DE69801132T2 - Silizium-Zuführsystem - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Aufwachsen von dendritischen Siliziumbändern aus einer Schmelze. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein verbessertes Zuführsystem zum Zuführen von Siliziumbeschickungsmaterial an eine in einem Ofen bereitgehaltene Schmelze, um kontinuierlich die Schmelze nachzufüllen, wenn ein dentritisches Silizium-Einkristallband gezogen wird.
• Das Ziehen eines n- oder p-Typs von dendritischem Siliziumband wird typischerweise in einem System durchgeführt, das eine geheizte Aufnahmeeinrichtung mit einem Tiegel umfaßt, in dem geschmolzenes Silizium (die Schmelze) in einem Ofen mit inerter Atmosphäre enthalten ist. Die Erhitzung geschieht typischerweise durch eine Induktionsspule oder durch Widerstandsheizung, d. h., ein relativ hoher Strom wird durch Graphitplatten geleitet. Das Siliziumband wird durch das Erstarren eines Flüssigkeitsfilms gebildet, der durch Oberflächenspannung zwischen zwei Siliziumadern gehalten wird, die als Dendriten bekannt sind. Nach der Bildung des Bandes werden diese Dendriten von dem Band entfernt, wenn es in individuelle Elemente verarbeitet wird. Das Verfahren zum Nachfüllen der Schmelze ist sehr wichtig zur Senkung der Kosten und zur Verbesserung des Bandaufwachsens und der Kristallqualität.
• In einem System für das Aufwachsen eines dendritischen Bandes können Siliziumteilchen oder Pellets an einem oder beiden Enden des Tiegels hinzugefügt werden, wenn die Bandkristalle gezogen werden, um die Schmelze wieder aufzufüllen. Die Wärme, die in den Regionen absorbiert wird, wo das Schmelzen des Nachfüllmaterials stattfindet, erzeugt ein wesentliches thermisches Ungleichgewicht in dem Bereich, aus dem das Band gezogen wird, und stört das Aufwachsen. Diese Störung kann vermindert werden durch ein gleichförmiges und dauerndes Eingeben von Siliziumteilchen in einer gesteuerten Menge. Ein langes und kontinuierliches Aufwachsen eines dendritischen Silizium-Einkristall-Bandes erfordert es, daß Silizium in der Schmelze nachgefüllt wird, wenn der Kristall gezogen wird. Dies kann durch einen Zuführmechanismus, der über der Schmelze, jedoch außerhalb der Ofenkammer angeordnet ist, aus einem Reservoir von Siliziumteilchen geschehen. Jedoch verursachen Siliziumschrot, Pellets und andere unregelmäßige Formen und Größen, die kommerziell verfügbar sind, eine unregelmäßige Arbeitsweise des Zuführmechanismus. Die Probleme können reichen vom Betrieb ohne in die Schmelze fallende Teilchen bis zu einem katastrophalen Schwall von Teilchen in die Schmelze, was das geschmolzene Silizium veranlaßt, überzufließen und wertvolle Ofenteile aus Molybdän zu zerstören.
• Abgesehen davon, daß der frühere Zuführmechanismus komplex und daher hinsichtlich der Materialverwendung und hinsichtlich des erforderlichen Aufwandes bei Bearbeitung und Zusammenbau kostspielig ist, nimmt er auch ein großes Volumen ein. Wenn eine größere Siliziummenge freigegeben wird, so daß sie über den Tiegel fließt oder in falsche Richtung geleitet wird und nicht die richtige Öffnung erreicht, reagiert das Silizium mit teueren Ofenkomponenten aus Molybden und zerstört sie. Im anderen Extrem, wenn die Bedienungsperson des Zuführmechanismus nicht merkt, daß ein Teilchenmangel vorliegt, kann der frühere Zuführmechanismus für eine ausgedehnte Zeitspanne leer arbeiten, was dazu führt, daß der Schmelzspiegel in dem Tiegel abfällt und das Band dünner wird oder ganz aus der Schmelze heraustritt. Teilchen können auch in kleine Löcher oder Röhren eingeklemmt werden und nicht herunterfallen. Dies führt zu einer großen Ungenauigkeit in der Menge der Siliziumzuführung an die Schmelze.
• Beispielsweise ist eine bekannte Zuführeinrichtung in der EP 0 170 856 A1 beschrieben, wo ein Zuführband vorgesehen ist, um Pellets, die aus einer Entladungsrinne kommen, in eine Zuführröhre zu transportieren, die sich in einen Tiegel erstreckt. Der Mechanismus hat keine Vorrichtung, um die Pellets in Aufeinanderfolge zuzuführen, um zuverlässig die Zuführmenge zu steuern.
• In einem Ausgabemechanismus, der dazu ausgebildet ist, daß er Waren, wie Dragee-Bonbons, in Aufeinanderfolge transportiert, werden zwei benachbarte Trommeln verwendet, die in entgegengesetzter Richtung rotieren (GB 2 085 831 A). Dieser Mechanismus benötigt jedoch eine vibrierende Rutsche, um die Ware an die rotierenden Trommeln zu liefern. Eine solche Anordnung ist für das Zuführen von Pellets in einem evakuierten System unangebracht.
• In einigen Systemen, wie z. B. vibrierenden Zuführern, kann eine Teilchentrennung infolge der Menge des Materials stattfinden, die in der vibrierenden Schale erforderlich ist, um die Zuführung zu beginnen. Die Teilchen trennen sich nach einer Zeitspanne, wobei größere Teilchen nach dem Zentrum wandern und kleinere nach der Außenseite, wo eine geneigte Metallrutsche angeordnet ist. Dies macht das Kalibrieren dieser Art von System schwierig, da es ungewiß ist, welche Teilchengröße für irgendein gegebenes Anregungsniveau ausgegeben wird.
• Es ist daher erwünscht, über ein Silizium-Zuführgerät zu verfügen, das Silizium in Halbleiterqualität in einen Ofen mit kontrollierter Atmosphäre durch ein System ohne metallische Komponenten liefern kann, die das Silizium kontaminieren könnten, und das in der Lage ist, ein Vakuum von ungefähr 2,6 Pascal (20 Millitorr) zu halten, so daß der Zuführmechanismus und der Ofen evakuiert und dann wieder mit einer inerten und feuchtigkeitsfreien Atmosphäre gefüllt werden kann.
• Die oben beschriebenen Nachteile der früheren Zuführsysteme werden überwunden durch ein verbessertes, zuverlässiges und viel einfacheres Zuführsystem. Das Gerät nach der Erfindung hat ein Pelletreservoir, das über dem Zuführmechanismus angeordnet ist. Das Pelletreservoir ist mit einem Zuführmechanismus mit Hilfe einer oberen Zuführröhre verbunden, welche es den Pellets ermöglicht, durch Schwerkraft zu fließen. Die Kontur am Ende der Röhre entspricht weitgehend dem Umriß eines Paars von Zuführrollen, die entlang der Längsachse des Zuführmechanismus angeordnet sind. Die Rollen, die einander eng benachbart sind, werden von einem Rahmen getragen und können auf einem Set von Lagern rotieren. Die Rollen werden ferner über ein Set von Zahnrädern miteinander verbunden. Im Betrieb ermöglicht es das Rotieren der Treibrollen in Richtung des Pelletflusses den Pellets, frei zu rollen und zu rotieren, so daß sie dem Antriebsmotor wenig Widerstand entgegensetzen. Durch eine Winkelstellung der Rollen bewegt die Schwerkraft die Pellets von der Zuführröhre weg und erzeugt eine Kette von Pellets, die sich an das Ende der Rollen bewegen. Durch Steuern der Rotationsgeschwindigkeit kann man die Rate steuern, mit der die Pellets von den Rollen ausgegeben werden. Die Pellets werden dann in die Beschickungskammer im Ofen geleitet.
• Für ein volles Verständnis des Wesens und der Vorteile der Erfindung wird nun auf die detaillierte Beschreibung verwiesen, zusammen mit den beigefügten Zeichnungen.
• Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die das Kammergehäuse und den darin enthaltenen Rollen-Zuführmechanismus zeigt;
• Fig. 2 ist eine detaillierte Schnittansicht der Beziehung des Trichters zu dem Paar von Treibrollen;
• Fig. 3 ist eine detaillierte vordere Schnittansicht der Zuführröhre, die die Kontur des Endes der Röhre zeigt;
• Fig. 4 ist eine detaillierte Seitenschnittansicht der Zuführröhre; und
• Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Treibrollenrotation und der Zuführrate bei einem Winkel der Treibrollen von 10 Grad zur Horizontalen zeigt.
• Es wird nun die bevorzugte Ausführungsform im Detail beschrieben. Fig. 1 ist ein System, das die vorliegende Erfindung zum Zuführen von Siliziumteilchen verschiedener Größen und Formen in eine Siliziumschmelze in einem Tiegel innerhalb eines Ofens zeigt. Ein Gehäuse 8, das hermetisch abgedichtet werden kann, ist groß genug, um die vorliegende Erfindung zu enthalten. Ein Reservoir 3 enthält Siliziumteilchen 4 verschiedener Größen und Formen. Diese Teilchen werden im allgemeinen gesiebt, um in einem Bereich zwischen 0,6 mm bis ungefähr 2 mm zu liegen. Eine Röhre 2 verbindet das Vorratsreservoir 3 mit den Zuführrollen 1. Die Endform der Röhre 2 bestimmt die Menge der Teilchen, die freigegeben werden, wenn die Rollen 1 rotieren. Wie am besten aus Fig. 3 und 4 erkennbar, richtet ein nach unten sich erstreckender Schwanz 12 an dem unteren Ende der Zuführröhre 2 den Hauptanteil des Materialflusses auf die Oberfläche von Rollen 1. Der Schwanzabschnitt 12 hat ein Paar von flankierenden gekrümmten Wandsektionen 13, deren Umriß so ist, daß sie mit den benachbarten Oberflächenabschnitten der Rollen 1 konform sind. Die Röhre 2 wird vorzugsweise aus rostfreiem Stahl geformt, z. B. die Typen 303, 304 von rostfreiem Stahl.
• Die Rollen 1 sind miteinander über ein Set von Zahnrädern 10 gekoppelt, die die gleichen Teilungsdurchmesser wie die Treibrollen haben. Bezugnehmend auf Fig. 2 haben die Rollen 1 im wesentlichen den gleichen Durchmesser und werden vorzugsweise aus Urethangummi (beispielsweise 56 Durometer Shore A) hergestellt, um es jeglichem Pellet, das zwischen den unteren Enden der Zuführröhre 2 und einer der Treibrollen 1 gefangen wird, zu ermöglichen, die Treibrolle 1 zu deformieren und an ihr vorbeilaufen, wobei es auf der anderen Seite der Zuführröhre ausgeworfen wird, ohne daß dies eine Stauung und ein Stocken des Motors 7 verursacht. Der Motor 7 ist mit einer der Treibrollen 1 über eine konventionelle Kupplung 6 verbunden. Die Rollen 1 sind für die Rotation auf abgedeckten Lagern 5 montiert, die mit Hilfe einer Rahmenumfassung in Position gehalten werden. Der Motor 7 kann mit verschiedenen Geschwindigkeiten betrieben werden, um die Zuführrate in einer gewünschten Menge zu variieren. Pellets verlassen das untere Ende der Zuführröhre 2 mit einer Rate, die von dem Neigungswinkel der Rollen 1 sowie der Rotationsgeschwindigkeit abhängt. Die Pellets wandern zum Ende der Rolle 1 und rollen hintereinander ab, wobei sie dem Teilchenweg 11 in den Ofen (nicht dargestellt) folgen. Mit Urethanrollen 1 werden, wenn die Rotation stoppt, die Pellets wegen der Reibung auf der Rollenoberfläche ebenfalls anhalten.
• Die Rahmenumfassung 9 ist mit einer Vakuumauslaßöffnung 14 sowie einer Gaseinlaßöffnung 16 versehen. Die Vakuumauslaßöffnung 14 ist mit einer Vakuumquelle verbunden, so daß das Innere der Rahmenumfassung 9 auf ein Arbeitsniveau evakuiert werden kann (vorzugsweise ungefähr 2,6 Pascal, 20 Millitorr), nachdem das Beschickungsmaterial im Reservoir 3 eingefüllt worden ist. Die Gaseinlaßöffnung 16 ist mit einer Quelle von inertem Gas verbunden, um eine inerte Atmosphäre im Inneren der Rahmenumfassung 9 zu erzeugen. Die Vakuumquelle und die Inertgasquelle können die gleiche sein wie sie zum Evakuieren und zum Einbringen einer inerten Atmosphäre in dem zugeordneten Siliziumschmelzofen verwendet worden ist.
• Es wurden experimentelle Tests durchgeführt, um die Fähigkeit des oben beschriebenen Geräts zu bestimmen, eine konstante Zuführrate aufrechtzuerhalten. Tabelle 1 zeigt die Zuführrate als Funktion der Rollengeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute (UpM) bei einer Rollenneigung von 15 Grad zur Horizontalen. Die Zuführrate ist nicht gleichmäßig, da das zugeführte Beschickungsmaterial jeweils aus großen abgeschlossenen Mengen besteht; der Mechanismus hält jedoch eine Zuführrate in der Nachbarschaft um die gewünschte Zuführratenlinie aufrecht.
Tabelle 1 UpM G/min
• 0,18 0,038
• 0,281 0,0553
• 0,3 82 0,072
• 0,485 0,0925
• 0,582 0,1208
• 0,6 0,13
• 1 0,24
• 1,4 0,32
• 2 0,39
• 2,3 0,46
• Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Zuführrate über den Umdrehungen pro Minute der Rollen für eine Neigung von 10 Grad zur Horizontalen.
• Wie man nunmehr erkennt, sind Siliziumzuführsyteme, die gemäß den Lehren der Erfindung ausgeführt sind, in der Lage, Siliziumbeschickungsmaterial mit einer zuverlässigen Zuführrate zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist es durch Einstellen der Teilchengröße des Beschickungsmaterials und zusätzliche Rückkopplungssteuerung möglich, eine viel größere Genauigkeit in der Aufrechterhaltung einer konstanten Zuführrate zu erzielen. Zusätzlich stellt die Erfindung ein Siliziumzuführgerät zur Verfügung, das in der Lage ist, Siliziumbeschickungsmaterial in einen Ofen mit kontrollierter Atmosphäre ohne die Notwendigkeit für metallische Komponenten zu liefern, die das Silizium kontaminieren könnten. Zusätzlich kann die Erfindung ein Vakuum halten, wie es für das Aufwachsen von Siliziumbändern erforderlich ist, so daß sowohl der Zuführmechanismus als auch der zugeordnete Ofen evakuiert und wieder mit einer inerten und feuchtigkeitsfreien Atmosphäre gefüllt werden kann.
• Während hiermit eine volle und vollständige Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung gegeben ist, werden verschiedene Modifikationen, alternierende Konstruktionen und Äquivalente dem Fachmann bewußt sein.

Claims (8)

1. Gerät zum Zuführen von Beschickungsteilchen in steuerbarer Menge in einen Siliziumschmelzofen, enthaltend:

ein Reservoir, das eine Menge von Beschickungsteilchen enthält;

eine Zuführröhre, die sich von dem Reservoir nach unten erstreckt, wobei die Zuführröhre ein erstes Ende hat, das mit dem Reservoir verbunden ist, und ein offenes Auslaßende;

ein Paar drehbarer Treibrollen, um einen Teilchenzuführungsweg zu bilden, der mit einem Abwärtswinkel an einer Position benachbart dem offenen Ende der Zuführröhre befestigt ist, um den Fluß der Beschickungsteilchen entlang der Oberfläche zu erleichtern;

eine Vorrichtung zum Drehen der Treibrollen; und

ein Gehäuse, das das Reservoir, die Zuführröhre, das Paar drehbarer Treibrollen und die Drehvorrichtung umgeben kann, wobei das Gehäuse auf ein Arbeitsvakuum evakuiert ist und inertes Gas enthält, wobei das Gehäuse einen Auslaß für Beschickungsteilchen aufweist,

und wobei die Drehvorrichtung so ausgelegt ist, daß sie die Beschickungsteilchen, die zunächst in dem Reservoir vorhanden sind, dazu veranlaßt, durch Schwerkraft durch die Zuführröhre aus dem Auslaßende und entlang der Oberfläche der Rollen an den Auslaß für die Beschickungsteilchen zugeführt zu werden.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei in dem Gehäuse eine Vakuumauslaßöffnung und eine Gaseinlaßöffnung vorhanden ist, um das Evakuieren des Gehäuseinneren auf das Arbeitsvakuumniveau und das Füllen des Gehäuseinneren mit inertem Gas zu erleichtern.

3. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Treibrollen aus einem nachgiebigen Material hergestellt sind.

4. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Drehvorrichtung einen Antriebsmotor sowie ein in gegenseitigem Eingriff stehendes Paar von Zahnrädern für das Paar von Antriebsrollen umfaßt.

5. Gerät nach Anspruch 4, wobei eine Treibkupplung zwischen dem Motor und einem aus dem Paar der Treibrollen vorgesehen ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, wobei die Zahnräder an den Enden des Paares von Treibrollen entfernt von dem Motor angeordnet sind.

7. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Auslaßende der Zuführröhre einen Schwanzabschnitt hat, der sich zwischen den Oberflächen des Paars von Treibrollen erstreckt.

8. Gerät nach Anspruch 7, wobei der Umriß des Schwanzabschnittes entsprechend den benachbarten Oberflächenabschnitten der Rollen ausgebildet ist.