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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung,
die in der Lage sind, einen polykristallinen Halbleiterblock eines
derartigen Materials, wie Silicium, mit weniger Spannung herzustellen.
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2. Beschreibung des diesbezüglichen
Standes der Technik
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Ein
polykristalliner Halbleiter aus Silicium oder dergleichen hat Aufmerksamkeit
als Material für eine
Solarzelle oder dergleichen vom Gesichtspunkt der kommerziellen
Herstellung und Resourcen gewonnen. Die meisten Solarzellen, die
zur Zeit in der praktischen Verwendung für Solarkraftversorgung sind,
sind Silicium-Solarzellen. Für
die Solarzelle verbleibt jedoch das Problem hoher Produktionskosten. Zur
Verwendung dieser Energiequelle in größerem Ausmaß ist es notwendig, die Kosten
weiter zu reduzieren. Am meisten gängig verwendete Solarzellen für Energieversorgung
basieren auf Einkristall- oder amorphem Silicium. So wird die weitere
Entwicklung von Solarzellen, hergestellt aus polykristallinem Silicium,
zur Kostenreduktion erwartet.
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Als
allgemeines Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Silicium-Halbleiters
ist ein herkömmliches
Verfahren bekannt, in dem festes Silicium in einen Tiegel aus Siliciumdioxid
(SiO2) oder dergleichen eingebracht wird,
und nach Schmelzen des festen Siliciums durch Erwärmen das
geschmolzene Halbleitermaterial in einen Graphittiegel gebracht wird.
In der geprüften
japanischen Patentveröffentlichung
JP-B2 57-21515 wird beispielsweise der Stand der Technik eines halbkontinuierlichen
Gießofens,
entwickelt durch Wacker-Chemitronie GmbH in Deutschland offenbart,
worin Silicium in einem Vakuum oder in einem Inertgas in einem Silicium-Tiegel geschmolzen
wird und dann in eine Form, hergestellt aus Graphit oder dergleichen,
durch Neigen des Tiegels gegossen wird. In der geprüften japanischen
Patentveröffentlichung
JP-B2 8-54115 wird ein Stand der Technik eines Wärme-Austauschverfahrens, entwickelt
von Crystal Systems, Inc. in den USA offenbart, worin Silicium im
Vakuum in einem Siliciumdioxid-Tiegel geschmolzen wird und dann
direkt verfestigt wird, wie es ist. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung
JP-A 62-260710 wird eine Verbesserung des Wacker-Verfahrens offenbart,
worin eine wassergekühlte
Stahllage als Silicium-Schmelztiegel verwendet wird.
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Bei
Herstellung eines polykristallinen Siliciumblocks übernehmen
die meisten Fälle
ein Verfahren der Kristallzüchtung
in einem Tiegel. In diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich,
dass der Halbleiterpolykristall in einem geschlossenen Raum gezüchtet wird.
Wenn eine Volumenexpansion aufgrund der Verfestigung von Kristallen
auftritt, was eine Spannung eines kontaktierenden Teils zwischen dem
verfestigten Halbleiterpolykristall und einer Innenwand des Tiegels
hervorruft, bleibt eine Deformation aufgrund der unbeseitigten Spannung
in einem derartigen hergestellten Block zurück. Die im Block zurückgelassene
Deformation beeinflusst nachteilig die Qualität und verringert die optischen
oder elektrischen Charakteristika des Halbleiters. Dies beeinträchtigt die
Energieerzeugungseffizienz in derartigen Anwendungen als Solarzelle.
Auch verursacht eine erhöhte
Deformation einen mechanischen Bruch.
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Weitere
Informationen hinsichtlich des Standes der Technik können in
Minister et al.: "Molding and
directional solidification of solar cell grade silicon using an
insulating molten salt",
Journal of Crystal Growth, Bd. 82, Nr. 1–2, 1. März 1987, S. 155–161, XP
00 20 78 236, Amsterdam, Holland, gefunden werden, welche das Formen
und direktes Verfestigen von quadratischen Blöcken und Lagen von polykristallinem
Si von Solarqualität
in wieder verwendbaren Formen durch ein Verfahren offenbart, das
das Einschieben eines dünnen
kontinuierlichen Films aus geschmolzenem Salz zwischen das Silicium
und die Graphitform umfasst. Das Verfahren beruht auf den Kapillar-
und Benetzungseigenschaften der Materialien. Die auf das flüssige Si
ausgeübten
Gravitationskräfte
werden durch die Wahl eines Salzes nahezu gleicher Dichte vernachlässigbar.
Ein eingesetzter Graphitkolben mit einem konstanten vorbestimmten Druck
zwingt das flüssige
Si in die Ecken der Form und nimmt die Volumenzunahme bei Verfestigung auf.
Das Herausnehmen der Blöcke
aus dem Tiegel kann ohne weiteres entweder bei Raumtemperatur mit
auseinandernehmbaren Formen oder bei hoher Temperatur durch Herausziehen
des Blocks aus dem noch geschmolzenen Salz durchgeführt werden.
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Prakash
et al. "Use of Silicon
oxynitride as a Graphit Mold Releasing Coating for the Growth of shaped
Multicrystalline Silicon Crystals", Journal of Crystal Growth, Bd. 144,
Nr. 1/2, November 1994, S. 41–47,
XP 00 484 426, Amsterdam, Holland, offenbaren ein Verfahren zur
Herstellung geformter multikristalliner Siliciumblöcke in Graphitformen,
basierend auf der direkten Verfestigungstechnik. Die Form hat eine
Beschichtung von Siliciumoxynitrid anstelle des noch herkömmlicherweise
verwendeten Siliciumnitrids auf der Innenseite ihrer Wände. Die
Beschichtung wirkt als Formtrennschicht und macht die Form wiederverwendbar.
Es ist ebenfalls möglich,
auseinandernehmbare Formen, hergestellt durch Zusammenbauen von
zwei oder mehreren Teilen, zu verwenden.
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Die
DE 32 26 440 A1 bezieht
sich auf das technische Gebiet der Herstellung von Silicium für Solarzellen
und insbesondere auf eine Form und ein Verfahren zum Gießen von
polykristallinen Siliciumstangen größerer Dimensionen. Das zu lösende technische
Problem ist die Bereitstellung einer Gießform, die nicht nur die Bildung
von Kristallen in Säulenform
ausreichender Dimensionen möglich,
sondern ebenfalls die Phase des Vorheizens der Form überflüssig macht
und Spannungen an den Silicium/Formgrenzflächen während der Kühlphase verhindert. Das Problem
wird gelöst
mit einer Form (
1), die charakterisiert ist durch ein äußeres Tragegehäuse (
2),
einen inneren Behälter
(
3), hergestellt aus im wesentlichen weichem Material,
einer Auskleidung (
4) eines wärmeisolierenden Materials niedriger
Wärmekapazität zwischen
den Seitenwänden
des Behälters
(
3) und dem Tragegehäuse (
2),
sowie einer Bodenschicht (
5) aus Siliciumdioxid-Sand oder
dergleichen zwischen dem Boden des Behälters und dem Boden des Tragegehäuses.
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Die
EP 0 748 884 A1 offenbart
hochgradig wiederholbares Züchten
von hochqualitativen Halbleiterpolykristallen mit ausgezeichneten
kristallographischen Eigenschaften bei niedrigen Kosten, ein Verfahren
zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiters, umfassend Beladen
eines rohen Halbleitermaterials in einen Tiegel (
9) mit
Halbleiter-Saatkristallen platziert auf dem Boden, in einer für den Halbleiter
inerten Atmosphäre,
Erhitzen, um das rohe Halbleitermaterial im Tiegel (
9)
durch Heizmittel (
5) zu schmelzen, während der Boden des Tiegels
(
9) Hitze entzieht, um die Unterseitentemperatur T1 des Bodens
unter dem Schmelzpunkt des rohen Halbleitermaterials zu halten,
und dann Abkühlen
des Tiegels (
9), um das geschmolzene Material zu verfestigen,
wobei die Unterseitentemperatur T1 des Bodens des Tiegels unter
Erwärmen
gemessen wird, und das Erwärmen
durch die Heizmittel (
5) ausgesetzt wird, wenn die Rate
DELTA t der von der Zeit abhängigen Änderung
der Temperatur über
einen vorbestimmten Wert ansteigt, um hierdurch nur das rohe Halbleitermaterial
zu schmelzen, im wesentlichen ohne Schmelzen der Saatkristalle,
und das geschmolzene Rohmaterial wird dann verfestigt, um aus den
Saatkristallen einen Polykristall zu züchten, genauso wie eine Herstellungsvorrichtung
hierfür.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks bereitzustellen,
die in der Lage sind, einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock
herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung eines
polykristallinen Halbleiterblocks gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und eine
Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks
gemäß dem unabhängigen Anspruch
4. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen
wiedergegeben.
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Die
beanspruchte Erfindung kann im Hinblick auf die nachfolgend beschriebenen
Ausführungsformen
besser verstanden werden. Im allgemeinen beschreiben die beschriebenen
Ausführungsformen
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung. Der aufmerksame Leser wird feststellen, dass jedoch
einige Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen über den
Umfang der Ansprüche
hinausgehen. Im Hinblick darauf, dass die beschriebenen Ausführungsformen
tatsächlich über den
Umfang der Ansprüche hinausgehen,
sollen die beschriebenen Ausführungsformen
als zusätzliche
Hintergrundinformationen angesehen werden und sollen nicht Definitionen der
Erfindung an sich darstellen. Dies trifft ebenfalls für die nachfolgende "Kurze Beschreibung
der Zeichnungen" genauso
wie die "Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen" zu.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform
wird ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks
bereitgestellt, umfassend die Schritte:
Laden eines rohen Halbleitermaterials,
das sich zum Zeitpunkt der Verfestigung ausdehnen wird, in einen Tiegel,
und
Erhitzen eines oberen Teils des Tiegels, während ein unterer
Teil desselben abgekühlt
wird, wodurch man ermöglicht,
dass das rohe Halbleitermaterial in einer Richtung verlaufend von
einem unteren Teil zu einem oberen Teil hiervon im Tiegel verfestigt
wird,
worin der verwendete Tiegel in der Lage ist, eine durch
eine Expansion des rohen Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung
verursachte Spannung zu entspannen.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird
ein rohes Halbleitermaterial, das in einen Tiegel beladen wurde,
in einer Richtung verlaufend von einem unteren Teil zu einem oberen
Teil hiervon durch Erhitzen des oberen Teils des Tiegels und Abkühlen des
Bodens des Tiegels verfestigt, und zum Zeitpunkt der Verfestigung
des Halbleitermaterials dehnt sich das Volumen aus. Da eine durch
die Expansion hervorgerufene Spannung durch den Tiegel entspannt
werden kann, kann ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock
mit weniger Spannung hergestellt werden.
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In
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
wird das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel als ein
doppelstrukturierter Tiegel gebildet ist, indem ein Raum zwischen
einem inneren Tiegel und einem äußeren Tiegel
vorgesehen ist, und der innere Tiegel sich gemäß der Expansion des Halbleiters
ausdehnt, um die Spannung im Halbleiter zu entspannen.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird
ein Raum zwischen dem inneren Tiegel und dem äußeren Tiegel des doppelstrukturierten
Tiegels so vorgesehen, dass, selbst wenn das rohe Halbleitermaterial
expandiert, um eine Verformung zum Zeitpunkt der Verfestigung zu
erzeugen, die Spannung mit Hilfe des inneren Tiegels, der sich gemäß der Expansion
des Halbleiters ausdehnt, entspannt wird. Daher kann ein hochqualitativer
polykristalliner Halbleiterblock erhalten werden.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform
ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterteilung
innerhalb einer peripheren Wand des Tiegels vorgesehen ist, und
die Unterteilung angeordnet ist, um nach Außen beweglich zu sein.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird
das rohe Halbleitermaterial in einem Raum, der durch die Unterteilung
innerhalb der peripheren Wand des Tiegels definiert ist, geschmolzen
und verfestigt. Die Unterteilung bewegt sich nach Außen, um die
Expansion des Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung
zu absorbieren, die Spannung zu entspannen und somit einen hochqualitativen
polykristallinen Halbleiterblock herzustellen.
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In
einer vierten bevorzugten Ausführungsform
ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel in eine
Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden kann, und die Abschnitte
des Tiegels werden miteinander am Boden des Tiegels in einer Kammform
kombiniert, um nach Außen
gleitbar in einer Kammzinkenrichtung des Tiegels verschoben zu werden.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform, da
der Tiegel in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden kann,
die miteinander in einer Kammform am Boden des Tiegels kombiniert
werden, um in einer radialen Richtung des Tiegels nach Außen gleitbar
verschoben zu werden, selbst wenn das rohe Halbleitermaterial, das
im Tiegel geschmolzen wird, zum Zeitpunkt der Verfestigung expandiert,
wobei die Abschnitte des Tiegels in der radialen Richtung nach Außen verschoben
werden, um die Spannung zu entspannen, womit ein hochqualitativer
polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
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In
einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Einbringens von
Halbleiter-Saatkristallen auf dem Boden des Tiegels vor Beladen
des rohen Halbleitermaterials und ist dadurch charakterisiert, dass ein
Polykristall aus den Saatkristallen gezüchtet wird.
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Da
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der polykristalline Halbleiterblock aus den Saatkristallen, die
am Boden des Tiegels eingebracht wurden, gezüchtet wird, wird eine durch
Expansion der Saatkristalle hervorgerufene Spannung während des
Erhitzens durch den Tiegel entspannt, und die Verfestigung wird
in einem Zustand geringerer Spannungen begonnen, wodurch es möglich wird,
einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock herzustellen.
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In
einer sechsten bevorzugten Ausführungsform
ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das rohe Halbleitermaterial
ein Polysilicium darstellt.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform kann
ein hochqualitativer polykristalliner Block verfestigt in einer
Richtung unter Verwendung von reichlich Silicium hergestellt werden.
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In
einer siebten bevorzugten Ausführungsform
wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks
bereitgestellt, umfassend:
ein luftdichtes Gefäß, das in
der Lage ist, das Innere hiervon als inerte Umgebung aufrecht zu
erhalten;
einen Tiegel, angeordnet im luftdichten Gefäß, in den ein
rohes Halbleitermaterial beladen wird;
Erhitzungsmittel zum
Erhitzen eines oberen Teils des Tiegels, um das rohe Halbleitermaterial
zu schmelzen;
ein Trägerbett,
um den Boden des Tiegels darauf zu montieren, das in der Lage ist,
zu rotieren und sich auf und ab zu bewegen; und
Abkühlmittel
zum Abkühlen
des Trägerbetts,
worin
der Tiegel mit Entspannungsmitteln zum Entspannen einer Spannung,
hervorgerufen durch die Expansion des Halbleiters zum Zeitpunkt
dessen Verfestigung, vorgesehen ist.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform kann
ein polykristalliner Halbleiterblock, gezüchtet in einer Richtung von
einem unteren Teil zu einem oberen Teil, erhalten werden durch Anordnen
eines Tiegels in einem luftdichten Gefäß, das in der Lage ist, das
Innere hiervon als inerte Umgebung aufrechtzuerhalten, Laden eines
rohen Halbleitermaterials in den Tiegel und Erhitzen des Tiegels
vom oberen Teil, während
der Tiegel vom Boden gekühlt
wird. Die durch die Expansion des Halbleiters zum Zeitpunkt der
Verfestigung hervorgerufene Spannung kann durch Entspannungsmittel,
die in dem Tiegel enthalten sind, entspannt werden, und daher ist
es möglich, einen
hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock, der im wesentlichen
nicht durch die Spannung beeinträchtigt
wird, herzustellen.
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In
einer achten bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel eine
Doppelstruktur als Entspannungsmittel aufweist, und die Doppelstruktur
umfasst einen äußeren Tiegel,
einen inneren Tiegel und eine Lücke
zwischen dem äußeren und
inneren Tiegel.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform, da
eine Lücke
zwischen dem inneren Tiegel und dem äußeren Tiegel des doppelstrukturierten
Tiegels vorgesehen ist, deformiert sich der innere Tiegel gemäß der Expansion
des Halbleiters zum Zeitpunkt dessen Verfestigung, um die durch
die Expansion hervorgerufene Spannung zu entspannen, wodurch ein
hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
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In
einer neunten bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der innere Tiegel
aus einem Metallmaterial mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen
des rohen Halbleitermaterials und einer niedrigen Benetzbarkeit mit
dem geschmolzenen rohen Halbleitermaterial hergestellt wird.
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Da
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der innere Tiegel aus einem Metallmaterial mit einem höheren Schmelzpunkt
als das rohe Halbleitermaterial hergestellt ist, ist es möglich, dass
geschmolzene rohe Halbleitermaterial zu lagern, um das Material
in einer Richtung vom unteren Teil zum oberen Teil zu verfestigen.
Da das Material des Tiegels zusätzlich
eine schlechte Benetzbarkeit mit geschmolzenem rohem Halbleitermaterial
aufweist, ist es möglich,
das geschmolzene rohe Halbleitermaterial während der Verfestigung des
rohen Halbleitermaterials in die Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen
Feststoff und Flüssigkeit
zu bringen. Als Folge hiervon wird die Volumenexpansion zum Zeitpunkt der
Verfestigung absorbiert, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner
Halbleiterblock hergestellt wird.
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In
einer zehnten bevorzugten Ausführungsform
wird die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der innere Tiegel
eine periphere Wand von gebogener Form aufweist.
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Selbst
wenn gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
das rohe Halbleitermaterial im inneren Tiegel zum Zeitpunkt der
Verfestigung expandiert, wird die periphere Wand von gebogener Form
ohne weiteres deformiert, um die Spannung zu entspannen, wodurch
ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt
wird.
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In
einer elften bevorzugten Ausführungsform ist
die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Tiegel eine Unterteilung
innerhalb der peripheren Wand aufweist, die nach Außen beweglich
ist.
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Da
das rohe Halbleitermaterial gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
innerhalb eines Raums, der durch die Unterteilung definiert wird,
geschmolzen wird, und die Unterteilung zum Zeitpunkt der Verfestigung
des Halbleitermaterials nach Außen beweglich
ist, wird die durch die Expansion des Materials hervorgerufene Spannung
entspannt, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock
hergestellt wird.
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In
einer zwölften
bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass Puffermittel zwischen
dem Tiegel und der Unterteilung vorgesehen sind.
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Da
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
ein Bewegen der Unterteilung hinsichtlich der Expansion des Halbleitermaterials
zum Zeitpunkt der Verfestigung des geschmolzenen rohen Halbleitermaterials
durch die Puffermittel eingestellt wird, kann ein hochqualitativer
polykristalliner Halbleiterblock ohne Verursachen einer abrupten Änderung
der Spannung hergestellt werden. Zusätzlich ist es möglich, die
Saatkristalle in einer geeigneten Lage bei den anfänglichen
Herstellungsschritten einzubringen.
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In
einer dreizehnten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung
dadurch charakterisiert, dass die Puffermittel ein granuliertes
feuerfestes Material darstellen.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform wird
ein granuliertes feuerfestes Material, wie Sand oder Quarz, zwischen
der Unterteilung und dem Tiegel als Puffermittel angeordnet, wobei
die Bewegung der Unterteilung selbst unter Hochtemperatur-Umgebungsbedingungen
reibungslos eingestellt wird, um die durch die Expansion des rohen
Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung hervorgerufene Spannung
zu entspannen, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock
hergestellt wird.
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In
einer vierzehnten Ausführungsform
ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Tiegel in
eine Vielzahl von Abschnitten aufgeteilt werden kann, und die Abschnitte
des Tiegels werden miteinander in einer Kammform am Boden des Tiegels kombiniert,
um in einer radialen Richtung des Tiegels nach Außen gleitend
verschoben zu werden.
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Wenn
das rohe Halbleitermaterial gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
nach dem Schmelzen verfestigt wird, wird der Tiegel in eine Vielzahl
von Abschnitten aufgeteilt, um die Expansion des Halbleiters zu
absorbieren und die Spannung zu entspannen, so dass ein hochqualitativer
polykristalliner Halbleiterblock hergestellt werden kann.
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In
einer fünfzehnten
bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Tiegel aus
Kohlenstoff hergestellt ist.
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Da
der Tiegel gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
aus Kohlenstoff hergestellt ist, sind die Abschnitte, die in Kammform
am Boden des Tiegels kombiniert sind, gleitend reibungslos verschiebbar, so
dass die Expansion des rohen Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der
Verfestigung entspannt werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Andere
und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus
der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der Zeichnungen noch
expliziter beschrieben, worin:
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1 eine
vereinfachte Schnittfrontansicht darstellt, die schematisch einen
Aufbau gemäß einer bevorzugen
Ausführungsform
zeigt;
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2 eine
vereinfachte Schnittansicht darstellt, die eine Doppelstruktur,
einschließlich
eines äußeren Tiegels 1 und
eines inneren Tiegels 2 von 1 zeigt;
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3 eine
vereinfachte Schnittansicht darstellt, die eine Art und Weise zeigt,
in der eine Spannung durch Volumenexpansion von Silicium erzeugt wird,
wenn das Silicium direkt im Tiegel 1, wie in herkömmlicher
Art und Weise, verfestigt wird;
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4 eine
Schnittansicht darstellt, die schematisch einen Aufbau gemäß einer
weiteren Ausführungsform
zeigt;
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5 eine
Draufsicht auf eine Unterteilung 32, die in 4 gezeigt
ist, darstellt;
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6 eine
vereinfachte Schnittansicht darstellt, die einen Zustand zeigt,
in dem ein granuliertes feuerfestes Materia 36 als Puffermittel
zwischen einem Tiegel 31 und die Unterteilungen 32 in 4 geladen
wird;
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7A eine
Schnittfrontansicht und 7B eine
Draufsicht auf einen Tiegel gemäß noch einer weiteren
Ausführungsform
darstellt;
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8 ein
Flussdiagramm darstellt, das die Herstellungsschritte eines polykristalinen
Siliciumblocks gemäß der Ausführungsform
von 1 zeigt;
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9 ein
Diagramm darstellt, das eine Art und Weise zeigt, mit der die 16
Blöcke
aus einem Siliciumblock, hergestellt gemäß der Ausführungsform von 1,
herausgeschnitten werden;
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10A eine vereinfachte Draufsicht darstellt, die
einen Zustand zeigt, in dem die 16 Blöcke wie in 9 gezeigt,
herausgeschnitten und Seriennummern zugewiesen werden; und
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10B eine perspektivische Ansicht darstellt, die
einen Punkt zeigt, wo die Lebensdauer des zweiten Blocks gemessen
wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nunmehr
werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnungen bevorzugte
Ausführungsformen
beschrieben.
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1 ist
ein Diagramm, das schematisch einen Aufbau einer polykristallinen
Siliciumblock-Herstellungsvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
zeigt. Ein Tiegel 1 wird gebildet, um im wesentlichen radialsymmetrische
oder rechteckig-zylindrische Form zu haben, und ist aus Siliciumdioxid hergestellt.
Alternativ kann der Tiegel aus einem feuerfesten Material, wie Graphit,
Siliciumnitrid, Bornitrid oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt,
wie Tantal, Molybdän
oder Wolfram, hergestellt werden. Ein innerer Tiegel 2 kann
ebenfalls aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, wie Tantal,
Molybdän
oder Wolfram, gebildet sein. Der innere Tiegel 2 wird auf dem äußeren Tiegel 1 montiert,
so dass der Boden des inneren Tiegels auf der Bodenoberfläche des Tiegels 1 vorliegt,
und eine Lücke
wird zwischen der äußeren peripheren
Oberfläche
des inneren Tiegels 2 und der inneren peripheren Oberfläche des äußeren Tiegels 1 gebildet.
Die äußere periphere
Oberfläche
des äußeren Tiegels 1,
außer
dem oberen Teil des äußeren Tiegels 1,
wird mit einer Abdeckung 3 aus Graphit bedeckt. Der Boden
des äußeren Tiegels 1 wird
auf einem horizontalen Trägerbett 4 montiert. Das
Trägerbett 4 wird
auf einem Podest 5 montiert, das sowohl in einer radialen
Richtung als auch vertikalen Richtung verschoben werden kann. Die
Temperatur der Bodenoberfläche
des äußeren Tiegels 1 wird
durch ein Thermoelement 6 bestimmt.
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Eine
Induktionsheizspule 7 wird oberhalb des oberen Teils des
Tiegels 1 in einem Abstand vom Tiegel 1 angeordnet.
Wenn ein hochfrequenter Strom zur Induktionsheizspule 7 zugeführt wird,
wird ein Heizelement 8, hergestellt aus Graphit oder Kohlenstofffasern,
induktiv erhitzt. Das Heizelement 8 ist in einem Abstand
vom oberen Teil des Tiegels 1 angeordnet. Wenn das Heizelement 8 erhitzt
wird, wird der Tiegel 1 vom oberen Teil hiervon durch Wärmestrahlung
erhitzt. Ein thermisches Isolationsteil 9, hergestellt
aus Graphit oder Kohlenstofffasern, wird unterhalb und außerhalb
des Heizelements 8 angeordnet. Ein Pyrometer 10 wird
angebracht, um dem Inneren des inneren Tiegels 2 von der
oberen Seite des inneren Tiegels 2 gegenüber zu liegen.
Die Temperatur des Heizelements 8 wird durch ein Kontrollthermoelement 11 bestimmt.
Die Ausgaben vom Thermoelement 6 und dem Kontrollelement 11 werden
in einen Controller 12 eingegeben, wodurch die Erhitzungsbedingungen
durch die Induktionsheizspule 7 kontrolliert werden.
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Das
Podest 5 kann durch Kühlwasser
oder dergleichen, zugeführt
von einem Kühlmediumtank 13,
abgekühlt
werden. Ein alternatives Kühlmedium kann
verwendet werden. Das Podest 5 wird durch Antriebsmittel 14 angetrieben,
um um eine vertikale Linie, die durch den Mittelpunkt des Tiegels 1 verläuft, zu
rotieren und sich in vertikaler Richtung auf und ab zu bewegen.
Ein Silicium-Halbeitermaterial 15,
das in den inneren Tiegel 2 gegeben wurde, kann vom oberen
Teil nach unten zum Boden durch Erhitzen des inneren Tiegels 2 von
der oberen Seite hiervon durch die Induktionsheizspule 7 geschmolzen werden.
Zu diesem Zeitpunkt verursacht ein Rotieren des Podests 5 durch
die Antriebsmittel 14, dass das Silicium-Halbleitermaterial 15 im
inneren Tiegel 2 gleichmäßig erhitzt und geschmolzen
wird. Wenn das Podest 5 durch Kühlwasser aus dem Kühlmediumtank 13 abgekühlt wird,
beginnt sich das Silicium-Halbleitermaterial 15 im inneren
Tiegel 2 am Boden hiervon zu verfestigen. In dem Fall,
wo das Podest 5 durch die Antriebsmittel 14 nach
unten bewegt wird, um das Heizelement 8 weg vom Silicium-Halbleitermaterial 15 im
inneren Tiegel 2 zu verlagern, kann die Verfestigung nach
oben in einer Richtung vom Boden zum oberen Teil des inneren Tiegels 2 vorangetrieben
werden. Um zu verhindern, dass Sauerstoffgas oder Stickstoffgas
in das geschmolzene Silicium-Halbleitermaterial 15 eintritt,
ist die gesamte Vorrichtung in einem luftdichten Gefäß 16 untergebracht,
um von Außen
abgedichtet zu sein, und das luftdichte Gefäß 16 wird innerhalb
unter Vakuum oder inerter Umgebung durch ein Inertgas oder dergleichen
gehalten.
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2 zeigt
eine Doppelstruktur, zusammengesetzt aus dem Tiegel 1 und
dem inneren Tiegel 2, gezeigt in 1. Das als
Halbleitermaterial zuzugebende Silicium beträgt etwa 140 kg pro Charge.
Ein herzustellender Block hat einen Bodenbereich von 55 cm2. Wie oben beschrieben, wird der äußere Tiegel 1 aus
Siliciumdioxid (Quarz) hergestellt, und der innere Tiegel 2 wird
aus Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Tantal, hergestellt.
Der innere Tiegel 2 wird bevorzugt aus einem Material mit
einem hohen Wärmewiderstand
und einer geringen Benetzbarkeit für Silicium hergestellt. Für Molybdän und Wolfram
wurde bestätigt,
dass sie einen ähnlichen Effekt
wie Tantal haben.
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Eine
Lücke 21 wird
zwischen dem äußeren Tiegel 1 und
dem inneren Tiegel 2 gebildet. Ein vorheriger Test, der
durchgeführt
wurde, um einen Siliciumblock durch Änderung der Größe der Lücke 21 zwischen
15 mm, 20 mm und 30 mm herzustellen, zeigt, dass die Lücke 21 mit
einer anfänglichen
Größe von 15
oder 20 mm zum Zeitpunkt der Verfestigung des Blocks verschwindet,
um eine Spannung im äußeren Tiegel 1 hervorzurufen.
Alternativ verschwindet die Lücke 21 mit
einer anfänglichen
Größe von 30
mm ebenfalls nach allem, aber verursacht keine Spannung im äußeren Tiegel 1.
Dies zeigt an, dass die Lücke 21 mindestens
30 mm breit sein sollte.
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3 zeigt
eine durch die Volumenexpansion hervorgerufene Spannung, wenn Silicium
direkt im Tiegel 1 verfestigt wird. Im Falle, wo eine geschmolzene
Flüssigkeit
von Silicium 15a direkt zur Herstellung eines Siliciumblocks 15b im
herkömmlichen
Tiegel 1 verfestigt wird, verursacht die Volumenexpansion
des Siliciums eine Spannung aufgrund der Verformung des Blocks 15b,
weil die Volumenexpansion des Siliciums durch den peripheren Tiegel 1 begrenzt
wird. Im Gegensatz hierzu, wie in 2 gezeigt,
ist es im Fall, wo der innere Tiegel 1 zusammen mit dem
Block expandierbar ist, möglich,
die Spannung frei zu setzen, wodurch der Einfluss der Spannung bzw.
Verformung verringert wird.
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4 zeigt
eine polykristallinen Siliciumblock-Herstellungsvorrichtung vom
gleitenden Typ gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
Eine Unterteilung 32, hergestellt aus Siliciumdioxid, die
in einer radialen Richtung eines Tiegels 31 bewegbar ist,
wird innerhalb des Tiegels 31 angeordnet. Diese Unterteilung 32 bewegt
sich gemäß einer
thermischen Expansion des Blocks zum Zeitpunkt der Verfestigung des
Blocks, wodurch die Spannung entspannt wird. Eine Nut bzw. Fuge 33,
die im Boden des parallelepipedischen Tiegels 31 gebildet
wird, ermöglicht
vier Unterteilungen 32 miteinander kombiniert zu werden. Jede
Unterteilung 32, wie in 5 gezeigt,
hat hakenförmige
Vorsprünge 34,
die an ihren Seiten gebildet sind. Durch Kombinieren benachbarter
Unterteilungen 32 durch die Vorsprünge 34 kann der Raum, definiert
durch vier Unterteilungen 32, expandieren, während die
parallelpipedische Form dieses Raums beibehalten wird. Die Breite
der Lücke 35 zwischen dem
Tiegel 1 und der Unterteilung 32 in dem in 4 gezeigten
Zustand wird, wie in 3, auf 30 mm eingestellt. Wie
in 6 gezeigt, wird die Lücke 35 mit granuliertem
feuerfesten Material 36, wie Sand oder granularem Quarz,
bis zur Hälfte
der Höhe
der Unterteilungen 32 gefüllt. Folglich kann die Größe des Bodens
in den anfänglichen
Stadien der Verfestigung konstant gehalten werden.
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7 zeigt eine Struktur eines Tiegels 41 vom
aufteilbaren Typ gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform.
Der Tiegel 41 wird durch Kombinieren von zwei halben Tiegeln 42a, 42b gebildet,
so dass die zwei Tiegel an ihrem Boden einen kammförmigen Abschnitt 43 bilden. 7A zeigt
eine Schnittseitenansicht des Tiegels 41 im kombinierten
Zustand und 7B den kammförmigen Ab schnitt 43 in kombiniertem
Zustand. Durch Verteilen von Saatkristallen 45 über den
gesamten Boden des Tiegels 41, wie in 7A gezeigt,
wird die Möglichkeit
des Auslaufens von geschmolzenem Silicium eliminiert, wenn der kammförmige Abschnitt 43 in
eine derartige Richtung gleitet, dass die halben Tiegel 42a, 42b voneinander
zurückweichen,
um die Lückenbereite zu
vergrößern. Da
zusätzlich
die Saatkristalle 45 ebenfalls als Gewicht funktionieren,
können
Materialien, wie Kohlenstoff, mit spezifischem Gewicht wie Silicium
als Materialien für
die halben Tiegel 42a, 42b verwendet werden.
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Gemäß der Ausführungsform
von 1 sind Standardschritte zur Herstellung eines
polykristallinen Siliciumblocks in 8 gezeigt.
Das Verfahren beginnt mit Schritt a0, gefolgt von Schritt a1, in
dem der innere Tiegel 2 mit einem Polysilicium von etwa 140
kg beladen wird. In dieser Ausführungsform
hat der innere Tiegel 2 einen Boden von 55 cm2,
wie oben beschrieben, die Lückenbreite
zwischen dem inneren Tiegel 2 und dem äußeren Tiegel 1 beträgt 30 mm.
In Schritt a2 wird der mit Polysilicium beladene äußere Tiegel 1 auf
das Trägerbett 4 platziert,
das seinerseits auf dem Podest 5 montiert ist und danach werden
Vorbereitungen zum Erhitzen getroffen. Das Podest 5 wird
durch das Kühlwasser,
zugeführt
vom Kühlmediumtank 13,
gekühlt.
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In
Schritt a3 wird ein Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 7 kHz
zur Induktionsheizspule 7 zugeführt, um das Induktionsheizverfahren
zum Erhöhen
der Temperatur des Heizelements 8 zu beginnen. Der äußere Tiegel 1 und
das Polysilicium werden durch die vom Wärmeelement 8 abgestrahlte Wärme erhitzt.
Wenn die Temperatur etwa 1420°C erreicht,
was den Schmelzpunkt von Silicium darstellt, beginnt das Polysilicium
nach unten zu schmelzen. Da die Heizmittel oberhalb des Tiegels 1 und
die Kühlmittel
unterhalb des Tiegels 1 angeordnet sind, beginnt das Polysilicium
in dieser Ausführungsform nach
unten zu schmelzen. In Schritt a4 wird der zur Induktionsheizspule 7 zuzuführende elektrische Strom
kontrolliert, um die Ofentemperatur konstant zu halten. In Schritt
a5 werden ein Schmelzen des Polysiliciums und die Temperaturänderung
des Thermoelements 6 durch den Pyrometer 10 überwacht, gefolgt
von Schritt a6 zum allmählichen
Absenken der Innentemperatur des inneren Tiegels 2, während zur
gleichen Zeit das Podest 5 abgesenkt wird, um die Verfestigung
zu beginnen. Das Pyrometer 10 bestimmt nicht nur die Abstrahltemperatur
der Polysiliciumoberfläche,
sondern auch die Änderung
des Emissionsvermögens
zwischen einer flüssigen
Phase und einer festen Phase. Die Abkühlgeschwindigkeit beträgt beispielsweise
1°C/h. Das
Podest 5 wird mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/h abgesenkt.
Während
der Verfestigung wird das Trägerbett
mit einer Geschwindigkeit von 1 U/min rotiert, um den Effekt der
Temperaturverteilung abzuschwächen.
Schritt a7 bewertet, ob die Verfestigung vervollständigt wurde oder
nicht, basierend auf der Änderung
der Ausgabe des Heizoszillators oder dergleichen. Nach Beendigung
der Verfestigung wird in Schritt a8 ein Kühlverfahren begonnen, und nach
Beendigung des Kühlverfahrens
wird ein somit hergestellter Block entfernt. Das gesamte Verfahren
ist in Schritt a9 beendet.
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9 zeigt
eine Art und Weise, in der ein Block in 16 Blöcke mit einem Querschnitt von
125 mm2 geschnitten wird. Der Zweck des
Schneidverfahrens ist, vier äquidistante
Schneidränder
an den vier Seiten zu erhalten. 10A zeigt
16 Blöcke
mit entfernten Schneidrändern.
Es wird angenommen, dass jeder Block die Seiten N, W, S, E hat. 10B zeigt einen Punkt, an dem die Lebensdauer
für den zweiten
Block von 10A, angeordnet bei 100 mm vom
Boden auf der S-Oberfläche,
bestimmt wird. Der Lebensdauerwert für den Stand der Technik, bei
dem die Relaxation gegenüber
der Expansion nicht berücksichtigt
wird, beträgt
5 bis 7 μs.
Gemäß dieser
Erfindung wird der Lebensdauerwert der Blöcke jedoch so hoch angehoben
wie 10 bis 15 μs.
Der Vergleich an schraffierten Mittelpunktblöcken in 10A zeigt, dass
der Wert von 10 bis 15 μs
erhalten wird, sowohl im Stand der Technik als auch in den bevorzugten Ausführungsformen.
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Ein ähnlicher
Effekt wird mit einem Tiegel vom gleitfähigen Typ oder aufgeteilten
Typ genauso wie mit dem doppelstrukturierten Tiegel gemäß der obigen
Ausführungsform
erhalten. Die bevorzugten Ausführungsformen
sind mit gleicher Wirkung auf ein rohes Halbleitermaterial, außer Silicium,
anwendbar.
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Die
Erfindung kann in anderen spezifischen Formen, ohne vom Umfang hiervon
abzuweichen, ausgestaltet werden. Die vorliegenden Ausführungsformen
sollen daher als illustrativ und nicht beschränkend angesehen werden, der
Umfang der Erfindung wird eher durch die angefügten Ansprüche als durch die vorangehende
Beschreibung angegeben.