DE60224104T2

DE60224104T2 - Vorrichtung zur herstellung von körnigen kristallen vom fallrohrtyp

Info

Publication number: DE60224104T2
Application number: DE60224104T
Authority: DE
Inventors: Josuke Nakata
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-13
Filing date: 2002-05-13
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-14
Also published as: EP1510602A1; US20060070652A1; CA2483108C; AU2002255348B2; AU2002255348A1; CN1318663C; ES2294131T3; EP1510602A4; AU2002255348B8; JPWO2003095719A1; ATE380892T1; US7198672B2; KR20040108810A; CN1625613A; TW555902B; CA2483108A1; WO2003095719A1; KR100717700B1; EP1510602B1; DE60224104D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers zur Erzeugung eines im Wesentlichen kugelförmigen kristallinen Körpers durch Verfestigen einer teilchenförmigen Schmelze eines anorganischen Materials, während sie innerhalb eines Fallrohrs frei fallen gelassen wird, und sie betrifft insbesondere eine Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers, die so konfiguriert ist, dass Kühlgas zum Kühlen der fallenden Schmelze in der gleichen Richtung wie die Fallrichtung der Schmelze im Wesentlichen bei der gleichen Geschwindigkeit strömt.
Hintergrund der Erfindung
Die US-Patentveröffentlichung Nr. 4,322,379 beschreibt eine Technologie zur Erzeugung tränenförmiger Kristalle mit einer im Wesentlichen einheitlichen Größe, bei der Halbleitersilizium innerhalb des oberen Endabschnitts eines Fallrohrs, das aus Quarz hergestellt ist, erhitzt wird, um eine Schmelze zu erhalten, der Gasdruck von Heliumgas auf diese Schmelze einwirken gelassen wird und die so erhaltene teilchenförmige Schmelze innerhalb des Fallrohrs frei fallen gelassen wird und während des freien Falls verfestigen gelassen wird. Die teilchenförmige Schmelze unterliegt jedoch keiner Mikrogravitation, da auf sie der Fallwiderstand des Gases innerhalb des Fallrohrs wirkt.
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat eine Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung kugelförmiger Kristalle beschrieben, die teilchenförmige Halbleitereinkristalle erzeugen kann, wie es in der US-Patentveröffentlichung Nr. 6,204,545 beschrieben ist. In dieser Vorrichtung zur Erzeugung von kugelförmigen Kristallen wird ein Halbleiterteilchen in einem schwebenden Zustand in dem oberen Endabschnitt eines etwa 14 m langen Fallrohrs in eine Schmelze überführt und diese Schmelze wird innerhalb des Fallrohrs frei fallen gelassen und in einer Mikrogravitation während des Fallens mittels Abstrahlungskühlung verfestigt, um einen kugelförmigen Halbleitereinkristall zu erhalten. Das Fallrohr dieser Vorrichtung zur Erzeugung kugelförmiger Kristalle ist so konfiguriert, dass es über dessen gesamter Länge den gleichen Durchmesser aufweist, jedoch nicht so, dass es die Schmelze unter Verwendung eines Kühlgases kühlt.
Bei einer solchen Art von Vorrichtung zur Erzeugung kugelförmiger Kristalle wird eine teilchenförmige Schmelze lediglich mittels Abstrahlungskühlung gekühlt, was eine lange Kühlzeit und ein hohes Fallrohr erfordert, wodurch die Anlagenkosten hoch werden. Darüber hinaus ist es schwierig, die gesamte Schmelze gleichmäßig zu kühlen. In dem Fall einer Schmelze von Silizium oder dergleichen weist die Schmelze die Eigenschaft einer Ausdehnung auf, wenn sie verfestigt wird, wodurch das ungleichmäßige Kühlen der gesamten Schmelze die Form eines verfestigten kugelförmigen Kristalls leicht verzerrt.
In der US-Patentveröffentlichung Nr. 6,106,614 wird eine Vorrichtung des Fallturmtyps zur Erzeugung kugelförmiger Kristalle beschrieben. In dieser Vorrichtung ist ein aus Quarz hergestellter Tiegel auf der oberen Endseite eines Fallturms bereitgestellt, ein pulverförmiger Halbleiter (z. B. Halbleitersilizium) wird dem Tiegel von außen zugeführt und gleichzeitig wird der Halbleiter geschmolzen, und die Schmelze innerhalb des Tiegels wird durch eine Schwingungserzeugungsvorrichtung in Schwingungen versetzt, wodurch das Fallen einer teilchenförmigen Schmelze innerhalb des Fallturms von einer Düse am unteren Ende des Tiegels ermöglicht wird. In einer Keimbildungszone in dem Mittelabschnitt des Fallturms sind Mittel zur Erzeugung eines Kühlgasstroms zur Erzeugung eines Stroms von Kühlinertgas, der vom Boden zur Spitze verläuft, und Mittel zur Erzeugung von Kristallkeimen zur Erzeugung von Kristallkeimen in der fallenden teilchenförmigen Schmelze bereitgestellt. Die teilchenförmige Schmelze, die innerhalb des Fallturms fällt, wird in der Keimbildungszone durch Kühlgas auf einen unterkühlten Zustand gekühlt, und wenn das Kristallkeimerzeugungsmittel durch Ausüben eines Stimulus auf die teilchenförmige Schmelze, die sich im unterkühlten Zustand befindet, Kristallkeime erzeugt, wird die teilchenförmige Schmelze verfestigt und wird zu einem kugelförmigen Kristall. In dem unteren Teil des Fallturms ist eine Impulsableitungszone zum Ableiten des Impulses der kugelförmigen Kristalle bereitgestellt und diese Impulsableitungszone ist mit einem gekrümmten Weg ausgestattet, der die Bewegungsrichtung der kugelförmigen Kristalle von der vertikalen Richtung in die horizontale Richtung ändert, und es ist ein Gasstromformungsmittel zur Verminderung der Geschwindigkeit bereitgestellt, das einen Inertgasstrom erzeugt, der von unten nach oben verläuft.
In der Vorrichtung zur Erzeugung kugelförmiger Kristalle dieser Patentveröffentlichung wirkt jedoch ein Strom des Kühlgases, der sich entgegengesetzt zur Fallrichtung der Schmelze bewegt, auf die fallende teilchenförmige Schmelze innerhalb der Keimbildungszone ein, wodurch der Fallzustand der Schmelze zu einem anderen Zustand des freien Fallens wird. Es wirkt auch eine äußere Kraft auf die fallende teilchenförmige Schmelze ein, wodurch die Struktur innerhalb der Schmelze leicht fluktuiert und die Form der verfestigten kugelförmigen Kristalle leicht verzerrt wird. Folglich wird nicht notwendigerweise ein Einkristall erhalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers, die eine durch den freien Fall der Schmelze erzeugte Mikrogravitation aufrecht erhalten kann, während die teilchenförmige Schmelze mittels Kühlgas gekühlt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers, die einen Kristallkeim durch Anwenden eines Stoßes auf die Schmelze in einem unterkühlten Zustand mittels eines Kühlgases erzeugen kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers, welche die Höhe eines Fallrohrs durch Kühlen mittels eines Kühlgases vermindern kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers zur Verminderung des Gasverbrauchs durch Umwälzen des Kühlgases und zur Stabilisierung des Gasdrucks dadurch, dass dieser gesteuert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers, die durch Verfestigen einer teilchenförmigen Schmelze eines anorganischen Materials, während sie innerhalb eines Fallrohrs frei fallen gelassen wird, einen im Wesentlichen kugelförmigen kristallinen Körper erzeugt, ist mit einem Gasstrombildungsmittel zur Bildung eines Stroms von Kühlinertgas, der von der Oberseite zur Unterseite verläuft, innerhalb des Fallrohrs ausgestattet, und das Fallrohr weist ein Kühlrohr, dessen Querschnittsfläche in Richtung des Unterteils kleiner wird, so das die Kühlgasströmungsgeschwindigkeit im Wesentlichen gleich der Fallgeschwindigkeit der teilchenförmigen Schmelze wird, und ein Verfestigungsrohr auf, das mit dem unteren Ende des Kühlrohrs verbunden ist und eine Querschnittsfläche aufweist, die von dem unteren Ende des Kühlrohrs her diskontinuierlich vergrößert ist.
Der Kühlgasstrom, der von der Oberseite zur Unterseite verläuft, wird innerhalb des Fallrohrs mittels des Gasstrombildungsmittels gebildet. Das Kühlrohr des Fallrohrs weist eine Querschnittsfläche auf, die in Richtung der Unterseite kleiner wird, so dass die Kühlgasströmungsgeschwindigkeit im Wesentlichen gleich der Geschwindigkeit des freien Falls der Schmelze wird, so dass die Kühlgasströmungsgeschwindigkeit im Wesentlichen gleich der Fallgeschwindigkeit der Schmelze in dem Kühlrohr wird. Daher wird die teilchenförmige Schmelze während des Falls der Schmelze innerhalb des Kühlrohrs durch das Kühlgas gekühlt, während die durch den freien Fall erzeugte Mikrogravitation aufrechterhalten wird, und geht in einen unterkühlten Zustand über.
Das Verfestigungsrohr in dem Fallrohr ist mit dem unteren Ende des vorstehend genannten Kühlrohrs verbunden und weist eine Querschnittsfläche auf, die von dem unteren Ende des Kühlrohrs her diskontinuierlich vergrößert ist. Wenn das Kühlgas von dem Kühlrohr in das Verfestigungsrohr eintritt, wird daher dessen Strömungsgeschwindigkeit diskontinuierlich vermindert und der Gasdruck des Kühlgases wird diskontinuierlich vermindert. Sobald die Schmelze im Mikrogravitationszustand und im unterkühlten Zustand in das Verfestigungsrohr eintritt, wirkt folglich eine Stoßkraft auf die Schmelze, wodurch ein Kristallkeim erzeugt wird, wobei an diesem Punkt die kugelförmige Schmelze sofort zu einem Einkristall kristallisiert und zu einem im Wesentlichen kugelförmigen Körper wird.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die teilchenförmige Schmelze durch das Kühlgas gekühlt und da die Schmelze den Zustand des freien Falls aufrechterhält, wo der Gaswiderstand niedrig ist, kann der im Wesentlichen kugelförmige, einkristalline kristalline Körper erzeugt werden. Ferner wird auf die teilchenförmige Schmelze, die in den unterkühlten Zustand gebracht worden ist, mittels des Kühlgases ein Stoß ausgeübt, so dass der Kristallkeim erzeugt wird, wodurch der Kristall sofort gebildet wird und ein kristalliner Körper erzeugt werden kann. Um die Schmelze mittels des Kühlgases effektiv zu kühlen, kann darüber hinaus die Kühlzeit vermindert und die Höhe des Fallrohrs signifikant verkürzt werden, wodurch die Anlagenkosten gesenkt werden.
Die nachstehenden verschiedenen Konfigurationen können auf die vorliegende Erfindung angewandt werden.

(a) Das Gasstrombildungsmittel ist mit einem externen Weg, der parallel zu dem Fallrohr verbunden ist, und einem Gasumwälzgebläse ausgestattet.
(b) An dem oberen Endabschnitt des Fallrohrs ist ein ringförmiger Gaseinführungsabschnitt, der mit dem externen Weg verbunden ist, bereitgestellt.
(c) Ein Geschwindigkeitsverminderungsmechanismus zum raschen Vermindern der Kühlgasstromgeschwindigkeit ist innerhalb des Verfestigungsrohrs bereitgestellt.
(d) Der Geschwindigkeitsverminderungsmechanismus weist ein teilweise kugelförmiges Geschwindigkeitsverminderungselement auf, das einen zugewandten Abschnitt umfasst, der dem Gasstrom des Kühlgases innerhalb des Kühlrohrs orthogonal zugewandt ist.
(e) Die teilchenförmige Halbleiterschmelze wird während ihres Falls innerhalb des Kühlrohrs in einen unterkühlten Zustand gebracht und durch das Auftreffen, wenn die Fallgeschwindigkeit innerhalb des Verfestigungsrohrs rasch vermindert wird, rasch verfestigt.
(f) Das Gasstrombildungsmittel ist mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des Kühlgases ausgestattet.
(g) Das anorganische Material ist ein Halbleiter. Der Halbleiter ist Silizium.
(h) Das Kühlgas ist Heliumgas oder Argongas.
(i) Das Gasstrombildungsmittel weist ein Druck-Temperatur-Einstellmittel zum Einstellen des Gasdrucks und der Temperatur des Kühlgases innerhalb des Fallrohrs auf.
(j) Eine Schmelzebildungsvorrichtung zum Erzeugen einer teilchenförmigen Schmelze und Fallenlassen bzw. Tropfen der teilchenförmigen Schmelze in das Fallrohr ist bereitgestellt, wobei die Schmelzebildungsvorrichtung mit dem oberen Ende des Fallrohrs verbunden ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die 2 ist eine erläuternde Zeichnung, die eine Querschnittsform des Fallrohrs eines modifizierten Beispiels veranschaulicht.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachstehend wird die beste Art und Weise der Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Diese Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers schmilzt das Ausgangsmaterial aus einem anorganischen Material in einem Tiegel, lässt die teilchenförmige Schmelze von einer Düse fallen und verfestigt eine teilchenförmige Schmel ze, während sie innerhalb des Fallrohrs frei fallen gelassen wird, so dass ein im Wesentlichen kugelförmiger kristalliner Körper, der aus einem Einkristall aus dem anorganischen Material besteht, kontinuierlich erzeugt wird. Der im Wesentlichen kugelförmige kristalline Körper weist einen Durchmesser von etwa 600 bis 1500 μm auf.
Die vorliegende Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung des Fallrohrtyps 1 zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers als ein Beispiel, bei dem ein Halbleiter als das anorganische Material verwendet wird und ein p-Typ- oder n-Typ-Silizium als der Halbleiter eingesetzt wird, um einen im Wesentlichen kugelförmigen kristallinen Körper aus einem Siliziumeinkristall zu erzeugen.
Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst die Vorrichtung des Fallrohrtyps 1 zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers eine Schmelzebildungsvorrichtung 2, in der Silizium geschmolzen und eine festgelegte Menge der so erhaltenen Schmelze in eine teilchenförmige Schmelze umgewandelt und fallengelassen wird, ein Fallrohr 3, einen Gasstrombildungsmechanismus 4 zum Bilden eines Kühlgasstroms von der Oberseite zur Unterseite innerhalb des Fallrohrs 3, und einen Gewinnungsmechanismus 5, der an dem unteren Abschnitt des Fallrohrs 3 bereitgestellt ist.
Als erstes wird die Schmelzebildungsvorrichtung 2 beschrieben.
Diese Schmelzebildungsvorrichtung 2 umfasst einen Quarztiegel 10, eine Düse 10a, die sich integriert von dem unteren Endabschnitt des Tiegels 10 erstreckt, einen Kohlenstoffwärmeerzeuger 11 zum Bedecken des Tiegels 10 und des Außenumfangs der Düse 10a, ein Wärmeabschirmungsblech 12 zum Bedecken des Außenumfangs des Kohlenstoffwärmeerzeugers 11, einen Körper 14 zur Bildung eines ringförmigen Wegs, der aus Quarzglas hergestellt ist und einen ringförmigen Kühlwasserweg 13 bildet, eine erste Hochfrequenzheizspule 15, die auf der Außenumfangsseite des Tiegels 10 auf der Außenseite des Körpers 14 zur Bildung eines Wegs bereitgestellt ist, eine zweite Hochfrequenzheizspule 16, die auf der Außenumfangsseite der Düse 10a auf der Außenseite des Körpers 14 zur Bildung eines Wegs bereitgestellt ist, einen Ausgangsmaterialzuführungstrichter 18 und ein Ausgangsmaterialzuführungsrohr 18a zum Zuführen eines Ausgangsmaterials aus Silizium 17 zu dem Tiegel 10, eine Vertikalschwingungsvorrichtung 19 zum Anwenden einer vertikalen Schwingung auf das Silizium in einem geschmolzenen Zustand innerhalb des Tiegels 10, einen Infrarottemperatursensor 21 zum Messen der Temperatur des Siliziums 17a in einem geschmolzenen Zustand innerhalb des Tiegels 10, eine Gaszuführungsvorrichtung 23 zum Zuführen eines inak tiven Gases, wie z. B. Heliumgas oder Argongas, zu einer Kammer 22, und ein Kühlwasserzuführungssystem 24 zum Zuführen von Kühlwasser zu einem Kühlwasserweg 13, usw.
Der Ausgangsmaterialzuführungstrichter 18 enthält das Ausgangsmaterial aus Halbleitersilizium 17 in der Form eines Pulvers, von Teilchen oder Schuppen bzw. Flocken und übt mittels eines Schwingungserzeugers 18b Schwingungen auf das Ausgangsmaterial 17 aus und führt das Ausgangsmaterial 17 von dem Zuführungsrohr 18a dem Tiegel 10 nach und nach mit einer vorgegebenen Zuführungsgeschwindigkeit zu. Das Zuführungsrohr 18a ist mit einem Gasweg ausgestattet, der das Inertgas innerhalb der Kammer 22 in den Ausgangsmaterialzuführungstrichter 18 führt.
Der Tiegel 10 ist innerhalb der Kammer 22 angeordnet, die eine luftdichte Struktur aufweist. in der Kammer 22 ist ein Inertgas, das von der Gaszuführungsvorrichtung 23 zugeführt wird, so eingefüllt, dass Sauerstoff in der Luft nicht mit dem Ausgangsmaterial aus Silizium 17 oder der Schmelze 17a gemischt wird. In dem Kohlenstoffwärmeerzeuger 11 wird durch ein fluktuierendes Magnetfeld mit einer hohen Frequenz, das in der ersten und der zweiten Hochfrequenzheizspule 15 und 16 erzeugt wird, ein induzierter Strom erzeugt, und der Kohlenstoffwärmeerzeuger 11 erzeugt Wärme durch Widerstandswärme, wenn dieser induzierte Strom fließt. Das Abschirmungsblech 12 besteht aus Molybdän oder Tantal mit einer hervorragenden Wärmebeständigkeit und hervorragenden Strahlungswärmereflexionseigenschaften.
Das Ausgangsmaterial aus Silizium 17, das in den Tiegel 10 eingeführt worden ist, wird mit Wärme von etwa 1420°C durch die erste Hochfrequenzheizspule 15 und den Kohlenstoffwärmeerzeuger 11 erhitzt und schmilzt. Die Temperatur des Siliziums in einem geschmolzenen Zustand wird dann durch den Infrarottemperatursensor 21 erfasst und eine Steuervorrichtung 70 steuert die erste und die zweite Hochfrequenzheizspule 15, 16, so dass der Bereich der vorstehend genannten Temperatur aufrechterhalten wird. Die Vertikalschwingungsvorrichtung 19 wird in dem Schwingungserzeugungsabschnitt 20 betrieben und erzeugt Schwingungen mittels eines Magnetostriktors oder eines Elektromagneten und wendet die Schwingungen oder Druck in einem vorgegebenen Zyklus auf das Silizium 17a in dem geschmolzenen Zustand innerhalb des Tiegels 10 an, wodurch eine teilchenförmige Schmelze 25 des Siliziums von der Kante der Düse 10a fallengelassen wird bzw. tropft. Der Durchmesser der teilchenförmigen Schmelze 25 wird vermindert, wenn der Schwingungszyklus der Vertikalschwingungsvorrichtung 19 verkürzt oder die Amplitude der Schwingung vermindert wird, und andererseits wird der Durchmesser der teilchenförmigen Schmelze vergrößert, wenn der Schwingungszyklus verlängert wird oder die Amplitude der Schwingung vergrößert wird, wodurch die Steuervorrichtung 70 die Vertikalschwingungsvorrichtung 19 steuert, wodurch die Größe der teilchenförmigen Schmelze 25, die fallengelassen werden soll, durch Einstellen des Vertikalschwingungszyklus oder der Vertikalschwingungsamplitude eingestellt wird.
Die Gaszuführungsvorrichtung 23 weist ein Gaszuführungsrohr, das eine Verbindung von einer Inertgasflasche 23a zu der Kammer 22 herstellt, und z. B. zwei Gaseinführungsrohre 27, die eine Verbindung zu einer Fallstartkammer 26 dadurch herstellen, dass sie sich von dem oberen Abschnitt der Kammer 22 nach unten erstrecken, auf. Die teilchenförmige Schmelze 25, die von der Düse 10a in die Fallstartkammer 26 fallen gelassen worden ist, fällt durch einen engen Weg 28, bei dem es sich um einen Austrittsweg der Schmelzebildungsvorrichtung 2 handelt, frei in die Oberseite des Fallrohrs 3. Das Inertgas innerhalb der Fallstartkammer 26 strömt auch durch den engen Weg 28 in die Oberseite des Fallrohrs 3.
Zweitens wird das Fallrohr 3 beschrieben.
Das Fallrohr 3 weist die Form eines Rohrs auf, das z. B. aus einem Blech aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, und es weist ein Einführungsrohr 30 an dem oberen Endabschnitt, das mit dem engen Durchgang 28 verbunden ist und in das die teilchenförmige Schmelze 25 eingeführt wird, ein Kühlrohr 31, dessen Querschnittsfläche in Richtung der Unterseite kleiner wird, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases (Heliumgas oder Argongas) im Wesentlichen gleich der Geschwindigkeit des freien Falls der teilchenförmigen Schmelze 25 wird, und ein Verfestigungsrohr 32 auf, das mit dem unteren Ende des Kühlrohrs 31 verbunden ist und dessen Querschnitt von dem unteren Ende des Kühlrohrs 31 her diskontinuierlich vergrößert ist.
Die in der Schmelzebildungsvorrichtung 2 erzeugte teilchenförmige Schmelze 25 wird durch das Kühlgas während des freien Falls innerhalb des Kühlrohrs 31 und auch durch Abstrahlungskühlung gekühlt und geht dadurch in einen unterkühlten Zustand über und fällt darüber hinaus in das Verfestigungsrohr 32. Durch das Auftreffen beim Landen auf dem Kühlgas innerhalb des Verfestigungsrohrs 32, das einen höheren Druck als der Gasdruck des Kühlgases innerhalb des Kühlrohrs 31 aufweist, wird ein Impfkristall erzeugt, und dann wird die teilchenförmige Schmelze 25 zu einem kristallinen Körper 25a, der aufgrund des sofortigen Kristallwachstums, das auf den Kristallkeim zurückgeht, aus einem teilchenförmigen oder kugelförmigen Einkristall besteht.
Die von dem unteren Endabschnitt des vorstehend beschriebenen Kühlrohrs 31 verschiedenen Abschnitte sind mit einer kegelförmigen Form konfiguriert, so dass deren Durchmesser in Richtung der Unterseite kleiner wird, und der untere Endabschnitt des Kühlrohrs 31 ist so konfiguriert, dass er einen im Wesentlichen einheitlichen Durchmesser aufweist. Der untere Endabschnitt dieses Kühlrohrs 31 kann jedoch auch so mit einer kegelförmigen Form konfiguriert sein, dass dessen Durchmesser in Richtung der Unterseite kleiner wird.
Das Einführungsrohr 30 ist koaxial mit dem Kühlrohr 31 angeordnet und zwei Drittel des unteren Abschnitts des Einführungsrohrs 30 sind in den oberen Endabschnitt des Kühlrohrs 31 eingesetzt und das untere Ende des Einführungsrohrs 30 ist in Richtung des inneren des Kühlrohrs 31 geöffnet.
Das Kühlrohr 31 weist eine Höhe von etwa 5 bis 8 Meter auf und innerhalb des oberen Endabschnitts davon ist ein ringförmiger Gaseinführungsabschnitt 33 zum Einführen von Kühlgas zwischen dem Einführungsrohr 30 und dem oberen Endabschnitt des Kühlrohrs 31 bereitgestellt. Das obere Ende des Verfestigungsrohrs 32 ist so, dass eine Verbindung hergestellt wird, mit dem unteren Ende des Kühlrohrs 31 verbunden, der Abschnitt der oberen Hälfte des Verfestigungsrohrs 32 ist so konfiguriert, dass er eine halbkugelförmige Form mit einem Durchmesser aufweist, der viermal größer ist als derjenige des unteren Endabschnitts des Kühlrohrs 31, während der Abschnitt der unteren Hälfte des Verfestigungsrohrs 32 so konfiguriert ist, dass er eine zylindrische Form mit einem Durchmesser aufweist, der mit demjenigen des Abschnitts der oberen Hälfte des Verfestigungsrohrs 32 identisch ist, und das untere Ende des Verfestigungsrohrs 32 ist mit einer Basiswand 34 ausgestattet.
Die Querschnittsfläche des Verfestigungsrohrs 32 wird diskontinuierlich abrupt groß, und zwar verglichen mit der Querschnittsfläche des unteren Endes des Kühlrohrs 31. Daher wird die Kühlgaströmungsgeschwindigkeit beim Eintreten in das Verfestigungsrohr 32 abrupt diskontinuierlich vermindert und ferner ist ein Geschwindigkeitsverminderungsmechanismus 35 zum schnellen Vermindern der Kühlgaströmungsgeschwindigkeit innerhalb des Abschnitts der unteren Hälfte des Verfestigungsrohrs 32 bereitgestellt. Dieser Geschwindigkeitsverminderungsmechanismus 35 weist ein partiell kugelförmiges Verminderungselement 36 auf, das einen zugewandten Abschnitt 36a aufweist, der dem Gasstrom des Kühlgases innerhalb des Kühlrohrs 31 orthogonal zugewandt ist. Dieses Geschwindigkeitsverminderungselement 36 ist aus einem Blech aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,1 bis 0,2 mm ausgebildet und stellt einen Dämpfungseffekt bereit, der durch eine elastische Verformung verursacht wird. Der teilchenförmige (kugelförmige) kristalline Körper 25a, der durch Verfestigen der teilchenförmigen Schmelze 25 erzeugt wird, wird sanft innerhalb des Abschnitts der oberen Hälfte des Verfestigungsrohrs 32 zusammenstoßen gelassen. Die untere Flächenseite des Geschwindigkeitsverminderungselements 36 ist mit einem Zylinder 37 ausgestattet, der das Geschwindigkeitsverminderungselement 36 stützt und einen Weg für das Kühlgas bildet.
Als nächstes wird ein Gasstrombildungsmechanismus 4 beschrieben.
Der Gasstrombildungsmechanismus 4 dient zur Bildung eines Stroms des Kühlgases (Heliumgas oder Argongas), der von oben nach unten verläuft, innerhalb des Fallrohrs 3. Der Gasstrombildungsmechanismus 4 umfasst eine Mehrzahl (z. B. vier) von externen Wegen 40, die parallel zu dem Fallrohr 3 verbunden sind, und ein Gasumwälzgebläse 41, das innerhalb des Zylinders 37 angeordnet ist.
Die oberen Enden der Mehrzahl von externen Wegen 40 sind so, dass sie eine Verbindung herstellen können, mit dem ringförmigen Gaseinführungsabschnitt 33 verbunden, während die unteren Enden der Mehrzahl von externen Wegen 40 eine Verbindung mit einem Gasweg 38 innerhalb des Zylinders 37 herstellen, und in dem oberen Abschnitt des Zylinders 37 ist eine Mehrzahl von Wegeöffnungen 42 ausgebildet, die das Kühlgas innerhalb des Abschnitts der unteren Hälfte des Verfestigungsrohrs 32 zu dem Gasweg 38 einführen. Das Kühlgas, wie z. B. Heliumgas oder Argongas, wird durch ein Gaszuführungsrohr 44 von der Flasche 43 zu dem oberen Endabschnitt des externen Wegs 40 zugeführt, wobei ein Öffnungs-Schließ-Ventil 42 gegebenenfalls geöffnet ist. Eine Kühlvorrichtung 45 zum Kühlen des Kühlgases ist bereitgestellt, da das Kühlgas, das innerhalb des Fallrohrs 3 strömt, nach und nach erwärmt wird. Diese Kühlvorrichtung 45 ist aus einem Wasserkühlrohr 45a, das an der Außenseite des externen Wegs 40 montiert ist, und einem Wasserzuführungssystem zum Zuführen von Kühlwasser zu dem Wasserkühlrohr 45a ausgebildet.
Ferner ist eine Druckeinstellvorrichtung 46 (Druckeinstellmittel) zum Einstellen des Gasdrucks des Kühlgases innerhalb des Fallrohrs 3 bereitgestellt. Diese Druckeinstellvorrichtung 46 ist aus einem Saugrohr 47, das mit dem externen Weg 40 verbunden ist, einem Öffnungs-Schließ-Ventil 48, einer Vakuumpumpe 49 und einem Antriebsmotor 49a davon, usw., aufgebaut.
Als nächstes wird ein Gewinnungsmechanismus 5 zum Gewinnen des kristallinen Körpers 25a beschrieben. Der Gewinnungsmechanismus 5 weist eine Öffnungs-Schließ-Klappe 50 zum Öffnen und Schließen eines Gewinnungslochs auf der Basiswand 34 des Verfestigungsrohrs 32, eine Elektromagnet-Betätigungsvorrichtung 51 zum Antreiben der Öffnungs-Schließ-Klappe 50, ein Gewinnungsrohr 52, das sich vom Boden des Gewinnungslochs zur Außenseite erstreckt, ein Klappenventil 53, welches das Gewinnungsrohr 52 öffnen und schließen kann, und einen Gewinnungskasten 54a zum Gewinnen des kristallinen Körpers 25a, der aus dem Gewinnungsrohr 52 ausgetragen worden ist, auf.
Als nächstes werden die Sensoren und Steuersysteme beschrieben.
Als erstes sind bezüglich der Sensoren ein Infrarottemperatursensor 60 zum Messen der Temperatur der teilchenförmigen Schmelze 25 sofort nach dem Fallen von der Fallstartkammer 26, ein Infrarottemperatursensor 61 zum Messen der Temperatur der teilchenförmigen Schmelze 25, wenn sie in den Mittelstromabschnitt des Kühlrohrs 31 fällt, ein Infrarottemperatursensor 62 zum Messen der Temperatur der teilchenförmigen Schmelze 25, wenn sie in den unteren Endabschnitt des Kühlrohrs 31 fällt, ein Temperatursensor 63, wie z. B. ein Thermistor, zum Messen der Temperatur des Kühlgases innerhalb des Einführungswegs 33, ein Drucksensor 64 zum Erfassen des Gasdrucks des Kühlgases innerhalb des Verfestigungsrohrs 32 und andere Sensoren bereitgestellt. Die erfassten Signale dieser Sensoren und des Infrarottemperatursensors 21 in der Schmelzebildungsvorrichtung 2 werden an die Steuervorrichtung 70 ausgegeben.
Die erste und die zweite Hochfrequenzheizspule 15 und 16, der Schwingungserzeuger 18b und der Schwingungserzeugungsabschnitt 20 der Vertikalschwingungsvorrichtung 19 in der Schmelzebildungsvorrichtung 2 werden bezüglich ihres Betriebs von der Steuervorrichtung 70 gesteuert.
Darüber hinaus werden auch ein Antriebsmotor 41a, der das Gasumwälzgebläse 41 antreibt, der Antriebsmotor 49a für die Vakuumpumpe 49, die Elektromagnet-Betätigungsvorrichtung 51 und das Klappenventil 53 bezüglich ihres Betriebs von der Steuervorrichtung 70 gesteuert.
Als nächstes werden Funktionen und Vorteile der vorstehend beschriebenen Vorrichtung des Fallrohrtyps 1 zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers beschrieben.
Vor dem Beginn der Verwendung der Vorrichtung des Fallrohrtyps 1 zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers wird nach dem Absaugen der Luft innerhalb des Fallrohrs 3 oder des externen Wegs 40 durch die Vakuumpumpe 49, während Inertgas in die Kammer 22 der Schmelzebildungsvorrichtung 2 zugeführt wird, Kühlgas von der Flasche 43 und dem Gaszuführungsrohr 44 zugeführt, wodurch die Luft im Inneren durch das Kühlgas, wie z. B. Heliumgas oder Argongas, ersetzt wird, so dass der Gasdruck des Kühlgases inner halb des Fallrohrs 3 ein vorgegebener Druck wird, der mit dem Umgebungsdruck identisch oder niedriger als dieser ist, oder ein vorgegebener Druck wird, der im Wesentlichen dem Umgebungsdruck entspricht.
Danach wird das Kühlwasser in dem Kühlwasserweg 13 umgewälzt, das Ausgangsmaterial aus Silizium 17 wird dem Tiegel 10 zugeführt, ein Hochfrequenzstrom wird der ersten und der zweiten Hochfrequenzheizspule 15 und 16 zugeführt, um mit dem Erwärmen in einem Zustand zu beginnen, bei dem das Gasumwälzgebläse 41 aktiviert ist, und wenn das Ausgangsmaterial 17 in einen geschmolzenen Zustand übergeht, wird die Vertikalschwingungsvorrichtung 19 in einem vorgegebenen Zyklus in Schwingungen versetzt und die teilchenförmige Schmelze 25 wird nach und nach von der Düse 10a fallen gelassen.
Das Kühlrohr 31 in dem Fallrohr 3 ist so konfiguriert, dass dessen Querschnittsfläche in Richtung nach unten nach und nach vermindert ist, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases, das innerhalb des Kühlrohrs 31 strömt, die Geschwindigkeit des freien Falles der teilchenförmigen Schmelze 25 wird. Wenn daher die teilchenförmige Schmelze 25 innerhalb des Kühlrohrs 31 frei fällt, strömt das Kühlgas ebenfalls mit im Wesentlichen der gleichen Geschwindigkeit wie die teilchenförmige Schmelze 25 nach unten, wodurch eine Relativgeschwindigkeit zwischen der frei fallenden teilchenförmigen Schmelze 25 und dem Kühlgas kaum erzeugt wird. Obwohl die teilchenförmige Schmelze 25 durch das Kühlgas effektiv gekühlt wird, wirkt eine externe Kraft von dem Kühlgas kaum auf die teilchenförmige Schmelze 25 ein. Wenn die teilchenförmige Schmelze 25 innerhalb des Kühlrohrs 31 frei fällt, fällt die teilchenförmige Schmelze 25, während die Mikrogravitation, die durch den freien Fall erzeugt wird, aufrechterhalten wird, ohne dass sie durch die Schwerkraft oder eine externe Kraft beeinflusst wird, wodurch die teilchenförmige Schmelze 25 fällt und durch die Oberflächenspannung im Wesentlichen eine Kugelform beibehält. Darüber hinaus wird die teilchenförmige Schmelze 25 vor dem Erreichen des unteren Endes des Kühlrohrs 31 zu einem unterkühlten Zustand gekühlt.
Dabei wird bei einem Vergleich der Querschnittsfläche des unteren Endabschnitts des Kühlrohrs 31 die Querschnittsfläche des Verfestigungsrohrs 32 abrupt diskontinuierlich groß, wodurch die Kühlgasströmungsgeschwindigkeit beim Eintreten in das Verfestigungsrohr 32 abrupt diskontinuierlich vermindert wird und auch durch das Geschwindigkeitsverminderungselement 36, bei dem der zugewandte Abschnitt 36a der Gasströmung des Kühlgases innerhalb des Kühlrohrs 31 orthogonal zugewandt ist, rasch vermindert wird. Daher nimmt der Gasdruck des Kühlgases innerhalb des Verfestigungsrohrs 32 verglichen mit dem Gasdruck des Kühlgases am unteren Endabschnitt des Kühlrohrs 31 abrupt diskontinuierlich zu. Folg lich wirkt eine geringe Stoß- bzw. Auftreffkraft auf die teilchenförmige Schmelze 25, die in das Verfestigungsrohr 32 gefallen ist. Dann wird an dem Punkt, an dem die teilchenförmige Schmelze 25 zuerst kollidiert, ein Kristallkeim erzeugt, wodurch die Kristallisation beginnend bei diesem Kristallkern sofort abläuft, und die teilchenförmige Schmelze 25, die sich im unterkühlten Zustand befindet, bis sie den zugewandten Abschnitt 36a erreicht, wird zu dem kugelförmigen kristallinen Körper 25a, der aus einem Einkristall besteht.
Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn eine relativ große teilchenförmige Schmelze 25 oder dergleichen mit dem zugewandten Abschnitt 36a des Geschwindigkeitsverminderungselements 36 in einem Zustand kollidiert, bei dem die teilchenförmige Schmelze 25 nicht ausreichend kristallisiert ist, das Kristallwachstum aufgrund des Stoßes der Kollision fortschreitet, wodurch der kugelförmige kristalline Körper 25a, der aus einem Einkristall besteht, sofort erhalten wird.
Dabei wird die Temperatur jeder teilchenförmigen Schmelze 25 auf der Basis der erfassten Signale der Infrarottemperatursensoren 60 bis 62 erfasst. Wenn die Temperatur des Kühlgases gesenkt werden soll, wird die Kühlkapazität der Kühlvorrichtung 45 erhöht.
Da darüber hinaus die Fallgeschwindigkeit der teilchenförmigen Schmelze 25 auf der Basis der erfassten Signale der Infrarottemperatursensoren 60 bis 62 berechnet werden kann, sollte dann, wenn die Fallgeschwindigkeit der teilchenförmigen Schmelze 25 höher ist als die Geschwindigkeit des freien Falls, der Antriebsmotor 41a so gesteuert werden, dass die Drehzahl des Gasumwälzgebläses 41 vermindert wird.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist es möglich, durch Kühlen der teilchenförmigen Schmelze 25 mittels des Kühlgases und Unterkühlen der teilchenförmigen Schmelze 25, während die teilchenförmige Schmelze den frei fallenden Zustand aufrechterhält, einen im Wesentlichen kugelförmigen kristallinen Körper 25a zu erzeugen. Ferner wird auf die teilchenförmige Schmelze 25, die sich im unterkühlten Zustand befindet, mittels des Kühlgases ein Stoß ausgeübt, so dass ein Kristallkeim erzeugt wird, wodurch das Kristallwachstum beschleunigt wird und der kristalline Körper 25a erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann, da das Kühlen der teilchenförmigen Schmelze 25a mittels des Kühlgases effizient durchgeführt wird, die Kühlzeit verkürzt werden und die Höhe des Fallrohrs 3 kann ebenfalls signifikant vermindert werden, wodurch die Kosten für die Anlage gesenkt werden können.
Darüber hinaus wird der Verbrauch des Kühlgases aufgrund des Umwälzens des Kühlgases vermindert und es ist möglich, den Druck oder das Füllvolumen und die Temperatur des Kühlgases zu steuern, wodurch der Gasdruck des Kühlgases stabilisiert werden kann.
Als nächstes werden modifizierte Beispiele erläutert, bei denen das vorstehend beschriebene Beispiel partiell abgeändert wird.

1) Die vorstehend beschriebene Schmelzebildungsvorrichtung 1 zeigt lediglich ein Beispiel, so dass eine Vorrichtung, die ein anorganisches Material mittels Widerstandsheizen, Infrarotsammelheizen, Plasma oder Laserstrahl schmilzt, um daraus eine teilchenförmige Schmelze zu erzeugen, oder eine Schmelzebildungsvorrichtung, die mit anderen Heizmechanismen ausgestattet ist, eingesetzt werden kann.
2) Da der Durchmesser der teilchenförmigen Schmelze umso größer wird, je länger die Kühlzeit ist, ist die Höhe des Kühlrohrs 31 in dem Fallrohr 3 vorzugsweise so konfiguriert, dass sie gemäß der Größe des zu erzeugenden kristallinen Körpers geändert werden kann.
3) Die Form des vorstehend beschriebenen Fallrohrs 3 kann die in der 2 gezeigte Form sein.

Wie es in der 2 gezeigt ist, ist y eine Distanz, um welche die Schmelze 25 innerhalb des Fallrohrs 3 fällt, und R ist ein Radius des Fallrohrs 3 in der Position der Falldistanz y. Die y-Achse und die R-Achse werden so eingestellt, wie es in der Figur gezeigt ist. Beispielsweise wird die Position des oberen Endes des Fallrohrs 3 auf die Position y = 0 eingestellt. y =(1/2)g × t2 (1) Vs = g × t (2)
Gemäß den Gleichungen (1) und (2) ist Vs = (2gy)1/2 (3)wobei g die Erdbeschleunigung, t die vergangene Zeit nach dem Beginn des Fallens, Vs die Fallgeschwindigkeit der Schmelze 25 und V die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases, das innerhalb des Fallrohrs 3 nach unten fällt, an der Position y ist.
Wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases als C0 (festgelegte Menge) angesetzt wird, ist (π/4)R2 × V = C0 (4)
Daher ist V = C1/R2 (wobei C1 jedoch eine festgelegte Konstante ist) (5)Wenn davon ausgegangen wird, dass K eine festgelegte Konstante ist, ist R2 × y1/2 = K2 (6)gemäß den Gleichungen (3) und (5).
Die Querschnittsform des Fallrohrs 3, wie sie in der vorstehenden Gleichung (6) angegeben ist, wird so, wie es z. B. in der 2 gezeigt ist.

4) In der Nähe des unteren Endes des Kühlrohrs 31 oder des oberen Endes des Verfestigungsrohrs 32 in dem vorstehend beschriebenen Fallrohr 3 kann ein Mittel zum Anwenden verschiedener Stimulantien auf die teilchenförmige Schmelze 25 bereitgestellt sein. Jedwedes Stimulans, wie z. B. Ultraschallwellen, Laserstrahlen, ein elektrisches Feld, ein Magnetfeld oder dergleichen, kann eingesetzt werden.
5) Anstelle des vorstehend genannten kristallinen Körpers aus Halbleitersilizium kann ein kristalliner Körper mit verschiedenen Halbleitern oder verschiedenen anorganischen Materialien neben Silizium erzeugt werden. Die verschiedenen anorganischen Materialien umfassen Dielektrika, magnetische Materialien, Isolatoren, fluoreszierende Materialien, Gläser, Edelsteine und dergleichen.

Claims

Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers zur Erzeugung eines im Wesentlichen kugelförmigen kristallinen Körpers durch Verfestigen einer teilchenförmigen Schmelze eines anorganischen Materials, während sie innerhalb eines Fallrohrs frei fallen gelassen wird, wobei: ein Gasstrombildungsmittel zur Bildung eines Stroms von Kühlinertgas, der von der Oberseite zur Unterseite verläuft, innerhalb des Fallrohrs bereitgestellt ist, und das Fallrohr ein Kühlrohr, wobei die Querschnittsfläche des Kühlrohrs in Richtung der Unterseite kleiner wird, so dass die Kühlgasstromgeschwindigkeit mit der Geschwindigkeit des freien Falls der teilchenförmigen Schmelze im Wesentlichen identisch wird, und ein Verfestigungsrohr aufweist, das mit dem unteren Ende des Kühlrohrs verbunden ist und eine Querschnittsfläche aufweist, die ausgehend von dem unteren Ende des Kühlrohrs diskontinuierlich vergrößert ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, bei der das Gasstrombildungsmittel mit einem externen Weg, der parallel zu dem Fallrohr verbunden ist, und einem Gasumwälzgebläse ausgestattet ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 2, bei der ein ringförmiger Gaseinführungsabschnitt, der mit dem externen Weg verbunden ist, an dem oberen Endabschnitt des Fallrohrs bereitgestellt ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, bei der ein Geschwindigkeitsverminderungsmechanismus zum raschen Vermindern der Kühlgasstromgeschwindigkeit innerhalb des Verfestigungsrohrs bereitgestellt ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 4, bei welcher der Geschwindigkeitsverminderungsmechanismus ein teilweise kugelförmiges Geschwindigkeitsverminderungselement aufweist, das einen zugewandten Abschnitt umfasst, der dem Gasstrom des Kühlgases innerhalb des Kühlrohrs orthogonal zugewandt ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, bei der die teilchenförmige Schmelze während ihres Falls innerhalb des Kühlrohrs in einen supergekühlten Zustand übergeht und durch das Auftreffen, wenn die [Fall-] Geschwindigkeit innerhalb des Verfestigungsrohrs rasch vermindert wird, rasch verfestigt wird.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 2, bei der das Gasstrombildungsmittel mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen des Kühlgases ausgestattet ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, bei der das anorganische Material ein Halbleiter ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 8, bei welcher der Halbleiter Silizium ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, bei der das Kühlgas Heliumgas oder Argongas ist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, bei der das Gasstrombildungsmittel ein Druck-Temperatur-Einstellmittel zum Einstellen des Gasdrucks und der Temperatur des Kühlgases innerhalb des Fallrohrs aufweist.
Vorrichtung des Fallrohrtyps zur Erzeugung eines teilchenförmigen kristallinen Körpers nach Anspruch 1, die eine Schmelzebildungsvorrichtung zum Erzeugen einer teilchenförmigen Schmelze und Tropfen der teilchenförmigen Schmelze in das Fallrohr umfasst, wobei die Schmelzebildungsvorrichtung mit dem oberen Ende des Fallrohrs verbunden ist.