DE102006019854A1

DE102006019854A1 - Tiegelvorrichtung und Verfahren zum Verfestigen eines geschmolzenen Materials

Info

Publication number: DE102006019854A1
Application number: DE200610019854
Authority: DE
Inventors: Norichika Ichihara Yamauchi; Takehiko Yokohama Shimada
Original assignee: IIS Materials Corp Ltd
Current assignee: IIS Materials Corp Ltd
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20070028835A1; JP2006308267A; US7799133B2

Abstract

Eine Tiegelvorrichtung weist einen hohlen Tiegelkörper, welcher an seinem oberen und unteren Ende offen ist, und eine Bodenplatte auf, welche getrennt von dem Tiegelkörper ausgebildet ist und das untere Ende des Tiegelkörpers verschließen kann. Ein Raum zur Aufnahme eines geschmolzenen Materials ist ausgebildet, indem der Tiegelkörper auf der Bodenplatte angeordnet ist. Wenn geschmolzenes Material, welches in dem Raum aufgenommen ist, verfestigt worden ist, wird der Tiegelkörper von der Bodenplatte angehoben und das verfestigte Material wird von einem Ende des Tiegelkörpers hinausgeschoben und von dem Tiegelkörper entfernt.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Tiegelvorrichtung, welche verwendet werden kann, um ein geschmolzenes Material zu verfestigen, und ein Verfahren zum Verfestigen eines geschmolzenen Materials, wobei die Vorrichtung eingesetzt wird. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Tiegelvorrichtung und ein Verfestigungsverfahren, welche ideal zur Verfestigung von geschmolzenem Silicium sind, welches erhalten wird, indem Siliciumabfall geschmolzen und Verunreinigungen in dem Silizium verdampft werden.
Es ist wünschenswert, Siliciumabfall wieder zu verwenden, welcher sich bildet, wenn Silicium für Halbleiter gefertigt wird. Jedoch enthält Siliciumabfall in einigen Fällen Verunreinigungen (Dotiersubstanzen), so dass es, um solchen Siliciumabfall wieder zu verwenden, notwendig ist, zuerst die Verunreinigungen zu entfernen und die Reinheit des Siliciums zu erhöhen. Techniken zur Vakuumveredelung von Siliciumabfall, wobei ein Elektronenstrahl eingesetzt wird, sind entwickelt worden, um diese Aufgaben auszuführen. Bei der Vakuumveredelung werden Klumpen von Silicium, welche erhalten werden, indem Siliciumabfall zerbrochen wird, mit einem Elektronenstrahl bestrahlt und geschmolzen, um Verunreinigungen, welche in dem Siliciumabfall enthalten sind, zu verdampfen und die Reinheit des Siliciums zu erhöhen. Das geschmolzene Silicium wird dann in einem Tiegel verfestigt, um einen Siliciumrohling einer hohen Reinheit zu erhalten.

Bei dem vorab beschriebenen Verfahren zur Vakuumveredelung des Siliciums wird typischerweise ein Quarztiegel aus einem Stück, welcher demjenigen ähnlich ist, der in der veröffentlichten nicht geprüften japanischen Patentanmeldung 2002-226291 beschrieben ist, verwendet. Jedoch ist es notwendig, um verfestigtes Silicium aus solch einem Tiegel zu entfernen, den Tiegel zu zerstören, so dass der Tiegel nicht wieder verwendet werden kann. Ein Quarztiegel ist äußerst teuer, so dass die Anforderung, den Tiegel zu zerstören, die Kosten zur Verfeinerung von Siliciumabfall erhöht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Tiegelvorrichtung, welche wiederholt verwendet werden kann, und ein Verfestigungsverfahren, welches die Tiegelvorrichtung verwendet, bereit.

Eine Tiegelvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausbildungsform umfasst einen hohlen Tiegelkörper, welcher an seinem oberen Ende und seinem unteren Ende offen ist, und eine getrennt davon ausgebildete Bodenplatte, welche das untere Ende des Tiegelkörpers verschließen kann. Ein Raum zur Aufnahme eines geschmolzenen Materials wird ausgebildet, indem der Tiegelkörper auf der Bodenplatte angeordnet wird.

Der Tiegelkörper weist vorzugsweise in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt auf, um eine Herstellung des Tiegelkörpers wie auch das Entfernen von verfestigtem Material von dem Tiegelkörper zu erleichtern. Die Form der Bodenplatte ist nicht beschränkt, aber eine kreisförmige Form kann von dem Standpunkt einer Vereinfachung der Herstellung vorteilhaft sein. Verschiedene Materialien können für den Tiegelkörper und die Bodenplatte verwendet werden. Zum Beispiel können sie aus einem Material, wie z.B. Kupfer, ausgebildet werden, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt als Silicium aufweist, aber eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass die Oberfläche des Materials im Kontakt mit dem geschmolzenen Silicium abgekühlt werden kann, so dass das Material nicht das geschmolzene Silicium kontaminiert, indem es in dieses einschmilzt oder in dieses extrahiert. Alternativ kann es aus einem Material, wie z.B. Grafit ausgebildet werden, welches einen höheren Schmelzpunkt als Silicium aufweist, so dass das Material in einem ungekühlten Zustand verwendet werden kann, ohne in das geschmolzene Silicium einzuschmelzen oder in dieses zu extrahieren. Von einem praktischen Gesichtspunkt her, wird der Tiegelkörper vorzugsweise aus Kupfer oder Grafit ausgebildet und die Bodenplatte wird vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet.

Der Tiegelkörper kann einen Schlitz aufweisen, welcher von seinem oberen Ende bis zu seinem unteren Ende ausgebildet ist. Alternativ kann sich der Tiegelkörper verjüngen, so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als der Durchmesser seines unteren Endes ist. Wenn der Tiegelkörper einen Schlitz aufweist oder verjüngt ist, wirkt keine übermäßige Kraft auf den Tiegelkörper ein, wenn sich das geschmolzene Material während des Verfestigungsprozesses ausdehnt, so dass Risse verhindert werden können, welche sich während der Verfestigung in dem Tiegelkörper ausbilden.

Ein Verfestigungsverfahren gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst ein Anordnen eines Tiegelkörpers, welcher an seinem oberen Ende und seinem unteren Ende offen ist, über einer Bodenplatte, um einen Raum auszubilden, um ein geschmolzenes Material aufzunehmen, Schütten eines geschmolzenen Materials in den Raum, Verfestigen des geschmolzenen Materials in dem Tiegelkörper, Entfernen des Tiegelkörpers von der Bodenplatte, Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des verfestigten Materials in dem Tiegelkörper, und Entfernen des verfestigten Materials von dem Tiegelkörper durch ein Ende des Tiegelkörpers.

Vor dem Schütten des geschmolzenen Materials in den aufnehmenden Raum, welcher durch den Tiegelkörper und die Bodenplatte definiert ist, wird vorzugsweise ein festes Material auf dem Boden des Raums derart angeordnet, dass es im Wesentlichen den Boden des aufnehmenden Raums überdeckt. Das feste Material verhindert, dass geschmolzenes Material, welches in den Raum geschüttet wird, direkt die Bodenoberfläche des Raumes berührt, wodurch verhindert werden kann, dass sich Bestandteile des Tiegels mit dem geschmolzenen Material aufgrund eines thermischen Schocks vermischen. Das feste Material umfasst vorzugsweise dieselben Substanzen wie das geschmolzene Material. Wenn zum Beispiel das geschmolzene Material raffiniertes Silicium umfasst, umfasst das feste Material vorzugsweise Klumpen von vorher raffiniertem Silicium.

Gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform weist eine Tiegelvorrichtung eine Mehrzahl von hohlen Tiegelkörpern, wobei jeder an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, und einen drehbaren Tisch auf, welcher die Mehrzahl der Tiegelkörper halten und die unteren Enden der Tiegelkörper verschließen kann. Eine Mehrzahl von aufnehmenden Räumen zum Aufnehmen von geschmolzenem Material wird definiert, indem die Tiegelkörper auf dem drehbaren Tisch angeordnet werden. Aufgrund des Vorhandenseins einer Mehrzahl von Tiegelkörpern, ist es möglich, einen höheren Durchsatz bei einer gleichzeitigen Herstellung einer Mehrzahl von Siliciumrohlingen zu erzielen.

Die Tiegelkörper weisen vorzugsweise in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt auf, um ihre Herstellung wie auch ein Entfernen von verfestigtem Material von den Tiegelkörpern zu erleichtern. Der drehbare Tisch ist nicht auf irgendeine besondere Form beschränkt, aber er ist typischerweise kreisförmig, um eine Herstellung zu erleichtern. Die Tiegelkörper sind vorzugsweise aus Kupfer oder Grafit ausgebildet, und der drehbare Tisch ist vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet.

Jeder Tiegelkörper kann einen Schlitz aufweisen, welcher von seinem oberen Ende zu seinem unteren Ende ausgebildet ist. Alternativ kann jeder Tiegelkörper verjüngt sein, so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als der Durchmesser seines unteren Endes ist. Wie vorab beschrieben ist, wirkt, wenn ein Tiegelkörper einen Schlitz aufweist oder verjüngt ist, keine übermäßige Kraft auf den Tiegelkörper ein, wenn sich das geschmolzene Material während des Verfestigungsprozesses ausdehnt, so dass verhindert werden kann, dass sich Risse in dem Tiegelkörper ausbilden.

Ein Verfestigungsverfahren gemäß einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst Anordnen einer Mehrzahl von Tiegelkörper, welche an ihren oberen und unteren Enden offen sind, auf einem drehbaren Tisch, um eine Mehrzahl von aufnehmenden Räumen zum Aufnehmen eines geschmolzenen Materials zu definieren, Drehen des drehbaren Tisches und nachfolgendes Anordnen jedes aufnehmenden Raums in eine Position, um nacheinander ein geschmolzenes Material aufzunehmen und das geschmolzene Material in jeden aufnehmenden Raum zu schütten, Verfestigen des geschmolzenen Materials innerhalb jedes aufnehmenden Raumes, Entfernen jedes Tiegelkörpers von dem drehbaren Tisch, Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des verfestigten Materials in jedem Tiegelkörper, wobei sich der Tiegelkörper in einem umgekehrten Zustand befindet, und Entfernen des verfestigten Materials von jedem Tiegelkörper durch ein Ende des Tiegelkörpers.

Vor dem Schütten des geschmolzenen Materials in die aufnehmenden Räume, welche durch die Tiegelkörper definiert werden, wird vorzugsweise ein festes Material auf den Boden jedes aufnehmenden Raumes derart eingeführt, dass es im Wesentlichen den Boden des aufnehmenden Raumes überdeckt. In derselben Weise, wie es vorab beschrieben ist, verhindert das feste Material, dass geschmolzenes Material, welches in den Raum geschüttet wird, die Bodenoberfläche des Raumes direkt berührt, wodurch verhindert wird, dass sich Bestandteile des Tiegels mit dem geschmolzenen Material aufgrund eines thermischen Schocks vermischen. Das feste Material umfasst vorzugsweise dieselbe Substanz wie das geschmolzene Material.

Mit einer Tiegelvorrichtung und einem Verfestigungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Tiegelkörper wiederholt verwendet werden, so dass nicht nur die Materialkosten zur Raffination verringert werden können, sondern auch ein Entfernen des verfestigten Materials erleichtert wird, so dass die Raffination effizient ausgeführt werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematischer Aufriss einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung, welche mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung ausgestaltet ist.
2 ist ein aufgeschnittener Aufriss welcher den Zustand darstellt, in welchem sich ein Siliciumrohling in Eingriff mit dem Auswerferstab der 1 befindet, um den Rohling von einem Tiegelkörper zu entfernen.
3 ist ein Aufriss einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung.
4 ist eine Darstellung der Tiegelvorrichtung der 3 von oben.
5 ist ein schematischer Aufriss einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung, welche eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung einsetzt.
6 ist eine Draufsicht der Tiegelvorrichtung der 5.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt schematisch eine Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung dar, welche mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung ausgestaltet ist. Wie in 1 dargestellt ist, weist die Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung eine Vakuumkammer 10 auf, in welcher ein kippbarer Herd 11, eine Materialzufuhreinheit 13 und eine Tiegelvorrichtung 20 vorhanden sind. Klumpen von Silicium, welche vorher durch Brechen von Siliciumresten erhalten werden, werden aufeinander folgend von der Zufuhreinheit 13 dem Herd 11 zugeführt, in welchem sie durch einen Elektronenstrahl von einer Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12, die sich an dem oberen Ende der Vakuumkammer 10 befindet, geschmolzen werden. Das Schmelzen verdampft Verunreinigungen, welche in den Siliciumresten enthalten sind, um geschmolzenes Silicium einer hohen Reinheit zu erhalten. Der Herd 11 wird dann gekippt und geschmolzenes Silicium wird von dem Herd 11 in die Tiegelvorrichtung 20 geschüttet. Das geschmolzene Silicium wird innerhalb der Tiegelvorrichtung 20 verfestigt, um einen Siliciumrohling einer hohen Reinheit auszubilden.
Die Tiegelvorrichtung 20 umfasst einen hohlen Tiegelkörper 21, welcher an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, und eine kreisförmige Bodenplatte 22, welche das untere Ende des Tiegelkörpers 21 verschließt. Der Tiegelkörper 21 weist in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Bodenplatte 22 ist fest auf einer Trägerwelle 23 angebracht, während der Tiegelkörper 21 frei auf der Bodenplatte 22 ruht. Der Tiegelkörper 21 ist aus Kupfer hergestellt und verjüngt sich über seiner Länge, so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als der Durchmesser seines unteren Endes ist. Da Kupfer einen Schmelzpunkt besitzt, welcher niedriger als derjenige des Siliciums ist, werden sowohl der Tiegelkörper 21 als auch die Bodenplatte 22 vorzugsweise gekühlt, während sie sich im Kontakt mit dem geschmolzenen Silicium befinden, indem sie durch Wasser gekühlt werden, welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserzufuhr zugeführt wird und durch einen Kühlwasserdurchgang in thermischer Verbindung mit den Oberflächen des Tiegelkörpers 21 und der Bodenplatte 22, welche das geschmolzene Silicium berühren, zirkuliert. Zum Beispiel können sowohl der Tiegelkörper 21 als auch die Bodenplatte 22 eine Doppelwandstruktur mit einem Durchgang für Kühlwasser, welcher in ihrem Inneren ausgebildet ist, aufweisen. Alternativ können Leitungen für Kühlwasser an einer äußeren Oberfläche des Tiegelkörpers 21 und der Bodenplatte 22 angebracht sein und daran mittels Schweißen oder eines anderen Verfahrens befestigt sein, welches ermöglicht, dass Hitze zwischen den Leitungen und dem Tiegelkörper und der Bodenplatte abgeleitet wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein spiralförmiger Kühlwasserdurchgang auf dem Inneren des Tiegelkörpers 21 ausgebildet und ein Spiralkühlwasserdurchgang ist auf dem Inneren der Bodenplatte 22 ausgebildet. Da der Tiegelkörper 21 einfach auf der Bodenplatte 22 ruht, können winzige Zwi schenräume zwischen dem Tiegelkörper 21 und der Bodenplatte 22 vorhanden sein, aber aufgrund der Viskosität und der Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliciums fließt das geschmolzene Silicium nicht durch die winzigen Zwischenräume nach außen.
Die sich verjüngende Form des Tiegelkörpers 21 ermöglicht dem geschmolzenen Material, sich innerhalb des Tiegelkörpers 21 auszudehnen, ohne übermäßige Belastungen in dem Tiegelkörper 21 zu erzeugen. Je größer der Verjüngungswinkel ist, desto geringer sind die Belastungen, welche auf die Wand des Tiegelkörpers 21 einwirken, aber wenn sich der Verjüngungswinkel erhöht, vergrößert sich der Durchmesser des oberen Endes des Tiegelkörpers und es wird mehr Raum benötigt, um den Tiegelkörper 21 aufzubewahren oder den Tiegelkörper 21 in der Vakuumkammer 10 aufzunehmen. Wenn der Verjüngungswinkel des Tiegelkörpers 21 groß ist, nimmt darüber hinaus der sich ergebende Siliciumrohling eine ungeeignete Form an. Daher liegt von einem praktischen Standpunkt her gesehen der Verjüngungswinkel (der Winkel der inneren Oberfläche des Tiegelkörpers 21 bezüglich der Achse des Tiegelkörpers 21) vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 20 Grad. Wenn der Durchmesser des Tiegelkörpers 21 kleiner als 200mm ist, liegt der Verjüngungswinkel vorzugsweise in dem Bereich von 10 bis 20 Grad und wenn der Durchmesser des Tiegelkörpers mindestens 200mm beträgt, liegt der Verjüngungswinkel vorzugsweise in dem Bereich von 5 bis 20 Grad. Ein spezielles Beispiel für Abmessungen des Tiegelkörpers 21 weist eine Höhe von 700mm, einen Durchmesser für das untere Ende von 250mm und einen Durchmesser für das obere Ende von 335mm auf, was einen Verjüngungswinkel von ungefähr 6 Grad ergibt.
Ein Auswerferstab 31 ist auf der Außenseite der Vakuumkammer 10 vorhanden. Der Auswerferstab 31 ragt von der Mitte einer Trägerbasis nach oben. Der Tiegelkörper 21 wird von dem Inneren der Vakuumkammer 10 über den Auswerferstab 31 durch ein nicht dargestelltes Fördermittel transportiert, und die Bodenoberfläche eines Siliciumrohlings SI, welcher durch Verfestigung des geschmolzenen Siliciums innerhalb des Tiegelkörpers 21 ausgebildet ist, berührt den Auswerferstab 31. Wie in 2 dargestellt ist, wird der Siliciumrohling SI dann aus dem Tiegelkörper 21 geschoben während er von dem Auswerferstab 31 berührt wird, indem der Auswerferstab 31 nach oben bewegt wird und/oder indem der Tiegelkörper 21 nach unten bewegt wird, um eine relativ Bewegung des Auswerferstabs 31 und des Tiegelkörpers 21 zu erzeugen. Der Siliciumrohling SI, welcher aus dem Tiegelkörper 21 geschoben wurde, wird entweder per Hand oder durch ein getrenntes Fördermittel zu einer vorgeschriebenen Stelle befördert.
Die Materialzufuhreinheit 13 kann irgendeine Vorrichtung sein, welche in der Lage ist, ein Material zur Raffination dem Herd 11 in kontrollierten Mengen zuzuführen während innen ein Vakuum herrscht. Ein Beispiel einer geeigneten Materialzufuhreinheit 13 ist ein kommerziell verfügbarer Vibrationsförderer (z.B. ein Schüttgutbehälter von einem JA-Typ von SANKI Co., Ltd.), welcher für einen Einsatz in einem Hochtemperaturvakuum modifiziert ist, indem zum Beispiel Teile, welche aus Eisen hergestellt sind, durch Teile, welche aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, ersetzt werden, um eine Ausbildung von Rost in dem Hochtemperaturvakuum zu verhindern, und indem ein gewöhnliches Schmiermittel mit einem Schmiermittel zum Einsatz in einem Vakuum ersetzt wird. Beispiele von anderen Typen von Mechanismen, welche als die Materialzufuhreinheit 13 anstelle eines Vibrationsförderers eingesetzt werden können, sind eine Kombination eines Behälters und eines Schneckenabgebers, eine Kombination eines Behälters und eines Klappenmechanismus, eine Kombination eines Behälters und eines Manipulators und eine Kombination eines Behälters und eines Fördermittels.
Der Betrieb der Raffinationsvorrichtung der 1 und eines Verfestigungsverfahren, welches die Tiegelvorrichtung 20 verwendet, wird im Folgenden beschrieben. Vor dem Beginn der Raffination wird der Tiegelkörper 21 auf der Bodenplatte 22 angeordnet, um einen aufnehmenden Raum zur Aufnahme von geschmolzenem Silicium zu definieren. Die Materialzufuhreinheit 13 wird dann mit zu raffinierenden Siliciumklumpen gefüllt. Ein Vakuum wird dann in der Vakuumkammer 10 errichtet und die Siliciumklumpen werden von der Materialzufuhreinheit 13 dem Herd 11 zugeführt, in welchem sie durch einen Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12 geschmolzen werden. Das raffinierte geschmolzene Silicium, welches sich ergibt, wird von dem Herd 11 in die Tiegelvorrichtung 20 geschüttet, in welcher es sich verfestigt, um einen Siliciumrohling SI auszubilden. Nach Abschluss der Verfestigung wird das Innere der Vakuumkammer 10 auf Atmosphärendruck zurückversetzt, eine nicht dargestellte Rohlingentladeöffnung der Vakuumkammer 10 wird geöffnet und der Tiegelkörper 21, welcher den Siliciumrohling SI enthält, wird von der Bodenplatte 22 entfernt und durch die Rohlingabgabeöffnung durch ein nicht dargestelltes Fördermittel aus der Vakuumkammer 10 bewegt. Der Tiegelkörper 21 wird zu einer Position über dem Auswerferstab 31 befördert. Das Silicium klebt nicht an dem wassergekühlten Kupfer, welches die Bodenplatte 22 ausbildet, und der Tiegelkörper 21 ruht lediglich auf der Bodenplatte 22, so dass der Tiegelkörper 21 einfach von der Bodenplatte 22 entfernt werden kann, wenn er aus der Vakuumkammer 10 befördert wird. Wenn der Tiegelkörper 21 über dem Auswerferstab 31 angeordnet ist, wird die Bodenoberfläche des Siliciumrohlings SI innerhalb des Tiegelkörpers 21 durch den Auswerferstab 31 berührt und, wie es in 2 dargestellt ist, der Siliciumrohlings SI nach oben und aus dem Tiegelkörper 21 heraus geschoben. Die Benetzbarkeit des Kupfers, welches den Tiegelkörper 21 ausbildet, durch Silicium ist gering, so dass der Siliciumrohling SI leicht aus dem Tiegelkörper 21 heraus geschoben werden kann.
Vor dem Schütten des geschmolzenen Siliciums in den aufnehmenden Raum wird vorzugsweise ein festes Material in der Form von Klumpen von raffiniertem Silicium SG auf dem Bodenabschnitt des aufnehmenden Raums derart angeordnet, dass es nahezu die Bodenoberfläche des aufnehmenden Raums überdeckt. Wenn anschließend das geschmolzene Silicium in den aufnehmenden Raum geschüttet wird, kann durch die Siliciumklumpen SG verhindert werden, dass es direkt die Bodenoberfläche des aufnehmenden Raums berührt, so dass verhindert werden kann, dass sich Bestandteile des Tiegelkörpers 21 oder der Bodenplatte 22 aufgrund des thermalen Schocks in das geschmolzene Silicium mischen. Die Größe der Klumpen des raffinierten Siliciums SG ist vorzugsweise derart, dass die Klumpen leicht in dem geschmolzenen Silicium, welches von dem Herd 11 in den Tiegelkörper 21 geschüttet wird, schmelzen.
Bei dieser Ausführungsform wird der Tiegelkörper 21 über dem Auswerferstab 31 angeordnet, wobei das Ende des Tiegelkörpers 21 mit dem großen Durchmesser nach oben weist, aber alternativ kann der Tiegelkörper 21 in einem umgekehrten Zustand unter dem Auswerferstab angeordnet werden, wobei das Ende mit dem großen Durchmesser nach unten weist, und der Auswerferstab 31 kann den Siliciumrohling SI von oben berühren, um den Siliciumrohling SI aus dem Tiegelkörper 21 zu entfernen.
3 und 4 stellen eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung 20 dar. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Tiegelvorrichtung 20 einen zylindrischen Tiegelkörper 21, welcher aus Grafit hergestellt ist und welcher an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, und eine kreisförmige Bodenplatte 22, welche das untere Ende des Tiegelkörpers 21 abschließt.
Der Tiegelkörper 21 kann auf der Bodenplatte 22 in der gleichen Weise, wie bei der vorherigen Ausführungsform angeordnet werden. Ein Schlitz 24 ist vollständig durch die Wanddicke des Tiegelkörpers 21 über seine gesamte Länge von seinem oberen Ende bis zu seinem unteren Ende ausgebildet. Der Schlitz 24 ermöglicht, dass sich der Tiegelkörper 21 in der radialen Richtung und in der Umfangsrichtung verformen kann. Die Bodenplatte 22 ist aus Kupfer hergestellt, und wie bei der vorherigen Ausführungsform ist ein spiralförmiger Durchgang in ihrem Inneren ausgebildet, durch welchen Kühlwasser, welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserzufuhr zugeführt wird, zirkulieren kann. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Grafit ist es bezüglich des Tiegelkörpers 21 nicht notwendig, für durchlaufendes Kühlwasser zu sorgen. Die Breite des Schlitzes 24 liegt typischerweise bei 3–10mm, wenn der Tiegelkörper 21 für die Verfestigung des geschmolzenen Siliciums eingesetzt wird. Aufgrund seiner Viskosität und seiner Oberflächenspannung fließt geschmolzenes Silicium, welches in den Tiegelkörper 21 geschüttet wird, nicht durch den Schlitz 24 aus dem Tiegelkörper 21 heraus. Während des Einsatzes der Ausführungsform der Tiegelvorrichtung 20 kann sich, wenn sich geschmolzenes Silicium, welches in die Tiegelvorrichtung 20 geschüttet wird, während des Prozesses der Verfestigung ausdehnt, der Tiegelkörper 21 mit dem sich verfestigenden Silicium aufgrund des Vorhandenseins des Schlitzes 24 ausdehnen, so dass keine übermäßige Kraft auf den Tiegelkörper 21 einwirkt und keine Gefahr einer Beschädigung des Tiegelkörpers 21 besteht. Bei diesem Beispiel ist die Breite des Schlitzes 24 3–10mm, aber wenn diese Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung für die Verfestigung eines anderen Materials als Silicium eingesetzt wird, kann die Breite des Schlitzes 24 gemäß der Viskosität und der Oberflächenspannung des Materials in einem anderen Bereich eingestellt werden, so dass das geschmolzene Material nicht durch den Schlitz 24 aus dem Tiegelkörper 21 entweicht. Diese Ausführungsform kann mit einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung verwendet werden, um geschmolzenes Silicium zu verfestigen und um einen Siliciumrohling in im Wesentlichen derselben Weise wie bei der Ausführungsform der 1 auszubilden. Bei der momentanen Ausführungsform dehnt sich der Schlitz 24 in einer geraden Linie in der vertikalen Richtung aus. Der Schlitz 24 muss jedoch nicht gerade oder vollständig vertikal sein. Zum Beispiel kann er spiralförmig oder S-förmig sein.
Eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung wird im Folgenden mit Bezug auf 5 und 6 beschrieben. 5 ist ein schematischer Aufriss einer Elektronenstrahlraffinationsvorrichtung, welche diese Ausfüh rungsform einer Tiegelvorrichtung einsetzt, und 6 ist eine Draufsicht der Tiegelvorrichtung der 5. Die Gesamtstruktur der Raffinationsvorrichtung, welche in 5 dargestellt ist, ist zu derjenigen der Raffinationsvorrichtung der 1 ähnlich, so dass dieselben Komponenten wie in 1 mit denselben Symbolen bezeichnet werden und sich die folgende Erläuterung auf Komponenten konzentriert, welche in der Struktur unterschiedlich zu der 1 sind.
Wie in 5 dargestellt ist, ist ein kippbarer Herd 11, eine Materialzufuhreinheit 13 und eine Tiegelvorrichtung 50 in einer Vakuumkammer 10 angeordnet. Eine Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12 ist in dem oberen Abschnitt der Vakuumkammer 10 vorhanden, um Siliciumklumpen in dem Herd 11 mit einem Elektronenstrahl zu bestrahlen.
Diese Ausführungsform einer Tiegelvorrichtung 50 weist auf eine Mehrzahl von hohlen Tiegelkörpern 51, welche an ihren oberen und unteren Enden offen sind, einen kreisförmigen drehbaren Tisch 52, welcher die Mehrzahl der Tiegelkörper 51 lagert und ihre unteren Enden verschließt, eine Trägerwelle 53, welche den drehbaren Tisch 52 trägt, und einen Positionierungsmechanismus, welcher den drehbaren Tisch 52 derart drehen kann, dass er die Tiegelkörper 51 in vorgeschriebenen Drehstellungen positionieren kann. Der Positionierungsmechanismus weist einen Antriebsmechanismus 54, um den drehbaren Tisch 52 zu drehen, und einen nicht dargestellten Sensor auf, um die Drehstellung des drehbaren Tisches 52 zu erfassen. Der Antriebsmechanismus 54 kann entweder innerhalb oder außerhalb der Vakuumkammer 10 angeordnet sein und kann genau den drehbaren Tisch 52 drehen oder die Trägerwelle 53 kann an dem drehbaren Tisch 52 befestigt sein und der Antriebsmechanismus 54 kann den drehbaren Tisch 52 drehen, indem er die Trägerwelle 53 dreht. Es ist von einem Standpunkt der Herstellung im Allgemeinen einfacher, den Antriebsmechanismus 54 außerhalb der Vakuumkammer bereitzustellen, so dass er nicht die Fähigkeit aufweisen muss, in einem Vakuum zu arbeiten. Der Antriebsmechanismus 54 kann irgendeinen Typ eines herkömmlichen Mechanismus aufweisen, um eine gesteuerte Drehbewegung zu erzeugen, wie z.B. einen Elementmotor, welcher mit einem Untersetzungsgetriebe ausgestattet ist. Der Sensor kann irgendeine Vorrichtung sein, welche in der Lage ist, die Drehstellung des drehbaren Tisches zu bestimmen, wie z.B. ein herkömmlicher Encoder, welcher die Drehung des Motors des Antriebsmechanismus 54, der Trägerwelle 53 oder des drehbaren Tisches 52 selbst erfasst. Bei der dargestellten Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Magneten 55 an der Bodenober fläche des drehbaren Tisches 52 mit vorgeschriebenen Abständen (wie zum Beispiel alle 120 Grad) befestigt und ein Magnetsensor befindet sich in der Nähe des drehbaren Tisches 52, wo er die Magnete 55 erfassen kann. Ein Ausgangssignal von dem Sensor kann einer nicht dargestellten Steuerung bereitgestellt werden, welche den Antriebsmechanismus 54 gemäß dem Signal von dem Sensor steuert.
Wie in 6 dargestellt ist, umfasst bei dieser Ausführungsform die Tiegelvorrichtung 50 drei Tiegelkörper 51, welche mit gleichen Abständen in der Umfangsrichtung auf dem drehbaren Tisch 52 angeordnet sind. Obwohl es in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, sind zylindrische Vertiefungen zur Positionierung der Tiegelkörper 51 in der oberen Oberfläche des drehbaren Tisches 52 mit gleichen Abständen in der Umfangsrichtung vorhanden. Der Durchmesser der zylindrischen Vertiefungen ist etwas größer als der Durchmesser des unteren Endes des Tiegelkörpers 51. Jeder Tiegelkörper 51 ist aus Kupfer hergestellt und verjüngt sich wie der Tiegelkörper 21 der 1, so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als der Durchmesser des unteren Endes ist. Alternativ könnte jeder Tiegelkörper 51, anstatt dass er verjüngt ist, einen Längsschlitz in ähnlicher Weise wie der in 3 dargestellte Tiegelkörper 21 aufweisen. Ein spiralförmiger Durchgang, durch welchen Kühlwasser, welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserquelle zugeführt wird, durchgeführt werden kann, ist in dem Inneren jedes Tiegelkörpers 51 ausgebildet. Der drehbare Tisch 52 ist auch aus Kupfer hergestellt und in Stellen, welche jede den zylindrische Vertiefungen entsprechen, ist ein Spiraldurchgang ausgebildet, durch welchen Kühlwasser, welches von einer nicht dargestellten Kühlwasserzufuhr zugeführt wird, verlaufen kann.
Bei dieser Ausführungsform dreht der Positionierungsmechanismus den drehbaren Tisch 52 jeweils um 120 Grad, wodurch die Mehrzahl der Tiegelkörper 51 aufeinander folgend unterhalb einer Siliciumschüttposition angeordnet werden kann, in welcher geschmolzenes Silicium von dem Herd 11 in einen der Tiegelkörper 51 geschüttet werden kann.
Ein Auswerferstab 41 befindet sich auf der Außenseite der Vakuumkammer 10. Ein Tiegelkörper 51, welcher in einer Abgabeposition auf dem drehbaren Tisch 52 angeordnet ist, kann durch ein nicht dargestelltes Fördermittel über eine Trägerbasis unter den Auswerferstab 41 transportiert werden. Der Tiegelkörper 51 wird in einer umgekehrten Stellung über der Trägerbasis angeordnet, bei welcher das Ende des Tiegelkörpers 51, welches nach unten weist, solange sich der Tiegel körper 51 auf dem drehbaren Tisch 52 befand, (das Ende mit dem kleineren Durchmesser) nun nach oben weist. In diesem Zustand wird der Auswerferstab 41 abgesenkt, um die obere Oberfläche des Siliciumrohlings innerhalb des Tiegelkörpers 51 zu berühren. Indem der Auswerferstab 41 gegen den Siliciumrohling drückt, wird der Siliciumrohling innerhalb des Tiegelkörpers 51 nach unten bewegt und von dem Tiegelkörper 51 getrennt. Der Tiegelkörper 51 wird dann entfernt und der Siliciumrohling verbleibt über der Trägerbasis, von welcher er per Hand oder durch ein getrenntes Fördermittel zu einer vorgeschriebenen Stelle bewegt werden kann.
Als nächstes wird der Betrieb der Raffinationsvorrichtung der 5 und insbesondere ein Verfestigungsverfahren, welches die Tiegelvorrichtung 50 einsetzt, beschrieben. Vor dem Beginn der Raffination werden drei Tiegelkörper 51 auf dem drehbaren Tisch 52 angeordnet, um drei aufnehmende Räume zum Aufnehmen von geschmolzenem Silicium zu definieren, wobei einer der Tiegelkörper 51 in einer Siliciumschüttposition unterhalb des Herdes 11 angeordnet wird. Die Materialzufuhreinheit 13 wird mit zu raffinierenden Klumpen gefüllt. Wie bei den vorherigen Ausführungsformen wird vorzugsweise ein festes Material in der Form von Klumpen von raffiniertem Silicium SG auf dem Bodenabschnitt jedes aufnehmenden Raumes derart angeordnet, dass es nahezu die Bodenoberfläche des aufnehmenden Raumes überdeckt. Das Innere der Vakuumkammer 10 wird dann luftleer gemacht, um ein Vakuum auszubilden, Siliciumklumpen von der Materialzufuhreinheit 13 werden dem Herd 11 zugeführt und die Siliciumklumpen in dem Herd 11 werden mit einem Elektronenstrahl von der Elektronenstrahlerzeugungseinheit 12 bestrahlt, um sie zu schmelzen und Verunreinigungen von dem geschmolzenen Silicium zu verdampfen. Das sich ergebende raffinierte geschmolzene Silicium wird dann von dem Herd 11 in den Tiegelkörper 51 geschüttet, welcher in der Siliciumschüttposition angeordnet ist. Wenn der Tiegelkörper 51, welcher in der Siliciumschüttposition angeordnet ist, bis zur einem vorgeschriebenen Niveau mit geschmolzenem Silicium gefüllt ist, wird der Positionierungsmechanismus 54 betätigt und der drehbare Tisch 52 wird gedreht, um den nächsten Tiegelkörper 51 zu der Siliciumschüttposition zu bewegen. Wenn der nächste Tiegelkörper 51 geeignet angeordnet ist, werden wiederum Siliciumklumpen von der Materialzufuhreinheit 13 dem Herd 11 zugeführt, die Siliciumklumpen werden durch einen Elektronenstrahl geschmolzen, um das Silicium zu raffinieren, und das sich ergebende raffinierte geschmolzene Silicium wird von dem Herd 11 in den Tiegelkörper 51 geschüttet, welcher in der Siliciumschüttposition angeordnet ist. Wenn der Tiegelkörper 51, welcher in der Siliciumschüttposition angeordnet ist, bis zu einem vorgeschriebenen Niveau mit geschmolzenen Silicium gefüllt ist, wird der Positionierungsmechanismus 54 wieder betätigt und der drehbare Tisch 52 wird gedreht, um den nächsten Tiegelkörper 51 zu der Siliciumschüttposition zu bewegen. Das vorab beschriebene Verfahren wird dann wiederholt und raffiniertes geschmolzenes Silicium wird in den Tiegelkörper 51 geschüttet, welcher in der Siliciumschüttposition angeordnet ist. Bei dem vorab beschriebenen Verfahren werden zu raffinierende Siliciumklumpen dem Herd 11 von der Materialzufuhreinheit 13 jeweils zugeführt, wenn geschmolzenes Silicium in einen der Tiegelkörper 51 geschüttet ist, aber die Siliciumklumpen können dem Herd 11 auch in größeren Zeitabständen zugeführt werden.
Nachdem die Verfestigung des geschmolzenen Siliciums innerhalb jedes der Tiegelkörper 51 abgeschlossen ist, wird das Innere der Vakuumkammer 10 auf einen Atmosphärendruck zurückgesetzt, und eine nicht dargestellte Rohlingsabgabeöffnung in der Vakuumkammer 10 wird geöffnet. Die drei Tiegelkörper 51 innerhalb der Vakuumkammer 10 werden nacheinander zu einer Rohlingsabgabeposition bewegt und sie werden durch ein nicht dargestelltes Fördermittel durch die Rohlingsabgabeöffnung aus der Vakuumkammer 10 befördert. Jeder Tiegelkörper wird in einem umgekehrten Zustand auf der Trägerbasis angeordnet, d.h. das Ende mit dem kleineren Durchmesser des Tiegelkörpers 51 weist nach oben. Wenn sich einer der Tiegelkörper 51 über der Trägerbasis unterhalb des Auswerterstabes 41 befindet, wird der Auswerferstab 41 abgesenkt und in Kontakt mit der oberen Oberfläche des Siliciumrohlings SI innerhalb des Tiegelkörpers 51 gebracht, um den Siliciumrohling SI von dem Tiegelkörper 51 zu trennen. Der Tiegelkörper 51 wird dann entfernt und der Siliciumrohling, welcher auf der Trägerbasis verbleibt, wird per Hand oder durch ein getrenntes Fördermittel zu einer vorgeschriebenen Position befördert.
Bei den vorab beschriebenen Ausführungsformen wird eine erfindungsgemäße Tiegelvorrichtung verwendet, um raffiniertes geschmolzenes Silicium zu verfestigen, welches durch ein Raffinieren unter Vakuum mit einem Elektronenstrahl erhalten wird, aber die vorliegende Erfindung kann auch eingesetzt werden, um andere geschmolzene Materialien, welche durch andere Verfahren erhalten werden, zu verfestigen.

Claims

Tiegelvorrichtung zum Verfestigen eines geschmolzenen Materials, umfassend: einen hohlen Tiegelkörper (21), welcher an seinem oberen und unteren Ende offen ist, und eine getrennte Bodenplatte (22), welche das untere Ende des Tiegelkörpers (21) verschließen kann, wobei ein Raum zur Aufnahme eines geschmolzenen Materials ausgebildet wird, indem der Tiegelkörper (21) auf der Bodenplatte (22) angeordnet ist.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Tiegelkörper (21) in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich der Tiegelkörper (21) derart verjüngt, dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als der Durchmesser seines unteren Endes ist.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Tiegelkörper (21) einen Schlitz (24) aufweist, welcher sich von seinem oberen Ende bis zu seinem unteren Ende erstreckt.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bodenplatte (22) aus Kupfer ausgebildet ist und der Tiegelkörper (21) aus Kupfer oder Grafit ausgebildet ist.
Verfestigungsverfahren zur Verfestigung eines geschmolzenen Materials, umfassend: Anordnen eines Tiegelkörpers (21), welcher an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, über einer Bodenplatte (22), um einen Raum auszubilden, um ein geschmolzenes Material aufzunehmen; Schütten eines geschmolzenen Materials in den Raum; Verfestigen des geschmolzenen Materials innerhalb des Tiegelkörpers (21); Entfernen des Tiegelkörpers (21) von der Bodenplatte (22); Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des verfestigten Materials (SI) in dem Tiegelkörper (21); und Entfernen des verfestigten Materials (SI) von dem Tiegelkörper (21).
Verfahren nach Anspruch 6, aufweisend ein Anordnen eines festen Materials (SG) in einem Bodenabschnitt des Raumes, um so im Wesentlichen die Boden oberfläche des Raumes zu überdecken, bevor das geschmolzene Material in den Raum geschüttet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das feste Material (SG) dasselbe Material wie das geschmolzene Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das feste Material Klumpen von raffiniertem Silicium (SG) umfasst und das geschmolzene Material geschmolzenes Silicium umfasst.
Tiegelvorrichtung zum Verfestigen eines geschmolzenen Materials, umfassend: eine Mehrzahl von hohlen Tiegelkörpern (51), wobei jeder davon an seinem oberen und seinem unteren Ende offen ist, und einen drehbaren Tisch (52), welcher die Mehrzahl der Tiegelkörper (51) lagert und das untere Ende jedes Tiegelkörpers (51) verschließt, wobei eine Mehrzahl von Räumen zum Aufnehmen eines geschmolzenen Materials ausgebildet wird, indem die Tiegelkörper (51) auf dem drehbaren Tisch (52) angeordnet sind.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 10, wobei jeder der Tiegelkörper (51) in Querrichtung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 11, wobei sich jeder Tiegelkörper (51) verjüngt, so dass der Durchmesser seines oberen Endes etwas größer als der Durchmesser seines unteren Endes ist.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 10, wobei jeder Tiegelkörper (51) einen Schlitz (24) aufweist, welcher sich von seinem oberen Ende zu seinem unteren Ende erstreckt.
Tiegelvorrichtung nach Anspruch 10, wobei der drehbare Tisch (52) aus Kupfer ausgebildet ist und die Tiegelkörper (51) aus Kupfer oder Grafit ausgebildet sind.
Verfestigungsverfahren zum Verfestigen eines geschmolzenen Materials, umfassend: Anordnen einer Mehrzahl von hohlen Tiegelkörpern (51), wobei jeder davon an seinem oberen und unteren Ende offen ist, auf einem drehbaren Tisch (52), um das untere Ende von jedem Tiegelkörper (51) zu verschließen und eine Mehrzahl von Räumen zum Aufnehmen eines geschmolzenen Materials auszubilden; Drehen des drehbaren Tisches (52), um nacheinander jeden der Räume in einer Material aufnehmenden Position anzuordnen und nacheinander ein geschmolzenes Material in jeden der Räume zu schütten; Verfestigen des geschmolzenen Materials, welches in die Mehrzahl der Räume geschüttet wurde; Entfernen der Mehrzahl der Tiegelkörper (51) von dem drehbaren Tisch (52); Aufbringen einer Kraft auf ein Ende des verfestigten Materials (SI) in jedem Tiegelkörper (51); und Entfernen des verfestigten Materials (SI) von jedem Tiegelkörper (51).
Verfahren nach Anspruch 15, aufweisend Einführen eines festen Materials (SG) in den Bodenabschnitt jedes der Mehrzahl der Räume, um so im Wesentlichen die Bodenoberfläche des drehbaren Tisches (52) innerhalb der Räume zu überdecken, bevor das geschmolzene Material in die Mehrzahl der Räume geschüttet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das feste Material (SG) dasselbe Material wie das geschmolzene Material umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das feste Material Klumpen von raffiniertem Silicium (SG) und das geschmolzene Material geschmolzenes Silicium umfasst.