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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen zur Züchtung von Vielkristallen von Silicium, inbesondere einen Kristallzüchtungsofen mit einer Konvektionskühlungsstruktur.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Wie aus 1 ersichtlich, einer schematischen Darstellung eines herkömmlichen Kristallzüchtungsofens, ist ein Heizraum 91 im Inneren des Kristallzüchtungsofens vorgesehen, wobei eine isolierende Abdeckung 911, ein Heizelement 912, ein Tiegel 913 und ein Auflagetisch 914 in dem Heizraum 91 vorgesehen sind.
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Wie in 1 dargestellt, wird Siliciumschmelze durch das Heizelement 912 bis zu einem schmelzflüssigen Zustand erwärmt, und wenn ein Kristallzüchtungsprozess abläuft, wird die isolierende Abdeckung 911 angehoben, damit ein kühlender Gasstrom aus dem Bereich unterhalb der isolierenden Abdeckung 911 in den Heizraum 91 eingeleitet werden kann. Der Auflagetisch 914 hat jedoch eine große Masse und damit eine relativ große Wärmekapazität, wodurch es trotz des kühlenden Gasstroms für den Bereich unten am Tiegel 913, der mit der Siliciumschmelze beladen ist, schwierig wird, abgekühlt zu werden. Dies hat zur Folge, dass die Siliciumschmelze am Boden des Tiegels 913 nicht die gewünschte Kristallzüchtungstemperatur haben kann, obwohl die Siliciumschmelze an den oberen und seitlichen Bereichen in bestimmten Ecken des Tiegels bereits abgekühlt wurde und erstarrt ist.
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Wenn die Siliciumschmelze von einer flüssigen Phase in eine feste Phase übergeht, dehnt sich deren Volumen um etwa 9,5% aus. Bei dem herkömmlichen Kristallzüchtungsprozess der Siliciumschmelze beginnt das Kristallwachstum ausgehend vom oberen Bereich des Tiegels 913, dann bis hin zu den seitlichen Bereichen und schließlich bis zum mittleren Bereich des Tiegels 913. Das heißt, die Siliciumschmelze am oberen Bereich und am Umfangsbereich des Tiegels erstarrt zuerst, wobei ein Ausdehnungsdruck verbleibt, der von der später erstarrten Siliciumschmelze im mittleren Bereich des Tiegels 913 erzeugt wird, nicht nach oben und aus dem oberen Bereich des Tiegels 913 heraus abgegeben werden kann und als solches zur Bildung einer inneren Spannung führt. Eine derartige innere Spannung führt gelegentlich zu Brüchen um die Kristallblöcke herum, die insbesondere an den Ecken der Kristallblöcke schwerwiegender sind. Selbst wenn der Bruch nicht offensichtlich ist, können die Kristallblöcke oder -stückchen brechen, wenn später ein Schneidverfahren durchgeführt wird. Folglich wird bei der Produktion von Kristallblöcken keine wünschenswerte Qualität erzeugt.
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Außerdem wird während des Kristallzüchtungsprozesses die isolierende Abdeckung 911 angehoben, was dazu führt, dass die Innenwand der isolierenden Abdeckung 911 an einer oberen Platte 910 reibt, so dass Graphitteilchen abgeschält werden und damit die Kristallblöcke aus Silicium kontaminieren. Beim Glühen wird die isolierende Abdeckung 911 abgesenkt, um den Heizraum 91 zu verschließen, und wird zum Zweck der Kühlung wieder angehoben. Eine derartige Aufwärts- und Abwärtsbewegung der isolierenden Abdeckung 911 führt dazu, dass Graphitteilchen in die Siliciumschmelze fallen, die somit mehr Kohlenstoff enthält; folglich wird die Qualität der Kristallblöcke aus Silicium verschlechtert. Da die Innenwand der isolierenden Abdeckung 911 relativ lange Zeit an der oberen Platte 910 reibt, wird außerdem ein Spalt zwischen der Innenwand der isolierenden Abdeckung 911 und der oberen Platte 910 größer, und die Situation des Wärmeverlusts wird jeden Tag schlimmer.
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Um die Dauer der Kühlung zu verkürzen, sind darüber hinaus sechs seitliche Trennelemente des Heizraums 91 aus einer einzigen wärmeisolierenden Schicht 92 aus Graphit konstruiert, ohne eine zusätzliche isolierende Schicht, um den Heizraum 91 warm zu halten. Trotzdem kann eine derartige Wärmeisolierungsmaßnahme mit einer dünnen Schicht nicht wirksam Wärme speichern. Insbesondere ist es nach dem Öffnen der Unterseite der isolierenden Abdeckung 911 notwendig, die Temperatur für den Boden des Tiegels 913 zu senken, um ein gleichmäßiges Kristallwachstum aus der Kristallschmelze zu erzielen. In der Zwischenzeit ist mehr elektrische Energie erforderlich, um eine hohe Temperatur am oberen Bereich des Heizraums 91 aufrechtzuerhalten. Dies führt dazu, dass der Kristallzüchtungsprozess mehr Energie und Zeit kostet.
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Aus der
US 5,746,824 ist ein Siliciumschmelzofen bekannt, bei dem aus einer flüssigen Siliciumschmelze unter Inertgasspülung des Heizraumes ein Einkristall gezogen wird. Zwei Inertgasströme werden dabei räumlich getrennt voneinander um den Schmelztiegel herumgeführt. Zweck ist die Vermeidung von Verunreinigungen im Einkristall. Spannungen in aushärtender Siliciumschmelze oder Mittel zur Vermeidung derselben sind in dieser Schrift nicht erläutert.
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Aus der
US 5,849,080 ist ein Prozess und eine Vorrichtung zur Herstellung polykristalliner Halbleiter bekannt. Dabei wird die Kristallisierung des Halbleiters durch periodische Veränderung der Wärmeabfuhr vom Halbleiter-Rohmaterial gesteuert. Mittels Thermosensoren wird insbesondere die Temperatur im Bodenbereich des Schmelztiegels gemessen der beispielsweise mittels Kühlwasser auch aktiv gekühlt werden kann. Das Verfahren ist messtechnisch aufwändig und aufgrund der Wasserkühlung auch konstruktiv anspruchsvoll.
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US 2007/0283882 A1 beschreibt eine Herstellungsausrüstung für einen reinen Polysilicium-Schmelzblock. Über Förderwellen ist die Höhe des Schmelztiegels einstellbar, während eine Kühlplatte unterhalb des Schmelztiegels diesen kühlt.
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In der
US 2007/0044707 A1 wird zur Steuerung der Wärmezufuhr zum Schmelztiegel eine bewegliche Blende zwischen Wärmequelle und Schmelztiegel vorgesehen. Durch teilweises Abschirmen kann die Wärmezufuhr so genauer erfolgen.
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Auch in der
JP 2001 048696 A werden bewegliche Blenden eingesetzt, welche thermisch isolierend wirken. Anstatt einer von Kühlmittel durchströmten Halteplatte für den Schmelztiegel ist ein vertikal bewegliches Kühlblech vorgesehen, welches sich von unten an den Schmelztiegel annähern kann.
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Die
JP 2000 319094 A soll eine Möglichkeit zur Sicherstellung der Reinheit der Silicium-Schmelze bieten. Dazu wird ein vom inneren Boden des Schmelztiegels ausgehender, aufsteigender positiver Temperaturgradient gebildet. Zusätzlich ist ein in vertikaler Richtung beweglicher Suszeptor vorgesehen.
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Die
US 6,299,682 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Siliciumbarrens mit gerichteter Erstarrungsstuktur. Dabei wird zur Abkühlung der Schmelze ein kühlendes Inertgas durch eine Bodenplatte unter dem Schmelztiegel geführt, während der Strom für das Heizelement oberhalb des Schmelztiegels in Stufen oder kontinuierlich reduziert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung soll eine Kristallzüchtungsofen mit einer Konvektionskühlungsstruktur schaffen, mit einem Ofenkörper, einem Heizraum und mindestens einem Heizelement.
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Der Ofenkörper weist einen oberen Körper und einen unteren Körper auf, wobei der untere Körper unten an dem oberen Körper so befestigt ist, dass eine geschlossene Ofenkammer gebildet wird. In der Ofenkammer des Ofenkörpers ist ein Heizraum aufgenommen, wobei der Heizraum ein oberes Trennelement, eine Vielzahl von seitlichen Trennelementen und ein unteres Trennelement aufweist, die zusammen einen inneren Raum bilden. Zwischen den mehreren seitlichen Trennelementen und der Innenwand des Ofenkörpers ist ein äußerer Raum definiert. Das mindestens eine Heizelement ist im inneren Raum des Heizraums aufgenommen.
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Darüber hinaus ist das obere Trennelement des Heizraums mit einer oberen Öffnung versehen, und das untere Trennelement mit einer mittleren Öffnung. Der Heizraum ist mit einer oberen Tür, einer unteren Tür, einem oberen Antriebselement und einem unteren Antriebselement versehen. Bei der vorliegenden Erfindung ist das obere Antriebselement vorgesehen, um die obere Tür entsprechend der oberen Öffnung des oberen Trennelements wahlweise zu öffnen oder zu schließen. Das untere Antriebselement ist vorgesehen, um die untere Tür entsprechend der mittleren Öffnung des unteren Trennelements wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
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Wenn Siliciumschmelze abgekühlt und zum Erstarren gebracht werden soll, kann daher ein kühlender Gasstrom durch die mittlere Öffnung in einen unteren Bereich des Heizraums strömen. Dann wird die obere Öffnung durch die obere Tür geöffnet, die von dem oberen Antriebselement angetrieben wird, so dass ein erwärmter Gasstrom aus der oberen Öffnung abgegeben wird und entlang der Ofenwand nach unten strömt. Nachdem er durch die Ofenwand abgekühlt wurde, strömt der Gasstrom von der mittleren Öffnung wieder zum Heizraum zurück. Somit kann ein automatisches, zirkulierendes Konvektionskühlungs-Strömungsfeld gebildet werden, so dass die Siliciumschmelze schnell abgekühlt werden kann, wobei Zeit gespart und die Produktionseffizienz verbessert wird. Außerdem beginnt bei dem Prozess des Abkühlens und des Kristallwachstums aus der Siliciumschmelze das Erstarren und die Kristallisation von der Unterseite zur Oberseite der Siliciumschmelze, so dass bei den Siliciumkristallblöcken keine inneren Spannungen und Brüche an den Ecken auftreten und eine wünschenswerte Qualität der Siliciumkristallblöcke erzielt werden kann.
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Darüber hinaus kann ein Einlassrohr, das einen Austritt aufweist, in dem Kristallzüchtungsofen vorgesehen sein, wobei das Einlassrohr sich tief in den Ofenkörper erstreckt. Der Austritt befindet sich im Heizraum und am unteren Bereich desselben sowie nahe der mittleren Öffnung, so dass Argon eingeleitet werden kann, um die Reinheit des Gases im Heizraum zu gewährleisten und die Qualität der Siliciumkristallblöcke zu verbessern.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann das obere Antriebselement eine Spindel oder einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder aufweisen, sowie einen Antriebsmotor usw. Auch das untere Antriebselement kann eine Spindel oder einen hydraulischen oder pneumatischen Zylinder sowie einen Antriebsmotor usw. aufweisen.
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Außerdem sind die mehreren Trennelemente des Heizraums so angeordnet und an der Unterseite des oberen Trennelements befestigt, dass sie zusammen eine isolierende obere Abdeckungsstruktur bilden. Die isolierende obere Abdeckungsstruktur ist am oberen Körper befestigt, während das untere Trennelement am unteren Körper befestigt ist. Wenn sich daher das untere Trennelement zusammen mit dem unteren Körper, der an der Unterseite des oberen Körpers befestigt wird, nach oben bewegt, kann die isolierende obere Abdeckungsstruktur ohne weiteres mit der Oberseite des unteren Trennelements übereinstimmen und diese abdecken. Abgesehen davon wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei dem Heizraum eine Doppelschichtstruktur eingesetzt, mit einer inneren Isolierschicht (beispielsweise bestehend aus Graphit) und einer äußeren Isolierschicht (beispielsweise aus Aluminiumoxidfaser). Daher kann der Heizraum eine Wärmeisolierung durch die innere Graphit-Isolierschicht bewirken, zusammen mit der Erhaltung der Wärme durch die äußere Isolierschicht, und es kann bei dem Prozess des Schmelzens des Siliciummaterials Energie gespart werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Kristallzüchtungsofen außerdem einen Auflagetisch mit einer Tischplatte und einer Vielzahl von Stützpfeilern auf. Die Tischplatte ist im inneren Raum des Heizraums angeordnet und durch die mehreren Stützpfeiler an dem unteren Körper befestigt. Das mindestens eine Heizelement weist ein unteres Heizelement auf, das mit der Tischplatte des Auflagetisches zusammengebaut ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung kann das mindestens eine Heizelement ein oberes Heizelement aufweisen, das hängend am oberen Körper befestigt ist und oberhalb der Tischplatte positioniert ist. Das obere Heizelement hat eine Heizstruktur von mindestens zwei Schichten und weist beispielsweise ein höher gelegenes Heizelement und ein tiefer gelegenes Heizelement auf, die aus rechteckigen Rahmen bestehen. Das tiefer gelegene Heizelement, das als hohler Rahmen ausgebildet ist, hat einen größeren Umfang als das höher gelegene Heizelement, wobei die höher und tiefer gelegenen Heizelemente zusammen eine Pyramidenform bilden.
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Darüber hinaus kann das höher gelegene Heizelement des oberen Heizelements zwei Graphitelektroden aufweisen, die jeweils mit dem höher gelegenen Heizelement elektrisch verbunden sind, um das höher gelegene Heizelement zum Zweck der Erwärmung mit elektrischer Energie zu versorgen. In ähnlicher Weise kann das tiefer gelegene Heizelement des oberen Heizelements zwei Graphitelektroden aufweisen, die jeweils mit dem tiefer gelegenen Heizelement elektrisch verbunden sind, um das tiefer gelegene Heizelement zum Zweck der Erwärmung mit elektrischer Energie zu versorgen. Das obere Trennelement ist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern versehen, und die mehreren Graphitelektroden führen durch die mehreren Durchgangslöcher hindurch und werden dann am oberen Körper befestigt.
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Weitere Aufgaben, Vorteile und neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Kristallzüchtungsofens;
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2 eine Schnittansicht eines Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Schnittansicht des Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn eine untere Tür geöffnet ist;
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4 eine Schnittansicht des Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn eine obere Tür und die untere Tür geöffnet sind; und
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5 eine Schnittansicht des Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die obere Tür, die untere Tür und ein unterer Körper geöffnet sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie aus 2 ersichtlich, einer Schnittansicht eines Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung, weist der Kristallzüchtungsofen mit einer Konvektionskühlungsstruktur einen Ofenkörper 1, einen Heizraum 2 und mindestens ein Heizelement 3 auf.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Ofenkörper 1 einen oberen Körper 11 und einen unteren Körper 12 auf, wobei der untere Körper 12 nach oben hin an der Unterseite des oberen Körpers 11 befestigt ist, um eine geschlossene Ofenkammer 10 zu bilden. In der Ofenkammer 10 des Ofenkörpers 1 ist ein Heizraum 2 aufgenommen, wobei der Heizraum 2 ein oberes Trennelement 21, vier seitliche Trennelemente 22 und ein unteres Trennelement 23 aufweist, die zusammen einen inneren Raum 201 bilden. Zwischen den sechs Trennelementen 21, 22, 23 und der Innenwand des Ofenkörpers 1 ist ein äußerer Raum 202 definiert.
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Darüber hinaus sind die vier Trennelemente 22 des Heizraums 2 so angeordnet und an der Unterseite des oberen Trennelements 21 befestigt, dass sie zusammen eine isolierende obere Abdeckungsstruktur bilden. Die isolierende obere Abdeckungsstruktur ist an dem oberen Körper 11 befestigt, während das untere Trennelement 23 an dem unteren Körper 12 befestigt ist. Wenn sich daher das untere Trennelement 23 zusammen mit dem unteren Körper 12, der an der Unterseite des oberen Körpers 11 befestigt wird, nach oben bewegt, kann die isolierende obere Abdeckungsstruktur ohne weiteres mit der Oberseite des unteren Trennelements 23 übereinstimmen und diese abdecken. Abgesehen davon wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei dem Heizraum 2 eine Doppelschichtstruktur eingesetzt, mit einer inneren Isolierschicht 221 (beispielsweise bestehend aus Graphit) und einer äußeren Isolierschicht 222 (beispielsweise aus Aluminiumoxidfaser).
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Daher kann der Heizraum 2 eine Wärmeisolierung durch die innere Graphit-Isolierschicht 221 bewirken, zusammen mit der Erhaltung der Wärme durch die äußere Aluminiumoxid-Isolierschicht 222, und es kann bei dem Prozess des Schmelzens des Siliciums und der Kristallzüchtung Energie gespart werden.
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Wie in 2 dargestellt, ist das Heizelement 3 in dem inneren Raum 201 des Heizraums 2 aufgenommen und weist ein oberes Heizelement 32 auf, das hängend am oberen Körper 11 befestigt und oberhalb einer Tischplatte 51 positioniert ist. Das obere Heizelement 23 hat eine Zwei-Schichten-Heizstruktur und weist beispielsweise ein höher gelegenes Heizelement 321 und ein tiefer gelegenes Heizelement 322 auf, die als rechteckige hohle Rahmen vorliegen. Das tiefer gelegene Heizelement 322 hat einen größeren Umfang als das höher gelegene Heizelement 321, wobei die höher und tiefer gelegenen Heizelemente 321, 322 zusammen eine Pyramidenform bilden, um sich der Form anzupassen, die durch das Stapeln des Silicium-Rohmaterials, wie es in 2 dargestellt ist, gebildet wird.
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Das höher gelegene Heizelement 321 des oberen Heizelements 32 ist jeweils mit zwei Graphitelektroden 323 elektrisch verbunden, um das höher gelegene Heizelement 321 zum Zweck der Erwärmung mit elektrischer Energie zu versorgen. In ähnlicher Weise ist das tiefer gelegene Heizelement 322 des oberen Heizelements 32 jeweils mit zwei Graphitelektroden 324 elektrisch verbunden, um das tiefer gelegene Heizelement 322 zum Zweck der Erwärmung mit elektrischer Energie zu versorgen. Das obere Trennelement 21 ist mit acht Durchgangslöchem versehen, und die vier Graphitelektroden 323, 324 führen durch vier von diesen hindurch und sind am oberen Körper 11 befestigt, während es vier Graphitstäbe gibt, die elektrisch neutral verbunden sind und durch vier andere Durchgangslöcher hindurchführen und am oberen Körper 11 befestigt sind.
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Wie wiederum aus 2 ersichtlich, ist gemäß der vorliegenden Erfindung das obere Trennelement 21 des Heizraums 2 mit einer oberen Öffnung 210 versehen, und das untere Trennelement 23 ist mit einer mittleren Öffnung 230 versehen. Außerdem ist der Heizraum 2 mit einer oberen Tür 211, einer unteren Tür 231, einem oberen Antriebselement 212 und einem unteren Antriebselement 232 versehen. Bei der vorliegenden Erfindung weist das obere Antriebselement 212 eine Spindel und einen Antriebsmotor auf, um die obere Tür 211 entsprechend der oberen Öffnung 210 des oberen Trennelements 21 wahlweise zu öffnen oder zu schließen. Darüber hinaus weist das untere Antriebselement 232 eine weitere Spindel und einen Antriebsmotor auf, um die untere Tür 231 entsprechend der mittleren Öffnung 230 des unteren Trennelements 23 wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
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Wie ebenfalls aus 2 ersichtlich, weist ein Auflagetisch 5 eine Tischplatte 51 und eine Vielzahl von Stützpfeilern 52 auf, wobei die Tischplatte 51 im inneren Raum 201 des Heizraums 2 angeordnet ist und die Tischplatte 51 durch die Stützpfeiler 52 am unteren Körper 12 befestigt ist.
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Das Heizelement 3 weist außerdem ein unteres Heizelement 31 auf, das mit der Tischplatte 51 des Auflagetisches 5 zusammengebaut ist. Auf der Tischplatte 51 ist ein Laderahmen 6 angeordnet, der eine untere Platte 61 und vier Seitenplatten 62 aufweist, wobei die Seitenplatten 62 die untere Platte 61 umgeben und auf dieser stehen, so dass sie zusammen einen inneren Raum zur Aufnahme eines Tiegels 7 bilden und diesen umschließen.
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Das untere Trennelement 23 des Heizraums 2 ist mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern 233 versehen, um durch sie eine Vielzahl von Stützpfeilern 52 hindurchzuführen, die dann am unteren Körper 12 befestigt werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann jeder Stützpfeiler 52 ein Graphitelektrodenpfeiler sein, der nicht nur die Unterseite des unteren Heizelements 31 abstützen kann, sondern auch eine elektrische Verbindung herstellen kann, um das untere Heizelement 31 mit elektrischem Strom für Wärmeenergie zu versorgen.
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Wenn die Erwärmung beginnt, sind die oberen und unteren Türen 211, 231 des Heizraums 2 geschlossen, und der Tiegel 7 wird durch die oberen und unteren Heizelemente 32, 31 sowohl von oben als auch von unten beheizt, um die Effizienz beim Schmelzen des Silicium-Rohmaterials in dem Tiegel 7 zu verbessern. Abgesehen davon sind die höher und tiefer gelegenen Heizelemente 321 und 322 des oberen Heizelements 32 in Pyramidenform angeordnet, damit sie sich der Form anpassen, in der das Silicium-Rohmaterial aufgestapelt ist. Hierdurch können die höher und tiefer gelegenen Heizelemente 321, 322 näher an dem Silicium-Rohmaterial sein. Dies vereinfacht die Absorption von Wärmeenergie durch das Silicium-Rohmaterial im Anfangsstadium, und wenn das Silicium-Rohmaterial an der Oberseite der Pyramidenform geschmolzen wurde, fließt die flüssige Siliciumschmelze direkt in und unter Teilchen des Silicium-Rohmaterials in einem inneren Bereich der Pyramidenform, was die Absorption von Wärmeenergie durch den inneren Bereich des Silicium-Rohmaterials beschleunigt. Daher kann ein wünschenswerter Zyklus erzielt werden, so dass das Silicium-Rohmaterial in dem gesamten Tiegel 7 schnell erwärmt und geschmolzen werden kann und viel Energie und Zeit eingespart werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wie in 2 dargestellt, ein Einlassrohr 4 mit einem Austritt 41 vorgesehen, um Argon aufzunehmen, und erstreckt sich tief in den Ofenkörper 1. Der Austritt 41 befindet sich im Heizraum 2 und am unteren Bereich desselben, sowie neben der mittleren Öffnung 230, so dass während des Erwärmungsvorgangs des Kristallzüchtungsofens Argon von außen durch das Einlassrohr 4 in den Ofen eingeleitet werden kann, um als Schutzgas zu dienen. Dies führt dazu, dass Unreinheiten des Silicium-Rohmaterials in dem Schmelz- und Desoxidationsvorgang verdampfen und in dem Heizraum 2 durch das nachfolgende erwärmte Argon nach oben strömen, wobei vorher das Argon in den Bodenbereich des Heizraums 2 geströmt war. Während des Vorgangs der Desoxidation wird die obere Tür 211 leicht geöffnet, damit flüchtige Stoffe durch ein Abgasrohr aus dem Heizraum 2 und dann aus dem Kristallzüchtungsofen entweichen können, und damit in dem Heizraum 2 eine Reingasumgebung aufrechterhalten werden kann, um eine wünschenswerte Qualität für die Siliciumkristallblöcke zu gewährleisten.
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Das Kristallwachstum beginnt, wenn die Siliciumschmelze abgekühlt wird, wie in 3 dargestellt – einer Schnittansicht, die den Kristallzüchtungsofen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn die untere Tür 231 geöffnet ist. Wenn die Siliciumschmelze in dem Tiegel 7 in das Stadium des Kristallwachstums eintritt, wird die obere Tür 211 wieder dicht verschlossen und die elektrische Energie für das untere Heizelement 31 wird abgeschaltet. Dann kühlt der Boden des Tiegels 7 ab und die untere Tür 231 des Heizraums 2 wird nach und nach geöffnet, so dass ein kühler Gasstrom gleichmäßig zum Boden des Tiegels 7 hin einströmen kann. Darüber hinaus wird das Argon aus dem Austritt 41 des Einlassrohrs 4 nahe der unteren Tür 231 eingeleitet, und die Siliciumschmelze kann dann vom Boden des Tiegels 7 aus abgekühlt werden, erstarren und kristallisieren. Aufgrund der allmählichen Abkühlung des Tiegels 7 nach oben wachsen die Siliciumkristalle und erstrecken sich vom Boden bis zur Oberseite des Tiegels 7. In diesem Moment wird die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem oberen Heizelement 32 allmählich reduziert und somit die Temperatur nach und nach gesenkt.
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Daher kann während des Erstarrungs- bzw. Kristallisationsvorgangs der Druck, der aufgrund der Ausdehnung der Siliciumkristalle erzeugt wird, nach oben abgeleitet werden, und da die Siliciumschmelze im oberen Bereich des Tiegels 7 immer noch in einem weichen Zustand ist, kann der Druck ohne Schwierigkeit abgebaut werden, bis die Siliciumschmelze vollständig erstarrt ist und das Kristallwachstum abgeschlossen ist. Folglich kann der Nachteil einer bedenklichen Spannungskonzentration überwunden werden, der beim Stand der Technik auftritt, da die Siliciumschmelze um den Tiegel herum zuerst erstarrt und daher gegen die später erstarrenden Siliciumkristalle im mittleren Bereich des Tiegels gedrückt wird. Da außerdem bei der vorliegenden Erfindung die Wärme im Heizraum 2 gut aufrechterhalten wird, ist weniger elektrische Energie notwendig, um die nach und nach erstarrten Siliciumkristallblöcke auf einem gewissen Weichheitsgrad zu halten. Dies beseitigt bei den Siliciumkristallblöcken die Möglichkeit von inneren Spannungen und Brüchen, die während des Kristallwachstums auftreten, und somit kann eine wünschenswerte Qualität der Siliciumkristallblöcke erzielt werden, ganz zu schweigen davon, dass Energie gespart werden kann.
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Wie in 3 dargestellt, hat das untere Trennelement 23 an der mittleren Öffnung 230 eine kürzere Kontaktlinie mit der unteren Tür 231, und die untere Tür 231 hat eine unterste Position, was den Heizraum 2 betrifft. Abgesehen davon sind das untere Trennelement 23 und die untere Tür 231 weit von dem offenen Ende des Tiegels 7 entfernt und befinden sich unterhalb der Tischplatte 51. Wenn während des Prozesses der Kristallzüchtung die untere Tür 231 geöffnet wird und sich langsam von dem unteren Trennelement 23 entfernt, sind folglich Graphitteilchen, die durch das Reiben der unteren Tür 231 an dem unteren Trennelement 23 erzeugt werden, unerheblich. Außerdem fallen die Teilchen niemals in den Tiegel 7 und kontaminieren daher nicht die Siliciumkristallblöcke in dem Tiegel 7, so dass eine wünschenswerte Qualität der Siliciumkristallblöcke gewährleistet werden kann.
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Nachfolgend wird auf 4 Bezug genommen, eine Schnittansicht des Kristallzüchtungsofens gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die obere Tür 211 und die untere Tür 231 geöffnet sind; hier wird mit der Siliciumschmelze in dem Tiegel 7 mit einer Kühlstufe fortgefahren, nachdem die Kristallzüchtung abgeschlossen wurde. In diesem Moment wird die elektrische Energie des oberen Heizelements 32 abgeschaltet, und die obere Tür 211 des Heizraums 2 wird wieder geöffnet. Ein erwärmter Gasstrom strömt in dem Heizraum 2 nach oben und wird aus der oberen Öffnung 210 abgegeben. Der Ofenkörper 1 kann durch Wasserberieselung oder durch Besprühen mit Wasser von außen gekühlt werden, so dass der erwärmte Gasstrom entlang der Innenwand des oberen Körpers 11 und des unteren Körpers 12 nach unten strömt. Daher wird der erwärmte Gasstrom durch die Absorption von Wärme durch die Ofenwand abgekühlt, wobei der erwärmte Gasstrom dann von der mittleren Öffnung 230 zurück zum Heizraum 2 strömt. Somit kann wiederholt ein zirkulierendes Konvektionskühlungs-Strömungsfeld gebildet werden, und die Siliciumkristallblöcke können durch die natürliche Strömungszirkulation schnell abgekühlt werden, um Zeit zu sparen.
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Wenn außerdem, wie in 5 ersichtlich – einer Schnittansicht, die den Kristallzüchtungsofen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wenn die obere Tür 211, die untere Tür 231 und der untere Körper 12 geöffnet sind –, das Innere des Ofens auf eine Sicherheitstemperatur abgekühlt worden ist, wird – wie dargestellt – der untere Körper 12 nach unten geöffnet, so dass eine große Menge der Umgebungsluft um den Tiegel 7 strömt und direkt die Siliciumkristallblöcke, die bereits gezüchtet wurden, kühlt. Da vorher bereits eine Kühlung bewirkt wurde, läuft die Kühlung in diesem Stadium schneller ab, so dass die Siliciumkristallblöcke rasch entnommen werden können und die Wartezeit verkürzt sowie die Produktion gesteigert werden kann.
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Angesichts der obigen Ausführungen können aus dem Heizraum 2 auf der Basis der wünschenswerten Wärmeisolierung und der Erhaltung der Wärme sowie der wirksamen Art und Weise des Beheizens die flüchtigen Stoffe im Inneren der Siliciumschmelze heraustransportiert werden, indem die oberen und unteren Türen 211, 231 geöffnet oder geschlossen werden. Darüber hinaus beginnt durch die Steuerung des Strömungsfelds des kühlen Gasstroms die flüssige Siliciumschmelze, zu erstarren und Kristalle beginnen zu wachsen, und zwar gleichmäßig von unten nach oben. Der Druck, der durch das Erstarren und die Ausdehnung der Siliciumschmelze entsteht, kann zur Oberseite der noch nicht kristallisierten Siliciumschmelze abgeleitet werden. Somit existieren bei den Siliciumkristallblöcken keine inneren Spannungen oder Brüche. Es wird davon ausgegangen, dass gemäß der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik, zu welchen die ungleichmäßige Verteilung des Strömungsfelds des kühlen Gasstroms, die vorherige Erstarrung der Außenbereiche und des oberen Bereichs der Siliciumschmelze, und das Auftreten von inneren Spannungen und Brüchen an den Ecken der Kristallblöcke nach dem Kristallwachstum zählen, überwunden werden können. Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung das Strömungsfeld des kühlen Gasstroms in angemessener Weise durch das zirkulierende Konvektionskühlungs-Strömungsfeld gesteuert werden, so dass die Kristallzüchtung aus der Siliciumschmelze mit der geringsten Wärmeenergie und dem geringsten Zeitaufwand realisiert und eine wünschenswerte Qualität der Siliciumkristallblöcke erreicht werden kann. Abgesehen davon kann auch das Prinzip der natürlichen Zirkulation eingesetzt werden, so dass durch die Kühlung am Ofenkörper 1 die Kristallblöcke schnell abgekühlt werden können. Dies verkürzt die Wartezeit für den Materialaustausch und steigert die Produktion.
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Anders ausgedrückt, ist die vorliegende Erfindung dem Stand der Technik in Bezug auf das Erwärmen und Schmelzen des Siliciummaterials, den Abtransport von flüchtigen Stoffen, das Wachstum von Siliciumkristallen bis zum Abkühlen der Kristallblöcke und den gesamten Energie- und Zeitaufwand weit überlegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofenkörper
- 2
- Heizraum
- 3
- Heizelement
- 4
- Einlassrohr
- 5
- Auflagetisch
- 6
- Laderahmen
- 7
- Tiegel
- 10
- Ofenkammer
- 11
- oberer Körper
- 12
- unterer Körper
- 21
- oberes Trennelement
- 22
- seitliches Trennelement
- 23
- unteres Trennelement
- 31
- unteres Heizelement
- 32
- oberes Heizelement
- 41
- Austritt
- 51
- Tischplatte
- 52
- Stützpfeiler
- 61
- untere Platte
- 62
- Seitenplatte
- 201
- innerer Raum
- 202
- äußerer Raum
- 210
- obere Öffnung
- 211
- obere Tür
- 212
- oberes Antriebselement
- 221
- innere Isolierschicht
- 222
- äußere Isolierschicht
- 230
- mittlere Öffnung
- 231
- untere Tür
- 232
- unteres Antriebselement
- 233
- Durchgangslöcher
- 321
- höher gelegenes Heizelement
- 322
- tiefer gelegenes Heizelement
- 323
- Graphitelektroden
- 324
- Graphitelektroden
