DE69716385T2

DE69716385T2 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Feststoffen

Info

Publication number: DE69716385T2
Application number: DE69716385T
Authority: DE
Inventors: Naoaki Ogure; Kazuyoshi Terashima
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: US5820649A; EP0844318A1; DE69716385D1; JPH10158088A; EP0844318B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für die kontinuierliche Herstellung eines festen Materials, wie beispielsweise einer bandgleichen dünnen Bahn aus einkristallinem Silizium zur Verwendung vorwiegend als Material für ein fotoelektrisches Wandlerbauteil wie beispielsweise eine Solarzelle oder dergleichen.

Beschreibung des Standes der Technik:

Eine allgemeine Vorrichtung für das kontinuierliche Herstellen einer bandgleichen dünnen Bahn (eines festen Materials bzw. Feststoffmaterials) aus einkristallinem Silizium aus einem Becken oder Vorratsbehälter von geschmolzenem Silizium (einem flüssigen Material) ist in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Wie in Fig. 1 gezeigt hat die Vorrichtung eine Kammer 1 zum Beibehalten einer Inertgasatmosphäre darin durch Einleiten eines inerten Gases, wie beispielsweise Argongas oder dergleichen, durch ein Kombinationsmess- und Inertgaseinlassfenster 1a, das in einer Wand der Kammer 1 definiert ist. Die Kammer 1 nimmt einen Tiegel 3 aus wärmebeständigem Material zum Lagern bzw. Speichern von geschmolzenem Silizium 2 als ein Flüssigmaterial darin auf.
Der Tiegel 3 hat eine obere Öffnung, die in einem oberen Ende davon definiert ist und von einem Suszeptor 4 umgeben ist, der sich um den Boden und die Seitenwand, jedoch nicht um die obere Öffnung des Tiegels 3 herum erstreckt. Die obere Öffnung des Tiegels 3 ist durch eine Abdeckung 5 mit einem mittigen durchgehenden Loch 5a abgeschlossen, die ein mittig durchgehendes Loch 5a hat, das vertikal darin definiert ist. Ein vertikaler Stapel aus drei Kühlplatten 6 umgeben von einer Wärmeabschirmwand 7 ist auf der Abdeckung 5 montiert. Die Kühlplatten 6 haben jeweilig mittig durchgängige Löcher 6a, die zunehmend größer im Durchmesser in die aufwärtige Richtung sind.
Der Suszeptor 4 ist von einem Heizmittel 8 umgeben zum Erwärmen des geschmolzenen Siliziums 2 auf eine konstante Temperatur gleich oder höher zum Schmelzpunkt des geschmolzenen Siliziums 2. Das Heizmittel 8 kann eine Hochfrequentspule oder dergleichen aufweisen. Das Heizmittel 8 ist vertikal entlang des Suszeptors 4 bewegbar durch einen Betätigungsmechanismus 9, der unterhalb der Kammer 1 angebracht ist und mit dem Heizmittel 8 gekoppelt ist.
Ein Materialzufuhrrohr 10 erstreckt sich nach unten von oberhalb der Kammer 1 in die Kammer 1 und hat ein oberes Ende, das mit einem trichterförmigen Materialeinlass 10a verbunden ist, und ein unteres Ende, das sich derart öffnet, dass es leicht über dem Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 positioniert ist. Die Kammer 1 trägt auf ihrem oberen Ende einen Positionier- und Hochziehmechanismus 11, der ein Paar von Walzen aufweist, die auf jeder Seite einer Öffnung 1b positioniert sind, die im oberen Ende der Kammer 1 definiert ist.
Im Betrieb wird das geschmolzene Silizium 2 im Tiegel 3 kontinuierlich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch die Öffnung 5a in der Abdeckung 5 und die Öffnungen 6a in den Kühlplatten 6 hochgezogen. Zu diesem Zeitpunkt kühlt sich das geschmolzene Silizium 2, wenn es nach oben gezogen wird, ab und verfestigt sich in eine kontinuierlich langgestreckte dünne Bahn 12 aus einkristallinem Silizium mit einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 0,14 mm beispielsweise. Die verfestigte Bahn 12 aus einkristallinem Silizium wird nach oben gezogen aus der Kammer 1 heraus, und zwar bei einer konstanten Geschwindigkeit durch den Positionier- und Hochziehmechanismus 11.
Wenn das geschmolzene Silizium 2 kontinuierlich als die dünne Bahn 12 aus einkristallinem Silizium aus dem Tiegel 3 entfernt wird, wird die Menge des geschmolzenen Siliziums 2, das im Tiegel 3 gespeichert ist, reduziert und der Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 erniedrigt sich. Um die Reduktion der Menge des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 zur Sicherstellung eines kontinuierlichen Siliziumkristallwachstums zu kompensieren, wird ein Siliziummaterial in der Form von Siliziumpellets mit jeweils einem Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm durch das Materialzufuhrrohr 10 in den Tiegel 3 zugeführt.
Wenn angenommen wird, das die kontinuierlich langgestreckt dünne Bahn 12 aus einkristallinem Silizium mit einer Geschwindigkeit von 15 mm/min aus dem Tiegel 3 mit einer Oberflächenfläche von 17000 mm² (60 mm · 280 mm) hochgezogen wird, während der Tiegel 3 nicht mit Siliziummaterial versorgt wird, dann erniedrigt sich der Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 mit einer Geschwindigkeit von:
(50 · 0,14 · 15)/17000 = 6,18 · 10&supmin;³ (mm/min) = 6,18 um/min
Für ein kontinuierliches Siliziumkristallwachstum über eine lange Zeitdauer ist es notwendig, die zuvor erwähnte Reduktion des Oberflächenpegels des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 durch die Zufuhr von Siliziummaterial aus dem Materialzufuhrrohr 10 zu kompensieren, wodurch der Oberflächenpegel zu allen Zeiten konstant gehalten wird.
Die Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 beim Miniskus 2a, der verbunden ist mit der langgestreckten dünnen Bahn 12 ist leicht geringer als der Schmelzpunkt des Siliziums (der Miniskus 2a ist überkühlt). Es ist erforderlich den Tiegel 3 hinsichtlich der Temperatur derart zu steuern, so dass das geschmolzene Silizium 2 kontinuierlich am Miniskus 2a sich verfestigt, um dadurch die dünne Bahn 12 des einkristallinen Siliziums in einem stark begrenzten Temperaturbereich zu erzeugen. Es ist wichtig, dass eine bestimmte Temperaturverteilung konstant im Tiegel 3 zu allen Zeiten beibehalten wird.
Wenn die Temperaturverteilung einen angemessenen Pegel überschreitet, wird das geschmolzene Silizium 2 nicht mehr kontinuierlich am Miniskus 2a verfestigt, was die Herstellung der dünnen Bahn 12 aus einkristallinem Silizium, welches aus dem geschmolzenen Silizium 2 gezogen wird, unterbricht. Wenn die Temperaturverteilung unterhalb den angemessenen Pegel fällt, dann wächst der verfestigte Kern für das Verteilen aus einem erwünschten Bereich (entfernte Enden von bindenden Dendriten) zu einem anderen Bereich (dritte Dendriten), was schließlich polykristallines Silizium erzeugt. Derzeit ist die zulässige Temperaturtoleranz für die Temperaturverteilung sehr gering, möglicherweise im Größenbereich von 0,1ºC.
Da der Tiegel 3 direkt durch das Heizmittel 8 erwärmt wird, kann jegliche Variation in der Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 möglicherweise unzulässig erhöht werden aufgrund eines Anstiegs oder Abfalls in der Menge der thermischen Energie, die vom Heizmittel 8 zugeführt wird. Aus diesem Grund war es schwierig, die Temperaturverteilung im Tiegel 3 innerhalb der Temperaturtoleranz kontinuierlich über eine Lange Zeitdauer zu halten. Insbesondere wurde hin und wieder beobachtet, dass eine Variation in der Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 die Temperaturtoleranz, die für die stabile Herstellung der dünnen Bahn 12 aus einkristallinem Silizium erforderlich ist, überstieg, und zwar aufgrund der Zeitkonstanten und thermischen Trägheit der gesamten Vorrichtung.
Wie zuvor beschrieben, wenn das pellet- bzw. tablettenförmige Siliziummaterial durch das Materialzufuhrrohr 10 zugeliefert wird, fällt es mit einem bestimmten Gewicht, und zwar mit Unterbrechungen (schrittweise, diskret, oder nicht kontinuierlich) in das geschmolzene Silizium 2 im Tiegel 3. Die unterbrochene Zufuhr von pelletförmigem Siliziummaterial geht einher mit einer periodischen oder unregelmäßigen Übergangstemperaturreduktion im geschmolzenen Silizium 2. Daher tendiert dies zum Fördern des zuvor genannten Problems von möglichen Abweichungen der Temperaturverteilung von der Temperaturtoleranz.
In der Praxis wurde ein Ablenkblech oder eine Unterteilung oder eine Form eines Damms in den Tiegel 3 zum Unterdrücken von Temperaturvariationen plaziert, die durch die Zufuhr von pelletförmigem Siliziummaterial hervorgerufen wurden. Jedoch sind diese Vorgehensweisen nicht effektiv genug zum Reduzieren solcher Temperaturvariationen.
Die Aufmerksamkeit wird ferner gelenkt auf das Dokument "Patent Abstracts of Japan Vol. 008, No. 003(C/203)", das am 7. Januar 1984 veröffentlicht wurde, und zwar JP 58172287 A (Fujitsu KK), 11. Oktober 1983, welches ein Wachstumsgerät für Kristalle offenbart, um das kontinuierliche Aufnehmen eines langgestreckten Kristalls mit einem großen Durchmesser zu ermöglichen und das Fertigen einer der gleichen Vorrichtungen mit relativ kleiner Größe. Die Wachstumvorrichtung bzw. das Wachstumsgerät weist zwei Tiegel auf, die über ein Verbindungsrohr miteinander verbunden sind.
Ebenso wird die Aufmerksamkeit gelenkt auf Dokument US-A-4,547,258, das ein Verfahren zur Herstellung von Silizium aus einer Silizium tragenden Gasströmung offenbart, wobei ein flüssiges Silizium auf einer Säule mit einem hohen Oberflächengebiet aus Siliziumnitridpartikeln durch Wasserstoffzersetzung von Trichlorosilan abgeschieden wird. Dies wird erreicht in einer Umgebung, die auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Silizium erwärmt ist. Nach dem Abscheiden fliesst das flüssige Silizium aufgrund von Schwerkraft zu einem Sammelpunkt. Vorzugsweise bewegt ein Flüssigtransfersystem das Silizium direkt zu einem Kristallziehbetrieb. Der Flüssigtransfer zum sofortigen Ziehen konserviert Energie und gestattet das kontinuierliche Entziehen von Schmelze aus dem Reaktor. Das sofortige Ziehen sieht eine zusätzliche Reinigung vor und der so gezogene Kristall wird vorzugsweise als Zufuhrmaterial für einen letztendlichen Kristallziehbetrieb bzw. Kristallziehschritt genutzt.
Zuletzt sei noch die Aufmerksamkeit gelenkt auf die Dokumente
1. "Growth of Wide, Flat Crystals of Silicon Web", D. L. Barrett et al., J. Electrochem. Soc.: SOLID STATE SCIENCE, Juni 1971 und
2. "MODELING THERMAL STREAA EFFECTS IN SILICON WEB GROWTH", R. H. Hopkins et al., Journal of Crystal Growth 65 (1983).
Beide Dokumente liefern Hintergrundinformation über thermische Effekte bei Siliziumbahnwachstum.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für das kontinuierliche Erzeugen eines Feststoffs aus flüssigem Material nach Anspruch 1 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung für das stabile und kontinuierliche Herstellen eines festen Materials bzw. Feststoffmaterials aus flüssigem Material in einem Tiegel vorzusehen, und zwar durch Halten der Temperatur des flüssigen Materials in einer vorbestimmten Temperaturtoleranz zu allen Zeiten.
Zum Erreichen des zuvor genannten Ziels wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für das kontinuierliche Herstellen eines festen Materials aus einem flüssigen Material vorgesehen, das die folgenden Schritte aufweist: Speichern eines flüssigen Materials in einem Tiegel, kontinuierliches Zuführen eines flüssigen Materials, das identisch zu dem flüssigen Material im Tiegel ist und auf den gleichen Bedingungen gehalten ist, und zwar zum Tiegel zum konstant Halten eines Oberflächenpegels des flüssigen Materials im Tiegel, und kontinuierliches Hochziehen des flüssigen Materials aus dem Tiegel mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, während sich das flüssige Material in ein festes Material verfestigt.
Da die Temperatur des flüssigen Materials, das kontinuierlich an den Tiegel zugeliefert wird, höchst genau relativ einfach stabilisiert werden kann und das flüssige Material anstatt des pelletförmigen Materials kontinuierlich an den Tiegel zugeliefert wird, wird der Oberflächenpegel des flüssigen Materials im Tiegel konstant gehalten und jegliche Variation in der Temperatur des flüssigen Materials im Tiegel wird innerhalb einer vorbestimmten Temperaturtoleranz gehalten.
Beim zuvor erwähnten Verfahren kann das flüssige Material geschmolzenes Silizium aufweisen und/oder das feste Material eine bandgleiche dünne Bahn aus einkristallinem Silizium aufweisen.
Der Schritt des kontinuierlichen Zulieferns des flüssigen Material kann den Schritt des kontinuierlichen Zulieferns des flüssigen Materials von einem anderen Tiegel mit einem Volumen aufweisen, das 1,5 bis 100 mal das Volumen des ersterwähnten Tiegels ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ebenso eine Vorrichtung für das kontinuierliche Herstellen eines festen Materials aus einem flüssigen Material vorgesehen, die Folgendes aufweist: einen ersten Tiegel zum Speichern eines flüssigen Materials darin, einen zweiten Tiegel zum Speichern eines flüssigen Materials, das identisch zu dem flüssigen Material im ersten Tiegel ist und auf den gleichen Bedingungen gehalten wird, wobei der erste Tiegel und der zweite Tiegel miteinander bei einer Position unterhalb des Oberflächenpegels des jeweiligen: flüssigen Materials in den ersten und zweiten Tiegeln verbunden sind, eine Materialzufuhrvorrichtung, die auf dem zweiten Tiegel montiert ist für das Zuführen eines Materials zu dem zweiten Tiegel und einen Hochziehmechanismus, der am ersten Tiegel montiert ist für das kontinuierliche Hochziehen des flüssigen Materials aus dem ersten Tiegel mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, während sich das flüssige Material in ein festes Material verfestigt.
Da die ersten und zweiten Tiegel miteinander verbunden sind, ist die gesamte thermische Energie des flüssigen Materials in den ersten und zweiten Tiegeln groß genug zum hochgenauen Stabilisieren des flüssigen Materials. Die Materialzufuhrvorrichtung liefert das Material zum zweiten Tiegel zum konstant Halten des Oberflächenpegels des flüssigen Materials im zweiten Tiegel mit dem Ergebnis, dass der Oberflächenpegel des flüssigen Materials im ersten Tiegel konstant gehalten wird. Folglich werden jegliche Variationen in der Temperatur des flüssigen Materials im ersten Tiegel aufgrund der Zufuhr des Materials zum zweiten Tiegel minimiert.
Bei der zuvor erwähnten Vorrichtung kann das flüssige Material geschmolzenes Silizium aufweisen und/oder das feste Material kann eine bandgleiche dünne Bahn aus einkristallinem Silizium aufweisen.
Der zweite Tiegel kann ein Volumen haben, das 1,5 bis 100 mal das Volumen des ersten Tiegels ist.
Die Vorrichtung kann weiter ein horizontales Verbindungsrohr aufweisen, das den ersten Tiegel und den zweiten Tiegel verbindet.
Die Vorrichtung kann weiter eine erste Kammer aufweisen, die den ersten Tiegel darin aufnimmt, und eine zweite Kammer, die den zweiten Tiegel darin aufnimmt, und zwar mit dem horizontalen Verbindungsrohr den ersten Tiegel und den zweiten Tiegel durch die erste Kammer und die zweite Kammer verbindend.
Die zuvor erwähnten und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung verdeutlichen sich aus der folgenden Beschreibung, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beispielhaft darstellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zum kontinuierlichen Herstellen einer langgestreckten dünnen Bahn aus einkristallinem Silizium; und
Fig. 2 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Herstellen eines festen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung, und zwar wie es ausgeführt ist als eine Vorrichtung für das kontinuierliche Herstellen einer langgestreckten dünnen Bahn aus einkristallinem Silizium aus einem flüssigen Material.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Wie in Fig. 2 gezeigt ist eine Vorrichtung zum Herstellen eines festen Materials gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt als eine Vorrichtung für das kontinuierliche Herstellen einer langgestreckten dünnen Bahn aus einkristallinem Silizium aus einem flüssigen Material.
In Fig. 2 weist die Vorrichtung eine Kammer 1 mit einem Kombinationsmess- und Inertgaseinlassfenster 1a, einem Tiegel 3 aus hitzebeständigem Material angeordnet in der Kammer 1, einem Suszeptor 4, den Tiegel 3 umgebend, eine Abdeckung 5, eine obere Öffnung des Tiegels 3 abschließend und einem vertikalen Stapel aus drei Kühlplatten 6 auf, die an der Abdeckung 5 montiert sind und durch eine Wärmeabschirmwand, 7 umgeben sind, die in der Form eines hohlen Zylinders oder rechteckig geformt sein kann. Der Suszeptor 4 ist umgeben von einem Heizmittel 8, das eine Hochfrequenzinduktionsheizspule oder dergleichen aufweisen kann. Das Heizmittel 8 ist vertikal entlang dem Suszeptor 4 durch einen Betätigungsmechanismus 9 bewegbar. Die Kammer 1 trägt an ihrem oberen Ende einen Positionier- und Hochziehmechanismus 11.
Die Kammer 1 und die anderen zuvor beschriebenen Komponenten, die in der Kammer 1 angeordnet und durch diese getragen sind, sind identisch zu jenen der in Fig. 1 gezeigten herkömmlichen Vorrichtungen und werden nicht in genauerer Einzelheit beschrieben.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst die Vorrichtung auch eine Hilfskammer 20 mit einem Messfenster 20a, das in einer Wand davon definiert ist. Die Hilfskammer 20 nimmt darin einen Hilfstiegel 21 aus hitzebeständigem Material für das Speichern von geschmolzenem Silizium 2 als ein flüssiges Material darin auf.
Der Tiegel 21 hat in einem oberen Ende davon eine Öffnung definiert und ist von einem Suszeptor 22 umgeben, der sich um den Boden und die Seitenwand herum erstreckt, jedoch nicht um die obere Öffnung des Tiegels 21. Die obere Öffnung ist durch eine Abdeckung 23 geschlossen.
Der Suszeptor 22 ist umgeben von einem Heizmittel 24 zum Heizen des geschmolzenen Siliziums 2 auf eine kostante Temperatur gleich oder höher zum Schmelzpunkt des geschmolzenen Siliziums 2. Das Heizmittel 24 kann eine Hochfrequenzinduktionsheizspule oder dergleichen aufweisen. Das Heizmittel 24 ist vertikal entlang dem Suszeptor 22 durch einen Betätigungsmechanismus 25 bewegbar, der unterhalb der Kammer 21 angeordnet ist und mit dem Heizmittel 24 gekoppelt ist.
Die Heizmittel 8, 24 weisen eine Vielzahl von einzelsteuerbaren Heizelementen auf, die aufeinander folgend axial und umfangsmäßig um den Suszeptor 4 oder 22 positioniert sind. Die Heizelemente können unabhängig voneinander mit Energie versorgt werden oder davon getrennt werden zum Steuern der Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 21.
Die Heizelemente eines jeden Heizmittels 8, 24 können Hochfrequenzinduktionsheizelemente in der Form von Hochfrequenzspulen, elektrische Widerstandsheizelemente, Mikrowellenheizelemente, Lichtbogenheizelemente, Plasmaheizelemente, dielektrische Heizelemente, Elektronenstrahlheizelemente, Laserstrahlheizelemente oder dergleichen sein.
Die Tiegel 3, 21 sind in einer flüssigkeitsdichten Weise durch ein horizontales, zylindrisches Verbindungsrohr 26 miteinander verbunden, das einen Fluss des geschmolzenen Siliziums 2 zwischen den Tiegeln 3, 21 gestattet. Das horizontale, zylindrische Verbindungsrohr 26 hat einen Teil, der zwischen den Kammern 1, 20 ausgesetzt ist und mit einem Isolator 27 abgedeckt ist. Das horizontale, zylindrische Verbindungsrohr 26 hat ein Ende, das sich durch das Heizmittel 8, den Suszeptor 4 und die Wand des Tiegels 3 erstreckt und in den Tiegel 3 unterhalb dem Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 öffnet, und ein entgegengesetztes Ende, das sich durch das Heizmittel 24, den Suszeptor 22 und die Wand des Tiegels 21 erstreckt und in den Tiegel 21 unterhalb dem Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 21 öffnet.
Wegen dem die Tiegel 3, 21 verbindenden Verbindungsrohr 26 sind die Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 in den Tiegeln 3, 21 horizontal miteinander ausgerichtet. Der Isolator 27 verhindert das Abkühlen des geschmolzenen Siliziums 2, wenn das geschmolzene Silizium 2 durch das Verbindungsrohr 26 strömt.
Eine Materialzufuhrvorrrichtung 28 ist auf der Hilfskammer 20 montiert für eine sukzessive Zufuhr eines Siliziummaterials in der Form von Siliziumpellets, die jeweils einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm haben, und zwar durch ein Materialzufuhrrohr 28a in den Hilfstiegel 21. Ein Sensor 29 zum Detektieren des Oberflächenpegels und der Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Hilfstiegel 21 und daher des Oberflächenpegels und der Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 ist am Messfenster 20a montiert.
Signale vom Sensor 29 werden an eine Steuerung 30 geliefert, die das Heizmittel 24, den Betätigungsmechanismus 25 und die Materialzufuhrvorrichtung 28 steuert. Die Steuerung 30 verarbeitet die gelieferten Signale vom Sensor 29 und gibt Signale an das Heizmittel 24, den Betätigungsmechansimus 25 und die Materialzufuhrvorrichtung 28 aus, um den Oberflächenpegel und die Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Hilfstiegel 21 konstant zu halten.
Das Materialzufuhrrohr 28a erstreckt sich vertikal durch das obere Ende der Hilfskammer 20 und hat ein unteres Ende, das sich leicht über dem Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 in den Hilfstiegel 21 öffnet. Basierend auf einem Signal von der Steuerung 30 liefert die Materialzufuhrvorrichtung 28 unterbrochen pelletförmiges Siliziummaterial durch das Materialzufuhrrohr 28a in den Hilfstiegel 21.
Durch Zuführen des pelletförmigen Siliziummaterials in den Hilfstiegel 21 zum Konstanthalten des Oberflächenpegels des geschmolzenen Siliziums 2 darin wird auch der Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 durch das Verbindungsrohr 26 konstant gehalten. Demgemäß wird vermieden, dass die Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 übermäßig bzw. unzulässig variiert als Ergebnis der unterbrochenen Zufuhr des pelletförmigen Siliziummaterials.
Das geschmolzene Silizium 2 im Tiegel 3 wird hinsichtlich der Temperatur durch das Heizmittel 8 gesteuert und das geschmolzenen Silizium 2 im Hilfstiegel 21 wird hinsichtlich der Temperatur durch das Heizmittel 24 derart gesteuert, dass die Temperaturen des geschmolzenen Siliziums 2 in den Tiegeln 3, 24 einzeln aufeinander abgeglichen werden. Da das geschmolzene Silizium 2 im Tiegel 3 und das geschmolzene Silizium 2 im Hilfstiegel 21 miteinander durch das Verbindungsrohr 26 verbunden sind, hat das geschmolzene Silizium 2 als ein kombiniertes Ganzes eine relativ große Wärmespeicherkapazität und thermische Trägheit, so dass seine Temperatur hochgenau gegenüber Störungen stabilisiert ist.
Das geschmolzene Silizium 2, das aus dem eingeführten pelletförmigen Siliziummaterial umgewandelt wird, wird zuerst im Hilfstiegel 21 gespeichert und fließt dann durch das Verbindungsrohr 26 in den Tiegel 3. Mit dem Verbindungsrohr 26 positioniert über dem Boden des Tiegels 21 setzen sich schädliche Verunreiningungen, die im geschmolzenen Silizium 2 enthalten sind und relativ großes spezifisches Gewicht haben, am Boden des Hilfstiegels 21 ab, bevor das geschmolzene Silizium 2 aus dem Tiegel 21 zum Tiegel 3 übertragen wird. Folglich werden solche schädlichen Verunreinigungen daran gehindert in den Tiegel 3 zu strömen bzw. deren Einflussströmung in den Tiegel 3 ist minimiert.
Das Volumen des Hilfstiegels 21 ist 1,5 bis 100 mal das Volumen des Tiegels 3. Da die Volumina der Tiegel 3, 21 derart ausgewählt sind, können die Tiegel 3, 21 zusammen eine Menge an geschmolzenem Silizium 2 speichern, das groß genug ist zum Beibehalten einer ausreichenden Menge an thermischer Energie, um übermäßigen bzw. unzulässigen Temperaturstörungen zu begegnen.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie folgt betrieben:
Während der Oberflächenpegel des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 konstant gehalten wird, wird das geschmolzenen Silizium 2 im Tiegel 3 kontinuierlich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit durch die Öffnung 5a in der Abdeckung 5 und die Öffnungen 6a in den Kühlplatten 6 durch den Positionier- und Hochziehmechanismus 11 hochgezogen. Zu diesem Zeitpunkt wird das geschmolzene Silizium 2, wenn es hochgezogen wird, abgekühlt und in eine kontinuierlich langgestreckte dünne Bahn 12 aus einkristallinem Silizium mit einer Breite von 50 mm und einer Dicke von 0,14 mm beispielsweise, verfestigt. Die verfestigte Bahn 12 aus einkristallinem Silizium wird aus der Kammer mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Positionier- und Hochziehmechanismus 11 nach oben gezogen. Wie zuvor beschrieben hat das gesamte geschmolzene Silizium 2 eine relativ große Wärmespeicherkapazität, und es wird verhindert, dass es unzulässig in der Temperatur durch die Zufuhr von pelletförmigem Siliziummaterial variiert. Demgemäß wird die Temperatur des geschmolzenen Siliziums 2 im Tiegel 3 hochgenau stabilisiert für die kontinuierliche Herstellung der langgestreckten dünnen Bahn 12 aus einkristallinem Silizium über eine lange Zeitdauer.
Während die Vorrichtung gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel speziell für die kontinuierliche Herstellung einer langgestreckten dünnen Bahn aus einkristallinem Silizium ausgelegt ist, sind die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anwendbar auf die kontinuierliche Fertigung von jeglichen anderen langgestreckten Festmaterialien.
Das feste Material, das durch die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gefertigt werden kann, kann irgendeines von verschiedenen Halbleitermaterialien sein, wie beispielsweise Ga, As oder dergleichen, irgendeines von verschiedenen Edelsteinen, wie beispielsweise Saphir oder irgendeines von verschiedenen Keramikmaterialien. Das feste Material kann aus dem Tiegel in einer Stangenform, einer Filamentform, einer Rohrform oder irgendeiner anderen langgestreckten Form anders als die Bahn- bzw. Bandform hochgezogen werden. Das feste Material kann auch als ein polykristallines Material oder als Glas-(amorphes)-Material anders als ein einkristallines Material hochgezogen werden. Die Tiegel können in irgendeiner von verschiedenen Umgebungen installiert sein, einschließlich in Luft, in einer Inertgasatmosphäre, eine Vakuumatmosphäre oder einer Hochdruckgasatmosphäre. Die Tiegel können auch gegenüber Umgebungsatmosphäre ausgesetzt sein anstatt in den jeweiligen Kammern aufgenommen zu sein.

Claims

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen Erzeugen eines festen Materials aus einem flüssigen Material, das folgendes aufweist:

einen ersten Tiegel (2) angepasst für das Speichern eines flüssigen Materials darin;

einen Hochziehmechanismus (11), der auf dem ersten Tiegel (2) montiert ist, und zwar angepasst für das kontinuierliche Hochziehen von flüssigem Material vom ersten Tiegel (2) mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, wobei das flüssige Material in ein festes Material verfestigt wird;

einen zweiten Tiegel (21) angepasst für das Speichern eines flüssigen Materials darin, der identisch ist zum ersten Tiegel (2) und auf denselben Bedingungen gehalten wird wie das flüssige Material im ersten Tiegel (2);

eine Material-Zuführeinrichtung (23) montiert auf dem zweiten Tiegel (21), die angepasst ist für ein Liefern von festem Material an den zweiten Tiegel;

eine im wesentlichen horizontale Leitung (26), wobei der erste Tiegel (2) und der zweite Tiegel miteinander durch die im wesentlichen horizontale Leitung bei einer Stelle zwischen der Oberseite und der Unterseite des ersten Tiegels (2) verbunden sind, wobei die Unterseite des zweiten Tiegels (21) unter der Unterseite des ersten Tiegels positioniert ist;

wobei der zweite Tiegel (21) ein Volumen hat, das 1, 5 bis 100 Mal das Volumen des ersten Tiegels (2) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter einen Sensor für das Detektieren eines Oberflächenpegels und der Temperatur des flüssigen Materials im zweiten Tiegel (21) aufweist; und Steuermittel für das konstant Halten des Oberflächenpegels und der Temperatur des flüssigen Materials in dem zweiten Tiegel (21).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die horizontale Leitung (26) mit einem Isolator zum konstant Halten der Temperatur des flüssigen Materials abgedeckt ist.