DE69702555T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Raffinierung von Silicium - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Raffinierung von Silicium

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Description

    1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, zum Raffinieren von Silicium, insbesondere zum Verbessern der Entfernung von Verunreinigungen, wie P, Al und Ca, durch Ektronenstrahlschmelzen. Das Verfahren und die Vorrichtung erzeugen Silicium mit geringen Konzentrationen dieser Verunreinigungen.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • In den letzten Jahren hat die Anforderung zur Diversifikation von Energiequellen bewirkt, daß sich auf die Solarenergieerzeugung konzentriert wurde. Vorrichtungen zur Erzeugung bei geringen Kosten sind aktiv erforscht und entwickelt worden. Unter solchen Umständen wird Silicium wahrscheinlich als aller üblichstes Rohmaterial für Solarbatterien verwendet. Kristallines Silicium hat starke Aufmerksamkeit als das Material auf sich gezogen, das für solche eine Stromversorgung verwendet wird.
  • Es wurde erkannt, daß sehr reines Silicium mit einem Reinheitsgrad von 99,9999% (6 N) oder mehr (hier als SOG-Si abgekürzt) zur Verwendung als Rohmaterial für Solarbatterien verlangt wird. Die Verunreinigungskonzentration in dem Silicium wurden auf eine Größenordnung von Teilen pro Million oder niedriger verringert. Es ist ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem Silicium für gewerblich erhältliches Siliciummetall (Reinheit: 99,5%, nachfolgend als MG-Si abgekürzt) vorgeschlagen worden, bei dem die metallischen Verunreinigungen, wie Al, Fe, Ti und Ähnliche, durch direktionale Erstarrung unter Verwendung eines kleinen Trennungskoeffizienten entfernt werden. Bei diesem Verfahren wird C auf der Oberfläche des Siliciums durch Erstarrung in dem Fall von SiC abgeschieden und in der Form von CO in dem Fall einer festen Lösung von C entfernt; und B wird durch Ar Plasmaschmelzen entfernt, das während der Hinzufügung von H&sub2;O, CO&sub2; oder O&sub2; ausgeführt wird.
  • Jedoch sind bei dem obenbeschriebenen Herstellungsverfahren die Verfahren zur Entfernung der jeweiligen Verunreinigungselemente voneinander verschieden. Die verwendeten Schritte und Vorrichtungen sind kompliziert. Des weiteren wird ein Verlust beim der Übergang von einem Schritt zu einem folgenden Schritt hervorgerufen, und dies verringert die Siliciumausbeute.
  • Andererseits wird Elektronenstrahlschmelzen üblicherweise verwendet, um hochschmelzende Metalle, wie Titan und Molybdän zu schmelzen, und es wird zur Erzeugung von Silicium erforscht, das für eine Solarbatterie verwendbar ist.
  • In der japanischen, ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 61-232295 wird ein aus Kupfer hergestelltes, wassergekühltes Gefäß verwendet, um eine Verunreinigung zu verhindern, die durch Gefäßmaterialien beim Elektronenstrahlschmelzen des Siliciummetalls hervorgerufen wird. Die japanische, ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 63-64909 erörtert die Herstellung eines Siliciumflächenelements für eine Solarbatterie, indem ein wassergekühlter Kupferherd (mit einer geringen Tiefe) mit dem Elektronenstrahlschmelzen kombiniert wird. Des weiteren wird in der japanischen, ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. 5-124809 ein Erstarrungs-Raffinierungsverfahren vorgeschlagen, bei dem ein Temperaturgradient in der vertikalen Richtung vorgesehen wird, indem nur ein oberer Teil des Siliciummetalls geschmolzen wird, das in einem Gießgefäß gehalten wird, wobei die örtliche Erwärmung durch einen Elektronenstrahl verwendet wird, und der untere Teil des Siliciummetalls abgekühlt wird.
  • Auch ist ein Verfahren zum Entfernen von P bei verringertem Druck vorgeschlagen worden, indem sein hoher Dampfdruck verwendet wird. Jedoch wird eine lange Zeit benötigt, P bei verringertem Druck zu entfernen. Kürzlich wurde jedoch berichtet, daß in Silicium enthaltener P in kurzer Zeit durch Elektronenstrahlschmelzen entfernt werden kann [ISIJ International, Bd. 32 (1982). Nr. 5, S. 635 bis 642].
  • Des weiteren ist ein besonderer Vorteil des Elektronenstrahlschmelzens, daß Al und Ca sowie P zusammen entfernt werden können. Jedoch sind beim Elektronenstrahlschmelzen, das die herkömmlichen Techniken verwendet, die Entfernungsgrenzen für P, Al und Ca, die in Silicium enthalten sind, ungefähr 3 ppm-Gew., ungefähr 470 ppm-Gew. bzw. ungefähr 150 ppm-Gew.. Da die Konzentrationen von P, Al und Ca, die in Silicium enthalten sind, nahezu feste Werte in einer Schmelzzeit von 15 Minuten oder mehr werden, kann nicht erwartet werden, daß der Anteil an P, Al und Ca weiter verringert wird. Es ist nicht vernünftig, anzunehmen, daß das Elektronenstrahlschmelzverfahren ausreichend untersucht worden ist, eine für SOG-Si verlangten Reinheit zu erzielen, die ungefähr 99,9999% Si oder mehr ist.
  • Wir haben unabhängig ein sogenanntes Schalenschmelzverfahren vorgeschlagen, wobei wassergekühltes Kupfer, Kupfer für ein Gefäß (Schmelztiegel, Form, Herd oder Ähnliches) zum Haften des Siliciums verwendet wird, das ermöglicht hat, einen Reinheitsgrad zu erreichen, wie er für eine Siliciumsolarbatterie verlangt wird (japanische, ungeprüfte Patentveröffentlichungen Nr. 7-309614 und 7-325827). Das hochreine Silicium wird an einem Ort in Kontakt mit einem wassergekühlten Kupfergefäß zum Erstarren gebracht, und das Silicium wird innerhalb einer erstarrten Hülle geschmolzen, die als Schale bezeichnet wird. Entsprechend diesem Verfahren kann eine Verunreinigung, die von Verunreinigungen ausgeht, die in dem an dem Gefäß anhaftenden Silicium enthalten sind, verhindert werden. Bedauerlicherweise ist dieses Verfahren jedoch dem Problem begegnet, daß ungefähr zwei Drittel der von dem Elektronenstrahl gehaltenen Energie von dem Kühlwasser aufgenommen wird. Somit ist die verbleibende Energie, die zu dem Schmelzen beiträgt, klein, und verringert sehr stark den Wärmewirkungsgrad der Behandlung.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist demgemäß eine bedeutende Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein Siliciumraffinierungsverfahren zu schaffen, das einen hohen Wärmewirkungsgrad aufweist, während Verunreinigungen durch Elektronenstrahlschmelzen aus dem Silicium verdampft und aus ihm entfernt werden.
  • Eine andere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung ist, eine wirkungsvolle und praktische Technik zum Verdampfen und Entfernen von P, Al und Ca aus Silicium zu schaffen, indem die Verringerungsrate beim Entfernen von Verunreinigungen begrenzt wird, die durch Kontaminierung hervorgerufen sind.
  • Wir haben entdeckt, daß diese und andere Zielsetzungen erreicht werden können, indem speziell der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung von einem Elektronenstrahl auf Silicium verstärkt und die Temperatur des geschmolzenen Siliciums erhöht wird. Die Entfernungsrate von P, Al und Ca wird erhöht, wenn die Temperatur des geschmolzenen Siliciums erhöht wird. Es ist auch bestätigt worden, daß, wenn Elektronenstrahlschmelzen in einem wassergekühlten Kupfergefäß durchgeführt wird, die von dem wassergekühlten Kupfergefäß aufgenommene Wärmemenge so groß wie ungefähr 60 bis 70% des Strahleingangs sind.
  • Wir entdeckten, daß eine große Menge dieser Wärme zurückgehalten werden kann, indem ein Gefäß mit einem geringeren Wärmeleitvermögen oder sogar ein Gefäß mit keinem Wasserkühlungssystem verwendet wird. Auf diese Weise kann die Temperatur des geschmolzenem Siliciums bei einem festen Elektronenstrahlausgang merklich erhöht werden.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Raffinieren von Silicium, indem Silicium in einem Graphitgefäß durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl geschmolzen wird, um flüchtige Verunreinigungselemente zu verdampfen, die in Silicium in einem Graphitgefäß enthalten sind. Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung darauf, die Konzentrationen der Verunreinigungen, die in dem Graphitgefäß enthalten sind, um eine Größe zu verringern, die höher als die Zielgrößen der ausgewählten Verunreinigungen ist, die in dem raffinierten Silicium enthalten sind, indem die Dichte des Graphit in dem Gefäß auf ungefähr 1,5 g/cm³ oder mehr kontrolliert wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Raffinieren von Silicium in einem einzelnen Graphitgefäß gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Fig. 2 ist ein Querschnitt einer Vorrichtung, die ein herkömmliches, einzelnes, wassergekühltes Kupfergefäß verwendet.
  • Fig. 3 ist eine schematische Zeichnung, die eine Ausführungsform des Verfahrens zum fortlaufenden Raffinieren von Silicium in aufeinanderfolgenden Graphitgefäßen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, und
  • Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum fortlaufenden Raffinieren von Silicium in dem Graphitgefäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Bei der vorliegenden Erfindung verliert geschmolzenes Silicium, das in einem Graphitgefäß gehalten und durch einen Elektronenstrahl geschmolzen wird, viel weniger Wärme als es der Verlust in einem herkömmlichen, wassergekühlten Kupfergefäß ist. Deshalb wird die Schmelzenergie stark erhöht. Als Ergebnis werden die geschmolzene Siliciummenge und die Beseitigungsrate von flüchtigen Verunreinigungen beide erhöht, wodurch das Silicium wirksamer raffiniert wird. Des weiteren kann die obenbeschriebene Wirkung noch weiter verbessert werden, indem die Konzentrationen der in dem Graphit enthaltenen Verunreinigungen scharf verringert werden. Die Notwendigkeit, geschmolzenes Silicium aus dem Gefäß abzulassen, um die Raffinierungsarbeit zu unterbrechen, wird verhindert, indem die Dichte des Graphits auf ungefähr 1,5 g/cm³ oder mehr erhöht wird.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist Graphit das Material, in dem das Silicium geschmolzen wird. Es ist hier von Bedeutung, daß: (1) das Graphit einen hohen Schmelzpunkt aufweist und deshalb einer Beschädigung durch Schmelzen oder Verdampfen widersteht, selbst wenn unmittelbar mit dem Elektronenstrahl bestrahlt wird, (2) der gesättigte, aufgelöste Kohlenstoffanteil des geschmolzenen Siliciums so niedrig wie 10 bis 100 ppm-Gew. (Teile pro Millionen nach dem Gewicht) niedrig ist und der Kohlenstoff ohne weiteres durch Oxidation entfernt werden kann, (3) Graphit die hervorragende Eigenschaft aufweist, daß es nicht mit Silicium reagiert und irgendein Gas erzeugt, das den Unterdruck in dem Ofen und in der Elektronenstrahlkanone verringern würde und (4) Graphit verglichen mit anderen hochschmelzenden Materialien billig ist.
  • Des weiteren muß, wenn ein Graphitgefäß verwendet wird, wie in den Fig. 1, 3 und 4 das Gefäß nicht mit Wasser gekühlt werden. Da das Elektronenstrahlschmelzen im Vakuum durchgeführt wird, trägt ein Wärmeverlust von dem Graphitgefäß durch Strahlung zu einem großen Teil der Gesamtmenge der verlorenen Wärme bei, und deshalb wird eine ausgezeichnete Wärmeisolierwirkung erhalten. Des weiteren kann, wenn ein herkömmliches, feuerfestes Material oder anderes Material mit einem niedrigen Strahlungskoeffizienten und niedrigem Wärmeleitvermögen um den Umfang des Graphitgefäßes herum angeordnet wird, entweder in Berührung damit oder mit einem der dazwischen vorgesehenen Raum, eine noch größere Wärmeisolierwirkung erhalten werden.
  • Es ist ein bevorzugtes Merkmal dieser Erfindung, daß die Graphitverunreinigungen geringere Konzentrationen als die Zielkonzentrationen der Verunreinigungen aufweisen, die in dem raffinierten Silicium enthalten sind. Sonst könnte, wenn das Silicium in einem Graphitgefäß geschmolzen wird, das Verunreinigungen höherer Konzentrationen enthält, das geschmolzene Silicium durch das Graphitgefäß in manchen Fällen verunreinigt werden.
  • Graphit einer so hohen Reinheit kann erzeugt werden, indem Graphit bei hohen Temperaturen in einer Halogengasumgebung verarbeitet wird, woraufhin eine mechanische Verarbeitung erfolgt.
  • Des weiteren hat bei der vorliegenden Erfindung der Graphit eine Dichte von ungefähr 1,5 g/cm³ oder mehr. Graphit mit einer geringeren Dichte als ungefähr 1,5 g/cm³ kann ermöglichen, daß geschmolzenes Silicium befeuchtet und in die Wand des Graphitgefäßes eindringt und manchmal sogar aus dem Gefäß herausleckt. In einer solchen Situation muß die Raffinierungsarbeit mit dem Elektronenstrahl unterbrochen werden.
  • Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung mehrerer, aufeinanderfolgender Graphitgefäße unter verringertem Druck. Dies raffiniert noch wirksameres Silicium. Festes Rohsiliciummaterial wird einem Gefäß zugeführt und mit einem Elektronenstrahl bestrahlt. Nachdem das gesamte oder ein Teil des Siliciums geschmolzen ist, wird das geschmolzene Silicium in ein nachfolgendes Gefäß gegossen und einer weiteren Elektronenstrahlbehandlung unterzogen, und das sich ergebende, geschmolzene Silicium wird nachfolgend in irgendeine Anzahl nachfolgender Gefäße gegossen, die der Reihe nach angeordnet sind, während es weiterhin mit dem Elektronenstrahl bestrahlt wird.
  • Ferner ist die vorliegende Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in einer Unterdrucckammer die Ausrüstung zum Zuführen des festen Rohsiliciummaterials vorgesehen wird, mehrere Graphitgefäße bereitgestellt werden, die jeweils mit einer Einrichtung zum Gießen von geschmolzenem Silicium in ein nachfolgendes Gefäß ausgerüstet sind, sowie eine Elektronenstrahleinrichtung zum Schmelzen von Silicium in einem oder mehreren der Gefäße und ein Erstarrungsauffänger für das geschmolzene Siliciumerzeugnis vorgesehen ist.
  • Eine Verunreinigung des geschmolzenen Siliciums, die durch in dem Umfang des Gefäßes vorhandene Verunreinigungen bewirkt wird, wird vermieden, indem ein reiner Elektronenstrahl als Wärmequelle verwendet wird, das Umfeld in einem hohen Vakuum angeordnet und ein Graphitgefäß verwendet wird und der Wärmeverlust auf ein Minimum kontrolliert wird, um den Wärmewirkungsgrad zu verbessern. Zusätzlich wird eine Verunreinigung, die durch Rohmaterial im Festzustand, das große Mengen an Verunreinigungen enthält, oder durch verdampftes Silicium hervorgerufen wird, verhindert, um die verdampfungsmäßige Entfernung von P, Al und Ca wirksam auszuführen.
  • Bei dem herkömmlichen Elektronenstrahlschmelzen sind die minimalen Konzentrationen von P, Al und Ca, die in einem Siliciumerzeugnis enthalten sind, ungefähr 3 ppm-Gew., ungefähr 470 ppm-Gew. bzw. ungefähr 150 ppm-Gew. gewesen. Die Schmelzzeit (Bestrahlungszeit mit einem Strahl) fällt in einen Bereich von ungefähr 15 Minuten oder länger. Bisher ist es im wesentlichen unmöglich gewesen, einen höheren Reinheitsgrad als den obigen zu erhalten. Dies wird grundsätzlich der Gegenwart verschiedener Verunreinigungsarten zugerechnet. Diese Verunreinigungen werden danach während einer langen Zeit oder nach vielen Malen erhöht.
  • Wir glauben, daß die hohe Reinigung von Silicium als schwierig, zumindest teilweise, angesehen wurde, weil das Schmelzen häufig durch Erwärmen von einer einzigen Richtung aus durchgeführt wurde, die auf den oberen Bereich des zu schmelzenden Stoffes gelenkt war. Das Schmelzen hing deshalb von den Gefäßabmessungen, der Siliciummenge und der Leistung des Elektronenstrahls ab. Andererseits wurde herausgefunden, daß P, Al und Ca allmählich aus dem festen Zuführmaterial, das während einer Zeit in dem Gefäß bleibt, wie am Boden oder einer Seitenwand diffundiert. Solches festes Material enthält große Mengen an P, Al und Ca. Dies tritt auch in dem Fall von verdampftem Silicium auf, das an dem Gefäß nach dem Schmelzen anhaftet und relativ große Mengen an P, Al und Ca enthält.
  • Wir haben viele Versuche an Silicium durchgeführt, das mit einem Elektronenstrahl geschmolzen wurde und in dem Gefäß erstarrte. Die Verteilung der Konzentrationen von P, Al und Ca, die in dem Silicium in dem Gefäß enthalten waren, wurde untersucht. Dies bestätigte, daß die Konzentrationen von P, Al und Ca, die an dem Boden und der Seitenwand vorhanden waren, um zehnmal oder mehr größer als die von P, Al und Ca waren, die in anderen Teilen des Gefäßes vorhanden waren. Entsprechend wurde entdeckt, daß eine solche Verunreinigung, wenn sie bedeutend ist, verhindert werden sollte, damit die Mengen an P, Al und Ca in dem Erzeugnis weiter verringert werden können.
  • Entsprechend einem mitgeteilten Beispiel, das sich auf Ti bezieht (ISIJ, International, Bd. 32 (1992), Nr. 5, S. 607 bis 615), wurde Ti durch einen Elektronenstrahl mit dem Ergebnis geschmolzen, daß das Ti innerhalb des Gefäßes gleichförmig verteilt blieb, und die Konzentration von Al, das in Ti enthalten war, in dem Gefäß nahezu durchgehend gleichförmig war. Entsprechend wird der Mangel an Gleichförmigkeit bei der Konzentration von P, Al und Ca, die in Silicium enthalten sind, als ganz ungewöhnlich und Silicium und diesen Verunreinigungen zu eigen betrachtet. Ferner wird überlegt, daß die geringen Konzentrationen der P, Al und Ca Verunreinigungen, die in Silicium enthalten sind, als Teile pro Millionen gemessen werden, wodurch das Verunreinigungsproblem verstärkt und akzentuierter wird. Es wird auch betrachtet, daß Silicium im Festzustand eine geringere Dichte als im geschmolzen Zustand hat, und daß deshalb festes Silicium aus einem Gefäß in einem fortlaufenden Schmelzverfahren überlaufen kann, ohne in dem Gefäß während einer langen Zeit zu verbleiben.
  • Mehrere Graphitgefäße sind ein bedeutendes Merkmal dieser Erfindung. Wenn ein Gefäß geschmolzenes Silicium irgendeinem anderen Gefäß zuführt, so ist das zugeführte Silicium eines, aus dem P, Al und Ca zumindest teilweise bereits entfernt worden sind. Silicium mit hohen Konzentrationen an P, Al und Ca, die an dem Boden eines geschmol zenen Siliciumbades oder an der Wandoberfläche seines Gefäßes zurückbleiben, werden nicht dem nachfolgenden Gefäß zugeführt. Da die Konzentrationen an P, Al und Ca, die in dem bereits behandeltem Silicium enthalten sind, in einem nachfolgenden Gefäß bei dem Verfahren niedriger sind, wird eine Verunreinigung durch verdampftes Silicium, das an einer Wandoberfläche anhaftet, in dem nachfolgenden Gefäß verringert. Des weiteren kann das zugeführte, vorausgehende Rohmaterial daran gehindert werden, überzulaufen, ohne während einer vorbestimmten Zeit zu verweilen.
  • Wenn ein einziges Graphitgefäß verwendet wird, können die Anteile P, Al und Ca, die in dem Silicium enthalten sind, nicht vollständig wegen der Verunreinigung entfernt werden, die durch festes Rohmaterial hervorgerufen wird, das an dem Boden des geschmolzenen Siliciums zurückbleibt, und durch Silicium, das an der Gefäßwand unmittelbar nach dem Schmelzen oder dem Verdampfen anhaftet. Solches Silicium enthält größere Mengen an P, Al und Ca. In diesem Fall werden, selbst wenn P, Al und Ca entfernt werden können, die Konzentrationen der Verunreinigungen verteilt und der durch Verunreinigung ausgeübte Einfluß wird nach dem Schmelzen während einer langen Zeit oder nach vielen Malen erhöht. Dies ist in einigen Fällen ein Nachteil bei der Verwendung eines einzigen Graphitgefäßes zur intensiven Massenproduktion.
  • Geschmolzenes Silicium kann von einem Gefäß einem oder mehreren nachfolgenden Gefäßen fortlaufend oder in einem Chargensystem zugeführt werden. Die Orte, wo die Graphitgefäße angeordnet werden, und die Orte für die Zufuhr des geschmolzenen Siliciums von jedem Graphitgefäß zu seinem Nachfolger ist häufig wahlweise, solange das geschmolzene Silicium wirksam von Gefäß zu Gefäß überführt werden kann.
  • Geschmolzenes Silicium wird vorzugsweise durch Überlaufen von einem Graphitgefäß überführt, während festes Rohmaterial fortlaufend an dem Zuführende zugeführt wird. Dieses Gefäß erzeugt fortlaufend vollständig oder teilweise behandeltes Silicium in einem geschmolzenen Zustand, das verringerte Mengen an P, Al und Ca enthält. Dies ist ein Vorteil, weil das geschmolzene Silicium, das den oberen Bereich des Gefäßes besetzt und das den am meisten gereinigten Anteil des Siliciums enthält, vorzugsweise zum Überlaufen gebracht wird.
  • Zusätzlich zu dem obenbeschriebenen P, Al und Ca umfassen andere Verunreinigungen, die durch die vorliegende Erfindung verringert werden können, Ni, Ge, Cu, Sn, Ag, In, Mn, Pb, Sb und Tl, von denen jedes einen höheren Dampfdruck als den des Siliciums hat.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich entsprechend auf ein Verfahren zum Raffinieren von Silicium, indem das Silicium in einem Graphit enthaltenden Gefäß bei verringertem Druck durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl geschmolzen wird, um flüchtige Verunreinigungselemente, wie P, Al und Ca, die in dem Silicium enthalten sind, durch deren Verdampfung zu entfernen, wohingegen das Silicium in einem Graphitgefäß geschmolzen wird.
  • Es ist besonders vorteilhaft, eine Folge von zwei oder mehreren Graphitgefäßen zu verwenden, wobei das feste Siliciumrohmaterial einem Gefäß zugeführt und mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, damit das feste Siliciumrohmaterial geschmolzen wird; das sich ergebende, geschmolzene Silicium wird aus dem vorgenannten ersten Gefäß in ein anderes nachfolgendes Graphitgefäß gegossen, wenn mehr als zwei Gefäße vorgesehen sind, und das sich ergebende, geschmolzene Silicium kann nachfolgend in irgendeine Anzahl folgender Gefäße gegossen werden, wobei das geschmolzene Silicium weiter mit dem Elektronenstrahl bestrahlt wird oder nicht.
  • Das obige Verfahren ist vorzugsweise durch die Verwendung von so reinem Graphit gekennzeichnet, daß die Verunreinigungskonzentrationen in dem Gefäßmaterial kleiner als die Sollkonzentrationen der in dem raffinierten Silicium enthaltenen Verunreinigungen ist.
  • Des weiteren bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Raffinieren von Silicium, indem Silicium in einem Graphitgefäß unter verringertem Druck durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl geschmolzen wird, damit flüchtige Verunreinigungselemente, die in dem Silicium enthalten sind, durch deren Verdampfung entfernt werden, und jene ist gekennzeichnet durch die Kombination einer Vakuumkammer, einer Einrichtung zur Zuführung von festem Siliciumrohmaterial in ein Graphitgefäß in einer Kammer, eine Mehrzahl Graphitgefäße, von denen jedes mit einer Einrichtung zum Gießen geschmolzenen Siliciums in ein nachfolgendes Graphitgefäß ausgerüstet ist, einer Elektronenstrahlkanone, um Silicium in einigen oder allen Graphitgefäßen zu schmelzen, und eines Auffängers zur Aufnahme und Erstarrung des fertiggereinigten, geschmolzenen Siliciums.
  • Beispiele Beispiel 1: Einzelnes Graphitgefäß
  • Eine Form der Vorrichtung, die bei dieser Erfindung verwendet wird, ist in Fig. 1 gezeigt. Eine in einem herkömmlichen Verfahren verwendete Vorrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. Jede von ihnen ist mit einer Unterdruckkammer 3, mit einem wassergekühlten Kupfergefäß 8 in Fig. 2 und mit einem Graphitgefäß 8 in Fig. 1 ausgerüstet, wobei eine Elektronenstrahlkanone 1 mit einer maximalen Leistung in der 100 kW Klasse bei dem Gefäß vorgesehen ist. In bezug auf die Abmessungen dieser Gefäße ist bei einem Beispiel die Oberfläche 150 · 300 mm² und die Tiefe ist 80 mm. Unterschiedliche Gefäße wurden vorgesehen, bei denen die Verunreinigungskonzentrationen von P, Al und Ca 10 ppm- Gew., 20 ppm-Gew. bzw. 10 ppm-Gew. waren, und diese Gefäße wurden unterschiedlich mit Graphit mit unterschiedlichen Dichten im Bereich von 1,0 bis 1,8 g/cm³ vorgesehen.
  • Die Gefäße wurden jeweils mit 2,5 kg handelsüblichem MG-Si beladen (die Verunreinigungskonzentrationen waren P: 20 ppm-Gew., Al: 800 ppm-Gew., C: 700 ppm-Gew. und Ca: 900 ppm-Gew.). Das MG-Si war ein Pulver mit Teilchendurchmessern von 1 bis 3 mm. Ein Elektronenstrahlschmelzen wurde ausgeführt, während der Druck in der Unterdruckkammer bei 1,33 · 10&supmin;&sup7; Bar (1 · 10&supmin;&sup4; Torr) beibehalten wurde, um das MG-Si zu raffinieren, damit kristallines Silicium in hoher Reinheit erzeugt wird. In diesem Fall wurde die Ausgangsleistung des Elektronenstrahls 1 auf einen von zwei Werten von 30 und 60 kW gesteuert, und in beiden Fällen war die Bestrahlungszeit 30 Minuten. In dem Fall der Verwendung eines wassergekühlten Kupfergefäßes gemäß einem herkömmlichen Verfahren wurde hochreines Silicium (Verunreinigungskonzentrationen im Silicium; P: 0,1 ppm-Gew. oder weniger, Al: 0,1 ppm-Gew. oder weniger, Ca: 0,1 ppm-Gew. oder weniger und Ca: 0,1 ppm-Gew. oder weniger) im voraus durch einen Elektronenstrahl geschmolzen, und das Silicium wurde als ein Siliciumfilm 5 (Schale) geschmolzen, der durch Erstarrung des geschmolzenen Siliciums hergestellt wurde.
  • Die geschmolzenen Mengen an raffiniertem Silicium, die unter den obigen Schmelzbedingungen erhalten wurden, und die Konzentrationen an P, Al und Ca, die in den Siliciumerzeugnissen enthalten sind, wurden mittels induktiv gekoppelter Plasmaemissionsspektralanalyse untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. In dem Fall eines wassergekühlten Kupfergefäßes 6 war die Menge an geschmolzenem Silicium 1,2 kg (ungefähr 50% der geladenen Menge) bei einer Elektronenstrahlausgangsleistung von 30 kW, und in dem Fall des Graphitgefäßes 8 war die geschmolzene Menge 2,5 kg (die gesamte geladene Menge), die ungefähr das Doppelte von der des wassergekühlten Kupfergefäßes 6 war. Aus diesen Ergebnissen ist klar, daß der Wärmewirkungsgrad scharf wegen der Wirkung des Graphitgefäßes 8 erhöht wurde, und die Menge an geschmolzenem Silicium bei einer konstanten Elektronenstrahlausgangsleistung wurde in hohem Maße verglichen mit der herkömmlichen vergrößert.
  • In bezug auf die Konzentrationen der Verunreinigungen, die in dem Silicium enthalten sind, wurde herausgefunden, daß bei Verwendung des Graphitgefäßes 8 die Beseitigungsrate der Verunreinigungen verglichen mit dem wassergekühlten Gefäß 6 erhöht und die zum Entfernen der Verunreinigungen benötigte Zeit verringert wurde. In bezug auf die Konzentration von Kohlenstoff wurde kaum ein Unterschied beobachtet. Kohlenstoff, der von dem Graphitgefäß 8 herkam, stellte keine Probleme dar.
  • Tabelle 1
  • Ferner wurden die entsprechenden Graphitgefäße mit dem unbewaffnetem Auge beobachtet, um die Gegenwart oder das Fehlen von "Auslaufen" sicherzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt, die folgt. Die sehr kleinen Poren des Graphits, der eine Dichte von 1,5 g/cm³ hatte, bewirkten oder erlaubten kein "Auslecken" von Silicium aus dem des Gefäßes. Tabelle 2
  • Beispiel 2: Einzelnes, hochreines Graphitgefäß
  • Das bei diesem Versuch geprüfte Graphitgefäß 8 hatte eine höhere Dichte als beim Beispiel 1. Die Verunreinigungskonzentrationen von P, Al und Ca in dem Gefäß waren kleiner als 0,1 ppm-Gew.. Das Gefäß wurde in der gleichen Unterdruckvorrichtung angeordnet, wie sie beim Beispiel 1 verwendet wurde, und dieses war mit handelsüblichem Siliciummetall beladen, wie es der Fall bei dem vorhergehenden Beispiel war, damit das Silicium bei ausgewählten Elektronenstrahlausgangsleistungen von 30 und 60 kW geschmolzen wurde.
  • Das erhaltene, raffinierte Silicium wurde chemisch mittels der ICP Emissionsspektralanalyse untersucht und wir erhielten die in Tabelle 3 gezeigten Ergebnisse. Wie es aus dem Vergleich der Messung Nr. 3 mit der Messung Nr. 4 in Beispiel 1 offensichtlich ist, wurde herausgefunden, daß Graphit mit einer höheren Reinheit die Konzentrationen an Verunreinigungen, die in dem raffinierten Siliciumerzeugnis erhalten sind, beträchtlich verringerte. Dies bestätigte, daß die Wirkung des weiteren verbessert wurde, indem das Graphitgefäß 8 mit einer höheren Reinheit als die Sollkonzentrationen der Verunreinigungen vorgesehen wurde, die in dem raffinierten Silicium enthalten sind. Tabelle 3
  • Beispiel 3: Zwei oder mehr Graphitgefäße
  • Eine schematische Zeichnung einer Vorrichtung, die mit zwei aufeinanderfolgenden Schmelzgefäßen versehen ist, ist in Fig. 3 gezeigt. Zwei Graphitgefäße 8a, 8b wurden in einer Unterdruckkammer 3 angeordnet, und es wurden zwei Elektronenstrahlkanonen 10, 12 mit jeweils einer maximalen Ausgangsleistung der 100 kW Klasse über den Graphitgefäßen 8a, 8b vorgesehen. Raffiniertes Silicium 22 wurde in eine Graphitgußform (Auffänger) 31 gegossen. In bezug auf die Form der Graphitgefäße 8a, 8b hatte jedes von ihnen eine Oberfläche von 150 · 300 mm auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls und eine Tiefe von 80 mm. Die Höhe einer Überlauföffnung 14 ist 60 mm oberhalb der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem nachfolgenden Gefäß.
  • Die obenbeschriebene Vorrichtung wurde verwendet, damit das obere oder anfängliche Graphitgefäß 8a mit 2,5 kg des gleichen MG-Si Pulver beladen wird, wie es bei den Beispielen 1 und 2 verwendet wurde, und das Silicium wurde mit einem Elektronenstrahl 11 mit einer Ausgangsleistung von 30 kW von der Elektronenstrahlkanone 10 bestrahlt, während die Oberfläche des geschmolzenen Metalls abgetastet wurde, so daß das Silicium geschmolzen wurde. Nach Schmelzen während 5 Minuten wurde Siliciummaterial 21 (MG-Si) von einem Rohmaterialzuführer 15 mit einer gesteuerten Rate geladen. Geschmolzenes Silicium 22 lief entsprechend aus einer Überlauföffnung 14 des anfänglichen Graphitgefäßes 8a über und wurde in dem nachfolgenden Graphitgefäß 8b aufgenommen, und das geschmolzene Silicium 22 in dem Graphitgefäß 8a und in dem Graphitgefäß 8b wurde jeweils mit den Elektronenstrahlen 11, 13 mit jeweils einer Ausgangsleistung von 30 kW von den Elektronenstrahlkanonen 10, 12 bestrahlt, während die Oberflächen des geschmolzenen Metalls abgetastet wurde. Das geschmolzene Silicium 22 lief aus der Überlauföffnung 14 des nachfolgenden Graphitgefäßes 8b in eine Graphitgießform (Auffänger) 31. Das Elektronenstrahlschmelzen wurde in den Graphitgefäßen 8a, 8b fortgesetzt, bis 10 kg raffiniertes Silicium in der Graphitgießform 31 gesammelt worden sind. In diesem Fall wurde eine Absetzung 33 beobachtet, die an dem oberen Rand der Innenseite eines jeden Graphitgefäßes 8a, 8b anhaftete. Festes Silicium 9 blieb an dem Boden von jedem Graphitgefäß 8a, 8b zurück.
  • Das gereinigte Siliciumerzeugnis 32, das unter den obenbeschriebenen Bedingungen erhalten wurde, wurde chemisch durch das ICP Verfahren untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Entsprechend diesen Ergebnissen wurde, wenn das Rohmaterial fortlaufend zugeführt wurde, die Konzentrationen von P, Al und Ca, die in dem Silicium enthalten waren, auf 0,2 ppm-Gew., 10 ppm-Gew. bzw. 0,5 ppm-Gew. oder weniger in einer kurzen Zeit verringert, indem zwei Graphitgefäße 8a, 8b in Reihe verwendet wurden und eine geeignete Durchsatzmengenrate des Rohmaterials ausgewählt wurde. Tabelle 4
  • Beispiel 4
  • Eine schematische Zeichnung der bei diesem Beispiel verwendeten Schmelzvorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Ein einzelnes Graphitgefäß 8a wurde in einer Unterdruckkammer 3 angeordnet, und zwei Elektronenstrahlkanonen 10, 12 mit einer maximalen Ausgangsleistung der 100 kW Klasse wurden über dem Graphitgefäß 8a vorgesehen. Jedes Gefäß 8a, 8b der Fig. 3 hatte die Hälfte an geschmolzenem Metall verglichen mit dem Gefäß der Fig. 4. Der Druck der Unterdruckkammer 3 der Fig. 4 wurde auf 1 · 10&supmin;&sup4; Torr eingestellt. Die obige Vorrichtung hatte die gleiche Kapazität wie die der Schmelzvorrichtung, die in Fig. 3 gezeigt ist. Raffiniertes Silicium wurde in einer Graphitgießform 31 gewonnen. In bezug auf die Form des Graphitgefäßes war seine Oberfläche 150 · 600 mm an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls und seine Tiefe war 80 mm. Die Höhe einer Überlauföffnung 14 ist 60 mm oberhalb der Oberfläche des geschmolzenen Metalls in dem nachfolgenden Gefäß. Der Druck der Unterdruckkammer war 1,33 · 10&supmin;&sup7; bar (1 · 10&supmin;&sup4; Torr), und die Ausgangsleistung von jedem Elektronenstrahl 11, 13 aus den Elektronenstrahlkanonen 10, 12 war 30 kW.
  • Die obenbeschriebene Vorrichtung wurde verwendet, das Graphitgefäß 8a der Fig. 4 mit 5 kg an MG-Si Pulver zu beladen und das Silicium wurde mit beiden Elektronenstrahlen 11, 13 von jeweils einer Ausgangsleistung 30 kW von den Elektronenstrahlkanonen 10, 11 bestrahlt, während die Oberfläche des geschmolzenen Metalls abgetastet wurde, wodurch das Silicium geschmolzen wurde. Nach dem Schmelzen während 5 Minuten wurde das MG-Si, das das Rohmaterial war, von einer Rohmaterialzuführung 15 mit einer vorbestimmten Rate zugeführt. Raffiniertes, geschmolzenes Silicium 22 lief entsprechend aus der Überlauföffnung des Graphitgefäßes 8a aus und wurde von einer Graphitgießform 31 aufgenommen. Das Elektronenstrahlschmelzen wurde fortgesetzt, bis 10 kg an raffiniertem Silicium gesammelt worden waren.
  • Das unter den obenbeschriebenen Bedingungen erhaltene Siliciumerzeugnis wurde chemisch durch das ICP Verfahren untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Entsprechend diesen Ergebnissen wurde herausgefunden, daß die Konzentrationen an P, Al und Ca, die in dem Silicium enthalten sind, auf ungefähr 0,8 ppm-Gew., ungefähr 50 ppm-Gew. bzw. 0,8 ppm-Gew. in dem einzelnen Graphitgefäß dieses Beispiels verringert wurden. Tabelle 5
  • Wie es oben beschrieben wurde, können, da das Graphitgefäß nicht mit Wasser beim Schmelzen von Silicium mittels eines Elektronenstrahls gekühlt werden muß, Verunreinigungen wirksam durch Elektronenstrahlschmelzen entfernt werden, und kristallines Silicium kann mit hoher Reinheit und mit hoher Produktivität erzeugt werden.
  • Des weiteren kann mit der vorliegenden Erfindung eine Verunreinigung verhindert werden, die durch ungeschmolzenes, festes Rohrmaterial, das an dem Boden des geschmolzenen Siliciums verbleibt und P, Al und Ca in großen Mengen enthält, und Silicium hervorgerufen wird, das an dem Graphitschmelztiegel unmittelbar nach dem Schmelzen oder dem Verdampfen anhaftet und P, Al und Ca in großen Mengen enthält. Entsprechend können P, Al und Ca, die in dem Silicium enthalten sind, verringert werden, und Silicium mit Konzentrationen von P, Al und Ca mit 0,2 ppm-Gew., 10 ppm- Gew. bzw. 0,5 ppm-Gew. kann ohne weiteres in kurzer Zeit erzeugt werden.
  • Man erkennt, daß diese Erfindung mit einem oder mehr als einem Graphitgefäß, mit einem oder mehr als einer Unterdruckkammer oder mit einer oder mehr als einem Elektronenstrahlbestrahler durchgeführt werden kann, und daß mehrere Gefäße physikalisch in einer Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten in Reihe parallel oder in verschiedenen Kombinationen oder Abänderungen angeordnet werden können. Während diese Beschreibung besonders die Entfernung von P, Al und Ca als besonders bedeutende schwierige Verunreinigungen hervorgehoben hat, kann die Erfindung viele andere Verunreinigungen ebenso entfernen, insbesondere jene, die einen höheren Dampfdruck als Silicium haben.
  • Viele andere Abänderungen können bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemacht werden, die die Verwendung gewisser Merkmale unabhängig von anderen Merkmalen, die Reihenfolgeumkehrung von Verfahrensschritten und dem Ersatz durch Äquivalente umfassen, die alle innerhalb des Bereiches der Erfindung sind, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht ist.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Raffinieren von Silicium durch Bestrahlen und Schmelzen von Silicium in einem Gefäß (8) aus Graphit, der eine Dichte von mindestens 1,5 g/cm³ aufweist, unter verringertem Druck durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl (11, 13) und dadurch Verdampfen von flüchtigen Verunreinigungen aus dem Silicium.
  2. 2. Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
    Bereitstellen einer Mehrzahl von Graphitgefäßen (8);
    Zuführen von festem Silicium zu einem der Graphitgefäße (8);
    Bestrahlen des Siliciums darin mit einem Elektronenstrahl (11, 13), um dadurch das Silicium zu schmelzen;
    Gießen des sich ergebenden geschmolzenen Siliciums in ein nachfolgendes Graphitgefäß (8) der Mehrzahl von Gefäßen; und
    weiteres Bestrahlen des umgegossenen Siliciums mit einem Elektronenstrahl (11, 13) in dem nachfolgenden Graphitgefäß (8).
  3. 3. Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert, gekennzeichnet durch die Schritte, Sollkonzentrationen an Verunreinigungen vorzusehen, die in dem gereinigten Siliciumerzeugnis verlangt werden, und Steuern der Konzentrationen an Verunreinigungen, die in dem Graphitgefäßmaterial enthalten sind, auf Werte, die niedriger als die Sollkonzentrationen der Verunreinigungen in dem gereinigten Siliciumerzeugnis sind.
  4. 4. Vorrichtung zum Raffinieren von Silicium durch Schmelzen von Silicium unter verringertem Druck durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl (11, 13), um in dem Silicium enthaltene Verunreinigungen zu verdampfen, umfassend:
    eine Mehrzahl miteinander verbundener Graphitgefäße (8), die zur aufeinanderfolgenden Verarbeitung von geschmolzenem Silicium mit aufeinanderfolgenden Elektronenstrahlbestrahlungsschritten angeordnet sind, wobei
    jedes Graphitgefäß (8) in einer Unterdruckkammer (3) angeordnet ist, wobei die Dichte von jedem Graphitgefäß (8) zumindest 1,5 g/cm³ ist,
    eine Vorrichtung (15) zum Zuführen von festem Siliciumrohmaterial zu mindestens einem der Gefäße, wobei
    jedes der Graphitgefäße (8) eine Einrichtung (14) zum Gießen von geschmolzenem Silicium in ein Nachfolgegefäß aufweist,
    zumindest einige der Gefäße eine Elektronenstrahlkanone (10, 12) zum Schmelzen des Siliciums in diesem Gefäß aufweisen, und
    die Vorrichtung auch ein Auffanggefäß (31) umfaßt, das zum Aufnehmen und Erstarren des sich ergebenden, geschmolzenen Siliciumerzeugnisses angeordnet ist.
  5. 5. Vorrichtung, wie in Anspruch 4 definiert, wobei die Graphitgefäße (8) auf aufeinanderfolgenden Höhen angeordnet sind und die Gießvorrichtungen zum Gießen des geschmolzenen Siliciums durch das Eigengewicht von einem Gefäß zu seinem Nachfolger vorgesehen sind.
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