum verläuft, kann das flüssige Silicium im flüssigen Zustand gehalten werden. Der untere Teil des
Tiegels 113 ist trichterförmig verengt und geht in eine Auslaßöffnung
115 über, durch welche das sich verfestigende Silicium mit einer der Auslaßöffnung entsprechenden Form
entnommen
809842/0810
Patentanwälte
28H751
Saite: •] 7. Unser Zeichen: VSI23P—1753
entnommen wird. Um eine kontrollierte Verfestigung zu einem Siliciumeinkristall zu "bewirken, wird ein einkristalliner
Kristallkeim eingebracht, so daß beim Abziehen ein langgestreckter Siliciumeinkristall entsteht. Der Tiegel kann unten
auch verschlossen sein, wenn der Einkristall oben aus der Schmelze gezogen wird.
Für das Wachsen des Kristalls können die verschiedensten Techniken Verwendung finden, so daß man Einkristalle mit
unterschiedlichen Querschnittsflächen erhält. Die einzelnen Techniken sind an sich bekannt, wobei es sich um dünnschichtig
gewachsene Einkristalle mit festgelegten Kanten, um zonengeschmolzenes Vachsen oder das Herstellen von Einkristallen
nach Czochrolski, Dendritic, Stepanov und Stockbarger handeln kann.
Nach dem beschriebenen Verfahren wird ein kieselhaltiges Ausgangsmaterial
in flüssiges Silicium durch eine Reduktion mit Hilfe eines Lichtbogenerhitzers umgewandelt und dann daraus
direkt ein Einkristall nach einer der oben beschriebenen Verfahren gewachsen. Das Verfahren hat gegenüber dem Stand der
Technik mehrere Vorteile:
1. Die Handhabung des Siliciums in der Zwischenphase zwischen
der Herstellung des polykristallinen Siliciums und dem Vachsen des einkristallinen Siliciums wird eliminiert, so daß das beschriebene
Verfahren in der Lage ist, sehr große Mengen bei geringen Kosten in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren
zu verarbeiten. Bei den bekannten Verfahren ist eine Wartezeit zumindest bis zum Abkühlen des Siliciums notwendig
und außerdem muß das Silicium verpackt und transportiert werden, um es in den Vorrichtungen zum Wachsen des Einkristalls
zu installieren. Wenn während dieser Zeit Luft zugängig ist,
muß
809842/0810
Patentanwälte
28U751
f V ι [.,.. Taint·
muß das Silicium vor dem Wachsen des Einkristalls in einem evakuierten Behälter bzw. in einem mit Edelgas gefüllten Behälter
untergebracht werden. Dadurch werden zusätzliche Herstellungsschritte und Handhabungen notwendig, die sich in
Form zusätzlicher Kosten niederschlagen.
2. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird weniger Energie benötigt, da das Silicium nicht auf Raumtemperatur abgekühlt
wird, bevor aus dem mehrkristallinen Silicium ein Einkristall gezogen bzw. gewachsen wird. Der Einkristall wird direkt aus
dem flüssigen Silicium gewonnen, so daß man zumindest die Energie für ein erneutes Schmelzen einspart. Da für das Erhitzen
des Siliciums von Raumtemperatur auf die Schmelztemperatur in der Größenordnung etwa 30% der Energie verbraucht
werden, läßt sich durch das Verfahren eine Energieeinsparung in der Größenordnung von etwa 1200 kWH/Tonne erzielen.
Wenn natürlich das mit dem Lichtbogenerhitzer hergestellte Silicium vor der Weiterverarbeitung zum Einkristall
erstarrt, wird zum erneuten Verflüssigen zusätzlich Energie
verbraucht, so daß die eingesparte Energie geringer sein kann.
3. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die Form der Einkristalle zu beeinflussen, wobei allerdings
eine Abkühlung auf Raumtemperatur vor dem Wachsen des Einkristalls vorgesehen sein kann. Die verschiedenen Verfahren
zum Wachsen des Einkristalls erfordern unterschiedliche Ausgangsformen, wie z.B. Stäbe, Scheiben oder Platten usw. Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung kann das flüssige Silicium, welches vom Lichtbogenerhitzer über den Zyklonenscheider geliefert
wird, bereits in die gewünschte Form gebracht werden, indem das flüssige Silicium in eine entsprechende Gießform
gegeben wird.
Patentansprüche:
809842/0810
Leerseite
Claims (8)
- PatentansprücheVerfahren zur Herstellung von Siliciumeinkristallen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogenerhitzer (15) mi~k einer Lichtbogenkammer und einer an diese anschließende Eeaktionskammer verwendet werden, wobei der in zumindest einem Elektrodenspalt (63) erzeugte Lichtbogen mit einem durch den Elektrodenspalt eingeblasenen Lichtbogengas, insbesondere durch Vasserstoffgas oder ein Gemisch aus Vasserstoffgas und einem Edelgas in die Reaktionskammer verdrängt wird, daß in den Lichtbogen ein Reaktionsmittel,insbesondere ein reduzierendes Metall, Vasserstoff oder ein Gemisch daraus eingeleitet wird, daß ferner in den Lichtbogen Siliciumhalogenid eingeleitet wird, um Reaktionsprodukte mit gasförmigen Salzen des Reaktionsmittels und flüssiges Silicium zu bilden, daß das flüssige Silicium von den gasförmigen Salzer des Reaktionsmittels vorzugsweise in einem Zyklonenreaktor (11) getrennt wird und daß das flüssige Silicium an einer geneigten Fläche niedergeschlagen und mit einem Kristallkeim geimpft sowie als großer Einkristall aus dem flüssigen Silicium gewachsen wird.809842/0810ORIGINAL INSPECTEDFLEUCHAUS & WEHSERSe,te: yff Unser Zeichen: VS1 23P~1753
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenerhitzer drei Lichtbogenkammern in gleichmäßiger Verteilung um die Reaktionskammer aufweist.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsmittel Natrium, Kalium oder Magnesium verwendet wird.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e kennz e ic hne t, daß in die Reaktionskammer zur Erzeugung der Reaktionsprodukte einschließlich dem flüssigen Silicium und den gasförmigen Salzen des Reaktionsmittels Siliciumtetrachlorid oder Siliciumtetraiodid oder Siliciumtetrabromid oder Siliciumtetrafluorid eingeleitet wird.
- 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Natrium, Kalium oder Magnesium in den Lichtbogen zusammen mit einer entsprechenden Menge des Reaktionsmittels eingeleitet wird.
- 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium enthaltende Material halogeniert wird, um ein Siliciumhalogenid zu schaffen, und daß das Siliciumhalogenid vor der Einspeisung in den Lichtbogen zur Reaktion mit dem Reaktionsmittel gereinigt wird.
- 7- Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Silicium unter Einfluß einer Zentrifugalkraft an einer nach unten geneigten Fläche niedergeschlagen wird, um das flüssige Silicium von den gasförmigen Salzen des Reaktionsmittels zu trennen.809842/081 0FLEUCHAUS & WEHSER 9 Q 1 / *7 rPatentanwälte <*» " I 4 7 5 1Seite: 3 Unser Zeichen: \JQ-] 23P—1 753
- 8. Einriclitung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtbogenerhitzer in Verbindung mit einem an die Reaktionskammer angeschlossenen Zyklonenscheider Verwendung findet, in welchen die Reaktionsprodukte tangential eingeleitet werden.809842/0810
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US05/787,635 US4102767A (en) | 1977-04-14 | 1977-04-14 | Arc heater method for the production of single crystal silicon |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2814751A1 true DE2814751A1 (de) | 1978-10-19 |
Family
ID=25142102
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19782814751 Withdrawn DE2814751A1 (de) | 1977-04-14 | 1978-04-05 | Verfahren zur herstellung von siliciumeinkristallen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4102767A (de) |
JP (1) | JPS53129179A (de) |
CA (1) | CA1102886A (de) |
DE (1) | DE2814751A1 (de) |
FR (1) | FR2387080A1 (de) |
GB (1) | GB1601073A (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010060630A2 (de) * | 2008-11-27 | 2010-06-03 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von reinstsilzium |
DE102010015354A1 (de) * | 2010-04-13 | 2011-10-13 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Herstellung eines kristallinen Halbleiterwerkstoffs |
DE102010021004A1 (de) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Herstellung von monokristallinen Halbleiterwerkstoffen |
Families Citing this family (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2407892A1 (fr) * | 1977-11-04 | 1979-06-01 | Rhone Poulenc Ind | Procede de fabrication de silicium pour la conversion photovoltaique |
US4265859A (en) * | 1978-05-31 | 1981-05-05 | Energy Materials Corporation | Apparatus for producing semiconductor grade silicon and replenishing the melt of a crystal growth system |
FR2455480A1 (fr) * | 1979-05-03 | 1980-11-28 | Anvar | Moyens pour la fabrication de silicium monocristallin sous la forme d'un ruban |
US4239740A (en) * | 1979-05-25 | 1980-12-16 | Westinghouse Electric Corp. | Production of high purity silicon by a heterogeneous arc heater reduction |
DE3016807A1 (de) * | 1980-05-02 | 1981-11-05 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Verfahren zur herstellung von silizium |
CA1198581A (en) * | 1980-10-20 | 1985-12-31 | Robert K. Gould | Method and apparatus for producing high purity silicon from flames of sodium and silicon tetrachloride |
US4487162A (en) * | 1980-11-25 | 1984-12-11 | Cann Gordon L | Magnetoplasmadynamic apparatus for the separation and deposition of materials |
US4471003A (en) * | 1980-11-25 | 1984-09-11 | Cann Gordon L | Magnetoplasmadynamic apparatus and process for the separation and deposition of materials |
US4374163A (en) * | 1981-09-29 | 1983-02-15 | Westinghouse Electric Corp. | Method of vapor deposition |
US4529576A (en) * | 1982-12-27 | 1985-07-16 | Sri International | Process and apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid |
US4590043A (en) * | 1982-12-27 | 1986-05-20 | Sri International | Apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid |
US4584181A (en) * | 1982-12-27 | 1986-04-22 | Sri International | Process and apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid |
US5800611A (en) * | 1997-09-08 | 1998-09-01 | Christensen; Howard | Method for making large area single crystal silicon sheets |
EP1770062A4 (de) * | 2004-06-22 | 2011-08-31 | Tokuyama Corp | Zylindrischer behälter aus kohlenstoff und verfahren zur herstellung von silicium |
WO2007120871A2 (en) * | 2006-04-13 | 2007-10-25 | Cabot Corporation | Production of silicon through a closed-loop process |
WO2009018425A1 (en) * | 2007-08-01 | 2009-02-05 | Boston Silicon Materials Llc | Process for the production of high purity elemental silicon |
CN101439859B (zh) * | 2008-12-02 | 2011-08-03 | 浙江大学 | 一种绿色荧光纳米硅晶体 |
WO2010107850A1 (en) * | 2009-03-20 | 2010-09-23 | Boston Silicon Materials Llc | Method for the manufacture of photovoltaic grade silicon metal |
CN102947025B (zh) * | 2010-04-13 | 2016-04-13 | 施米德硅晶片科技有限责任公司 | 单晶半导体材料的制造 |
CN201864770U (zh) * | 2010-11-22 | 2011-06-15 | 江苏淘镜有限公司 | 电子枪蒸发用坩埚 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US524173A (en) * | 1894-08-07 | Variable-resistance medium for telephones | ||
CA651374A (en) * | 1962-10-30 | Schering Hans | Recovery of unused materials in the production of silicon | |
US732410A (en) * | 1902-10-13 | 1903-06-30 | Christian Harrebow Homan | Manufacture of silicon and aluminium from silicates of alumina. |
DE1041483B (de) * | 1953-07-28 | 1958-10-23 | Siemens Ag | Verfahren zur Herstellung reinsten Siliciums |
DE1017795B (de) * | 1954-05-25 | 1957-10-17 | Siemens Ag | Verfahren zur Herstellung reinster kristalliner Substanzen, vorzugsweise Halbleitersubstanzen |
DE1054436B (de) * | 1956-02-11 | 1959-04-09 | Pechiney Prod Chimiques Sa | Verfahren zur Herstellung von kompaktem Silicium hohen Reinheitsgrades |
US2904404A (en) * | 1957-01-09 | 1959-09-15 | Raytheon Co | Preparation of silicon |
US2955966A (en) * | 1957-07-03 | 1960-10-11 | Int Standard Electric Corp | Manufacture of semiconductor material |
DE1129145B (de) * | 1960-07-07 | 1962-05-10 | Knapsack Ag | Verfahren zur Herstellung von hochreinem Silicium |
US3325314A (en) * | 1961-10-27 | 1967-06-13 | Siemens Ag | Semi-conductor product and method for making same |
DE1290712B (de) * | 1966-01-15 | 1969-03-13 | Hoechst Ag | Gegen den Abbau durch Licht und Waerme stabilisierte Formmassen |
CH525705A (de) * | 1968-12-24 | 1972-07-31 | Lonza Ag | Verwendung von vortex-stabilisierten Plasmabrennern zur Durchführung von chemischen Reaktionen |
FR2262554B1 (de) * | 1974-03-01 | 1977-06-17 | Labo Electronique Physique | |
US3963838A (en) * | 1974-05-24 | 1976-06-15 | Texas Instruments Incorporated | Method of operating a quartz fluidized bed reactor for the production of silicon |
US4102765A (en) * | 1977-01-06 | 1978-07-25 | Westinghouse Electric Corp. | Arc heater production of silicon involving alkali or alkaline-earth metals |
-
1977
- 1977-04-14 US US05/787,635 patent/US4102767A/en not_active Expired - Lifetime
-
1978
- 1978-03-03 CA CA298,112A patent/CA1102886A/en not_active Expired
- 1978-04-05 DE DE19782814751 patent/DE2814751A1/de not_active Withdrawn
- 1978-04-10 GB GB13907/78A patent/GB1601073A/en not_active Expired
- 1978-04-11 FR FR7810635A patent/FR2387080A1/fr not_active Withdrawn
- 1978-04-14 JP JP4336778A patent/JPS53129179A/ja active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010060630A2 (de) * | 2008-11-27 | 2010-06-03 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von reinstsilzium |
WO2010060630A3 (de) * | 2008-11-27 | 2010-12-23 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von reinstsilzium |
US8673255B2 (en) | 2008-11-27 | 2014-03-18 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Process and apparatuses for preparing ultrapure silicon |
DE102010015354A1 (de) * | 2010-04-13 | 2011-10-13 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Herstellung eines kristallinen Halbleiterwerkstoffs |
DE102010021004A1 (de) * | 2010-05-14 | 2011-11-17 | Schmid Silicon Technology Gmbh | Herstellung von monokristallinen Halbleiterwerkstoffen |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US4102767A (en) | 1978-07-25 |
FR2387080A1 (fr) | 1978-11-10 |
CA1102886A (en) | 1981-06-09 |
GB1601073A (en) | 1981-10-21 |
JPS53129179A (en) | 1978-11-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2814751A1 (de) | Verfahren zur herstellung von siliciumeinkristallen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens | |
DE2800254A1 (de) | Verfahren zur herstellung von hochreinem silizium | |
DE2756467C2 (de) | ||
DE69932760T2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Siliciumstabes mit einer Struktur hergestellt durch gerichtete Erstarrung | |
DE3024697C2 (de) | ||
DE60224394T2 (de) | Metallurgisches silizium mittlererer reinheit und verfahren zu seiner herstellung | |
DE68913237T2 (de) | Siliciumgiessvorrichtung. | |
DE2816234A1 (de) | Verfahren zum dotieren von hochreinem silicium in einem lichtbogenerhitzer | |
DE19607098A1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block in einem bodenlosen metallischen Kaltwandtiegel | |
DE102006055064A1 (de) | Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium mit hoher Reinheit und Herstellungsvorrichtung dafür | |
EP2558232B1 (de) | Herstellung von monokristallinen halbleiterwerkstoffen | |
DE3586412T2 (de) | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von polykristallinem silicium. | |
JPH0258022B2 (de) | ||
US2285837A (en) | Method of producing the abrasive metal carbides | |
DE102011006888A1 (de) | Verfahren und System zum Herstellen von Silizium und Siliziumkarbid | |
DE2800281A1 (de) | Verfahren zur herstellung von hochreinem silizium | |
US4246249A (en) | Silicon purification process | |
DE4207694A1 (de) | Vorrichtung fuer die herstellung von metallen und metall-legierungen hoher reinheit | |
EP0172426A2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur taktweisen Herstellung von Siliciumformkörpern | |
DE60317417T2 (de) | Reformierverfahren eines Quarzglastiegels | |
DE2844557A1 (de) | System zum hersttellen und giessen von fluessigem silicium | |
DE102012005069A1 (de) | "Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken" | |
EP2203248A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur herstellung von silizium | |
US2237503A (en) | Titanium carbide and a method of making the same | |
EP0299791B1 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Titan |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8141 | Disposal/no request for examination |