專利名稱:落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及使無機(jī)材料的粒狀熔液從落下管內(nèi)自由下落的同時使其凝固、制得近似球狀的結(jié)晶體的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,特別涉及冷卻落下中的熔液的冷卻用氣體以與熔液落下方向相同的方向和幾乎相同的流速流動的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置。
背景技術(shù):
美國專利第4,322,379號公報中記載了在石英制落下管的上端部的內(nèi)部加熱半導(dǎo)體硅形成熔液,使氦氣的氣體壓力作用于該熔液,使粒狀熔液在落下管內(nèi)自由下落,在其自由下落的過程中使其凝固,制得尺寸幾乎一定的淚滴形結(jié)晶。但是,由于受到落下管內(nèi)的氣體的落下阻力,所以無法形成足夠小的重力狀態(tài)。
如美國專利第6,204,545號公報所述,本申請的發(fā)明者揭示了可制造粒狀半導(dǎo)體單晶的落下管型球狀結(jié)晶制造裝置。該球狀結(jié)晶制造裝置中,在長約14m的落下管的上端部分的內(nèi)部將半導(dǎo)體粒子形成浮游狀態(tài)的熔液,使該熔液在抽真空的落下管內(nèi)自由下落,以落下過程中的微小重力狀態(tài)利用放射冷卻使熔液凝固,獲得球狀半導(dǎo)體單晶。該球狀結(jié)晶制造裝置的落下管的整個長度中的直徑都是相同的,沒有采用冷卻用氣體對熔液進(jìn)行冷卻。
由于僅通過放射冷卻對粒狀熔液進(jìn)行冷卻,所以冷卻時間延長,必需采用更高的落下管,這樣設(shè)備費用昂貴。而且,很難對熔液的整個表面進(jìn)行均一地冷卻。采用硅等熔液的情況下,由于熔液在凝固時具有膨脹的性質(zhì),所以一旦熔液的整個表面的冷卻不均一,就易造成凝固的球狀結(jié)晶的形狀不一致。
美國專利第6,106,614號公報中提出了落錘塔式球狀結(jié)晶制造裝置。該球狀結(jié)晶制造裝置中,在落錘塔的上端側(cè)設(shè)置了石英制坩堝,從外部向坩堝供給粉狀半導(dǎo)體(例如半導(dǎo)體硅)的同時,使半導(dǎo)體在坩堝內(nèi)熔解,利用振動附加裝置使坩堝內(nèi)的熔液振動,從而使粒狀熔液從坩堝下端的噴嘴在落錘塔內(nèi)落下。在落錘塔中段部的晶核形成區(qū)設(shè)置了形成從下至上的冷卻用惰性氣體氣流的冷卻用氣流形成裝置,以及使落下的粒狀熔液產(chǎn)生晶種的晶種產(chǎn)生裝置。在落錘塔內(nèi)落下的粒狀熔液如果在晶核形成區(qū)內(nèi)被冷卻用氣體冷卻為過冷狀態(tài),再通過晶種產(chǎn)生裝置刺激過冷狀態(tài)的粒狀熔液而使晶種產(chǎn)生,則粒狀熔液凝固,形成球狀結(jié)晶。在落錘塔的下段部設(shè)置了使球狀結(jié)晶的動量消失的動量消失區(qū),該動量消失區(qū)設(shè)置了使球狀結(jié)晶的運動方向從垂直方向變化為水平方向的彎曲通路,以及形成從下至上的惰性氣體氣流的減速用氣流形成裝置。
但是,該公報的球狀結(jié)晶制造裝置中,由于在晶核形成區(qū)內(nèi)與落下方向相反方向的冷卻用氣體的氣流作用于落下過程中的粒狀熔液,所以形成與自由下落不同的落下狀態(tài),由于有外力作用于落下過程中的粒狀熔液,所以熔液內(nèi)的結(jié)構(gòu)易發(fā)生變化,易發(fā)生凝固的球狀結(jié)晶的形狀不一致,并一定能夠獲得單晶。
本發(fā)明的目的是提供利用冷卻用氣體冷卻粒狀熔液、同時可維持自由下落的微小重力狀態(tài)的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置。本發(fā)明的另一目的是提供利用冷卻用氣體對過冷狀態(tài)的熔液產(chǎn)生沖擊、可生成晶種的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置。
此外,本發(fā)明的目的是提供通過冷卻用氣體的冷卻可縮短落下管高度的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置。
本發(fā)明還有一個目的是提供使冷卻用氣體循環(huán)、減少氣體消費量的同時可控制氣壓而實現(xiàn)穩(wěn)定化的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置。
發(fā)明的揭示本發(fā)明的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置是使無機(jī)材料的粒狀熔液在落下管內(nèi)自由下落的同時使其凝固、獲得近似球狀的結(jié)晶體的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,該裝置的特征是,在前述落下管內(nèi)部設(shè)置形成從上至下的冷卻用氣體的氣流的氣流形成裝置,前述落下管具備越向下截面積越小而使冷卻用氣體的流速與前述粒狀熔液的落下速度幾乎相等的冷卻用管,以及與該冷卻用管的下端連接、且從該冷卻用管的下端開始截面積不連續(xù)地擴(kuò)大的凝固用管。
利用氣流形成裝置在落下管的內(nèi)部形成從上至下的冷卻用氣體的氣流。由于前述落下管中的冷卻用管越向下截面積越小而使冷卻用氣體的流速與粒狀熔液的自由下落速度幾乎相等,所以在冷卻用管內(nèi)部,冷卻用氣體的流速與粒狀熔液的落下速度幾乎相等。因此,粒狀熔液在冷卻用管內(nèi)部的落下過程中,一邊維持自由下落的微小重力狀態(tài),同時被冷卻用氣體冷卻至過冷狀態(tài)。
落下管中的凝固用管與前述冷卻用管的下端連接,且從該冷卻用管的下端開始截面積不連續(xù)地擴(kuò)大。因此,如果冷卻用氣體從冷卻用管進(jìn)入凝固用管,則其流速不連續(xù)地減慢,冷卻用氣體的氣壓不連續(xù)地增大。所以,在處于微小重力狀態(tài)的過冷狀態(tài)的熔液突入凝固用管內(nèi)部的瞬間對熔液造成沖擊力,產(chǎn)生晶核,以該晶核為起點球狀熔液瞬時形成單晶,從而形成近似球狀的結(jié)晶體。
這樣,由于利用冷卻用氣體冷卻粒狀熔液,并維持氣體阻力較少的自由下落狀態(tài),所以能夠制得近似球狀的單晶的結(jié)晶體。此外,利用冷卻用氣體對過冷狀態(tài)的粒狀熔液造成沖擊,能夠使晶核產(chǎn)生,繼而使結(jié)晶生成,從而制得結(jié)晶體。而且,由于利用冷卻用氣體有效地進(jìn)行了冷卻,所以冷卻時間可被縮短,落下管的高度可大幅度縮短,能夠節(jié)省設(shè)備費用。
以下各種構(gòu)成適用于本發(fā)明。
(a)前述氣流形成裝置具備與落下管并列連接的外部通路和氣體循環(huán)用風(fēng)扇。
(b)在前述落下管的上端部設(shè)置了與前述外部通路連接的環(huán)狀氣體導(dǎo)入部。
(c)在前述凝固用管的內(nèi)部設(shè)置了使冷卻用氣體的流速急速減慢的減速裝置。
(d)前述減速裝置具備包含與冷卻用管內(nèi)的冷卻用氣體的氣流以垂直相交狀對向的對向部的部分球面狀的減速部件。
(e)前述半導(dǎo)體粒狀熔液在冷卻用管內(nèi)落下的過程中變?yōu)檫^冷狀態(tài),在凝固用管內(nèi)部利用被急速減速時造成的沖擊急速凝固。
(f)前述氣流形成裝置中設(shè)置了對冷卻用氣體進(jìn)行冷卻的冷卻裝置。
(g)前述無機(jī)材料為半導(dǎo)體,前述半導(dǎo)體為硅。
(h)前述冷卻用氣體為氦氣或氬氣。
(i)前述氣流形成裝置具備調(diào)節(jié)前述落下管內(nèi)部的冷卻用氣體的氣壓和溫度的壓力溫度調(diào)節(jié)部件。
(j)設(shè)置與前述落下管的上端連接的熔液形成裝置,在該裝置中形成粒狀熔液并使其向落下管內(nèi)滴下。
對附圖的簡單說明
圖1為本發(fā)明的實施方式中的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置的截面圖。
圖2為變化例的落下管的截面形狀的示意圖。
實施發(fā)明的最佳方式以下,參考附圖對實施本發(fā)明的最佳方式進(jìn)行說明。
該落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置是在坩堝內(nèi)熔融作為原料的無機(jī)材料、從噴嘴滴下粒狀熔液、使該粒狀熔液在落下管內(nèi)自由下落的同時使其凝固、連續(xù)生產(chǎn)近似球狀的由無機(jī)材料單晶形成的結(jié)晶體的裝置。近似球狀的結(jié)晶體的直徑約為600~1500μm。
本實施方式中,無機(jī)材料采用半導(dǎo)體,半導(dǎo)體采用p型或n型硅,以制造硅單晶的近似球狀的結(jié)晶體的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置1為例進(jìn)行說明。
如圖1所示,該落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置1具備使硅熔融且每次定量使該熔液形成為粒狀熔液滴下的熔液形成裝置2、落下管3、在落下管3的內(nèi)部形成從上至下的冷卻用氣體氣流的氣流形成裝置4及設(shè)置于落下管3的下端部的回收裝置5。
首先,對熔液形成裝置2進(jìn)行說明。
該熔液形成裝置2由石英制坩堝10,由該坩堝10的下端部向下方一體延伸的噴嘴10a,覆蓋坩堝10和噴嘴10a的外周的碳發(fā)熱體11,覆蓋碳發(fā)熱體11的外周的熱密封板12,形成環(huán)狀冷卻水通路13的石英玻璃制環(huán)狀通路形成體14,在通路形成體14外側(cè)的坩堝10的外周側(cè)配設(shè)的第1高頻加熱線圈15,在通路形成體14外側(cè)的噴嘴10a的外周側(cè)配設(shè)的第2高頻加熱線圈16,向坩堝10供給硅原料17的原料供給漏斗18及原料供給管18a,使坩堝10內(nèi)的熔融狀態(tài)的硅上下振動的上下振子19,測定坩堝10內(nèi)的熔融狀態(tài)的硅17a的溫度的紅外線溫度傳感器21,向腔22內(nèi)供給氦氣或氬氣等惰性氣體的氣體供給裝置23,以及向冷卻水通路13供給冷卻水的冷卻水供給系統(tǒng)24等構(gòu)成。
原料供給漏斗18中裝有粉狀、粒狀或薄片狀的半導(dǎo)體硅原料17,利用振動激勵器18b施加振動,將原料17以規(guī)定的供給速度每次少量地由供給管18a供至坩堝10。供給管18a中設(shè)置了將腔22內(nèi)的惰性氣體導(dǎo)入原料供給漏斗18內(nèi)的氣體通路(未圖示)。
坩堝10被配置于氣密結(jié)構(gòu)的腔22內(nèi),為了不在硅原料17和熔液17a中混入空氣中的氧,在腔22內(nèi)填充入由氣體供給裝置23供給的惰性氣體。碳發(fā)熱體11中利用第1、第2高頻加熱線圈15、16產(chǎn)生的高頻可變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流。密封板12由耐熱性和輻射熱反射性良好的鉬或鉭構(gòu)成。
被投入坩堝10內(nèi)的硅原料17被第1高頻加熱線圈15和碳發(fā)熱體11加熱至約1420℃而熔解。熔融狀態(tài)的硅的溫度由紅外線溫度傳感器21檢測出,為了維持前述溫度范圍,第1、第2高頻加熱線圈15、16受到控制裝置70的控制。上下振子19由利用磁滯伸縮元件或電磁元件產(chǎn)生振動的振動發(fā)生部20驅(qū)動,通過上下振子19對坩堝10內(nèi)的熔融狀態(tài)的硅17a施加規(guī)定周期的振動或壓力,使硅的粒狀熔液25以規(guī)定周期從噴嘴10a的前端滴下。如果上下振子19的振動周期變短或振動的振幅變小,則粒狀熔液25小徑化,如果振動周期變長或振動的振幅變大,則粒狀熔液大徑化,所以利用控制裝置70對上下振子19進(jìn)行控制,通過調(diào)整上下振動的周期和振幅,能夠調(diào)整滴下的粒狀熔液25的尺寸。
前述氣體供給裝置23具備由惰性氣體儲氣瓶23a通向腔22的氣體供給管、由腔22的頂部向下方延伸通入落下起始室26的例如2根氣體導(dǎo)入管27。由噴嘴10a滴入落下起始室26內(nèi)的粒狀熔液25,通過作為熔液形成裝置2的出口通路的細(xì)徑通路28向落下管3的頂部內(nèi)自由下落。落下起始室26內(nèi)的惰性氣體也通過細(xì)徑通路28流入到落下管3的頂部內(nèi)。
以下,對落下管3進(jìn)行說明。
落下管3例如是不銹鋼板制管狀物,落下管3具備與細(xì)徑通路28連接、導(dǎo)入粒狀熔液25的上端部分的導(dǎo)入管30,越向下截面積變得越小而使冷卻用氣體(氦氣或氬氣)的流速與粒狀熔液25的自由下落速度幾乎相等的冷卻用管31,與該冷卻用管31的下端連接、且截面積從該冷卻用管31的下端不連續(xù)地擴(kuò)大的凝固用管32。
在熔液形成裝置2產(chǎn)生的粒狀熔液25在冷卻用管31內(nèi)的自由下落過程中被冷卻用氣體冷卻,同時通過放射冷卻被冷卻,形成過冷狀態(tài),向凝固用管32內(nèi)落下,通過和與冷卻用管31內(nèi)的冷卻用氣體的氣壓相比壓力較高的凝固用管32內(nèi)的冷卻用氣體相碰撞時造成的沖擊,生成晶種,利用以該晶種為起點的瞬間的結(jié)晶成長,由粒狀或球狀單晶形成結(jié)晶體25a。
前述冷卻用管31的下端部以外的部分形成越向下直徑越小的圓錐形,冷卻用管31的下端部形成幾乎一定的直徑。但是,冷卻用管31的下端部也可形成越向下直徑越小的圓錐形。
導(dǎo)入管30與冷卻用管31以同心圓狀配設(shè),將導(dǎo)入管30的下部約2/3部分插入到冷卻用管31的上端部分,導(dǎo)入管30的下端朝向冷卻用管31的內(nèi)部開放。
冷卻用管31的高度約為5~8m左右,在冷卻用管31的上端部分的內(nèi)側(cè)形成在它與導(dǎo)入管30間導(dǎo)入冷卻用氣體的環(huán)狀氣體導(dǎo)入部33。凝固用管32的上端與冷卻用管31的下端連通相接,凝固用管32的上半部形成直徑約為冷卻用管31的下端部的直徑的4倍的半球狀,凝固用管32的下半部形成直徑與上半部相同的筒狀,在凝固用管32的下端設(shè)置底壁34。
與冷卻用管31的下端的截面積相比,凝固用管32的截面積不連續(xù)地急速擴(kuò)大,所以冷卻用氣體一旦進(jìn)入凝固用管32,其流速不連續(xù)地急速減慢,在凝固用管32的下半部的內(nèi)部設(shè)置了使冷卻用氣體的流速急速減慢的減速裝置35。該減速裝置35具備包含與冷卻用管31內(nèi)的冷卻用氣體的氣流以垂直相交狀對向的對向部36a的部分球面狀的減速部件36。該減速部件36由厚0.1~0.2mm的不銹鋼板制成,發(fā)揮出利用彈性變形的緩沖作用。對在凝固用管32的上半部中粒狀熔液25凝固而成的粒狀(球狀)結(jié)晶體25a形成軟碰撞。在減速部件36的下面?zhèn)仍O(shè)置支承減速部件36、且形成冷卻用氣體的通路的筒體37。
以下對氣流形成裝置4進(jìn)行說明。
氣流形成裝置4是在落下管3的內(nèi)部形成從上至下的冷卻用氣體(氦氣或氬氣)的氣流的裝置。該氣流形成裝置4具備與落下管3并列連接的多個(例如4個)外部通路40和配設(shè)于筒體37內(nèi)部的氣體循環(huán)用風(fēng)扇41。
多個外部通路40的上端與環(huán)狀氣體導(dǎo)入部33連通相接,多個外部通路40的下端與筒體37內(nèi)部的氣體通路38連通,筒體37的上部形成向氣體通路38導(dǎo)入凝固用管32的下半部內(nèi)的冷卻用氣體的多個通路開42。根據(jù)需要打開開關(guān)閥42,將氦氣或氬氣等冷卻用氣體通過氣體供給管44從儲氣瓶43導(dǎo)入外部通路40的上端部。由于在落下管3內(nèi)流動的冷卻用氣體慢慢升溫,所以設(shè)置對冷卻用氣體進(jìn)行冷卻的冷卻裝置45。該冷卻裝置45由外裝于外部通路40的水冷管45a和向該水冷管45a供給冷卻水的供水系統(tǒng)構(gòu)成。
此外,設(shè)置了調(diào)節(jié)落下管3內(nèi)部的冷卻用氣體的氣壓的壓力調(diào)節(jié)裝置46(壓力調(diào)節(jié)手段)。該壓力調(diào)節(jié)裝置46由與外部通路40連接的吸引管47、開關(guān)閥48、真空泵49及其驅(qū)動馬達(dá)49a等構(gòu)成。
以下,對回收結(jié)晶體25a的回收裝置5進(jìn)行說明。
該回收裝置5具備開關(guān)凝固用管32的底壁34的回收孔的開關(guān)閘50、驅(qū)動該開關(guān)閘50的電磁驅(qū)動器51、從回收孔下方延展到外部的回收通道52、可開關(guān)該回收通道52的開關(guān)閥53及回收由回收通道52排出的結(jié)晶體25a的回收箱54等構(gòu)成。
以下,對傳感器類和控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。
首先,作為傳感器類,設(shè)置測定從落下起始室26開始落下后即時的粒狀熔液25的溫度的紅外線溫度傳感器60,測定在冷卻用管31的中部落下過程中的粒狀熔液25的溫度的紅外線溫度傳感器61,測定在冷卻用管31的下端部落下過程中的粒狀熔液25的溫度的紅外線溫度傳感器62,測定導(dǎo)入通路33內(nèi)的冷卻用氣體的溫度的熱敏電阻等溫度傳感器63,以及檢測凝固用管32內(nèi)的冷卻用氣體的氣壓的壓力傳感器64等,這些傳感器類和前述熔液形成裝置2的紅外線溫度傳感器21的檢測信號向控制裝置70輸出。
前述熔液形成裝置2的第1和第2高頻加熱線圈15和16、振動激勵器18b、上下振子19的振動發(fā)生部20被控制裝置70驅(qū)動控制。
驅(qū)動氣體循環(huán)用風(fēng)扇41的驅(qū)動馬達(dá)41a、真空泵49的驅(qū)動馬達(dá)49a、電磁驅(qū)動器51、開關(guān)閥53也受到控制裝置70的驅(qū)動控制。
以下,對前述落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置1的作用和效果進(jìn)行說明。
開始使用前,通過一邊向熔液形成裝置2的腔22內(nèi)供給惰性氣體一邊用真空泵49a抽吸落下管3和外部通路40內(nèi)的空氣后,由儲氣瓶43和氣體供給管44供給冷卻用氣體,用氦氣或氬氣等冷卻用氣體置換內(nèi)部空氣,將落下管3內(nèi)的冷卻用氣體的氣壓設(shè)定為大氣壓以下的規(guī)定壓力或接近大氣壓的規(guī)定壓力。
然后,使冷卻水在冷卻水通路13中循環(huán),向坩堝10內(nèi)供給硅原料17,以使氣體循環(huán)用風(fēng)扇41工作的狀態(tài),向第1和第2高頻加熱線圈15和16供給高頻電流開始加熱,使原料17變?yōu)槿廴跔顟B(tài),接著以規(guī)定周期使上下振子19振動,使粒狀熔液25依次從噴嘴10a滴下。
落下管3中的冷卻用管31為使在其內(nèi)部流動的冷卻用氣體的流速轉(zhuǎn)變?yōu)榱钊垡?5的自由下落速度,形成截面積向下逐漸減小的結(jié)構(gòu),所以粒狀熔液25在冷卻用管31內(nèi)自由下落時,冷卻用氣體以幾乎與粒狀熔液25同樣的速度向下方流動,因此,自由下落的粒狀熔液25和冷卻用氣體之間幾乎不會產(chǎn)生相對速度,粒狀熔液25雖然被冷卻用氣體有效冷卻,但幾乎沒有來自冷卻用氣體的外力作用于粒狀熔液25。由于粒狀熔液25在冷卻用管31內(nèi)自由下落時,沒有受到重力和外力的影響,維持自由下落的微小重力狀態(tài)而落下,因此利用表面張力以幾乎圓球的形狀落下。此外,粒狀熔液25在到達(dá)冷卻用管31的下端前被冷卻至過冷狀態(tài)。
這里,與冷卻用管31的下端部的截面積相比,凝固用管32的截面積不連續(xù)地急速擴(kuò)大,所以冷卻用氣體一旦進(jìn)入凝固用管32,則其流速不連續(xù)地急速減慢,再利用具備與冷卻用管31內(nèi)的冷卻用氣體的氣流以垂直相交狀對向的對向部36a的減速部件36,流速被急速減慢。因此,凝固用管32內(nèi)的冷卻用氣體的氣壓與冷卻用管31的下端部的冷卻用氣體的氣壓相比,不連續(xù)地急速增大。因此,對向凝固用管32內(nèi)落下的粒狀熔液25造成較輕的沖擊力。于是,在粒狀熔液25的最初碰撞的碰撞點產(chǎn)生晶核,以該晶核為起點瞬時開始結(jié)晶化,在到達(dá)對向部36a前過冷狀態(tài)的粒狀熔液25由單晶形成球狀的結(jié)晶體25a。
此外,一些大的粒狀熔液25等以未充分結(jié)晶化的狀態(tài)與減速部件36的對向部36a相碰撞時,利用該碰撞的沖擊力進(jìn)行結(jié)晶的成長,瞬時形成單晶的球狀結(jié)晶體25a。
這里,根據(jù)紅外線溫度傳感器60~62的檢測信號,分別檢測粒狀熔液25的溫度,在需要減低冷卻用氣體的溫度的場合,提高冷卻裝置45的冷卻能力。
此外,根據(jù)紅外線溫度傳感器60和62的檢測信號,能夠算出粒狀熔液25的落下速度,所以在粒狀熔液25的落下速度比自由下落速度快時,控制驅(qū)動馬達(dá)41a使氣體循環(huán)用風(fēng)扇41的旋轉(zhuǎn)數(shù)減少。
這樣,利用冷卻用氣體冷卻粒狀熔液25,一邊維持自由下落狀態(tài)一邊過冷卻,能夠制得近似球狀的結(jié)晶體25a。此外,通過冷卻用氣體對過冷狀態(tài)的粒狀熔液25造成沖擊,能夠使晶核生成,促進(jìn)結(jié)晶成長,制得結(jié)晶體25a。而且,由于利用冷卻用氣體進(jìn)行有效地冷卻,所以能夠縮短冷卻時間,并能大幅度縮短落下管3的高度,可節(jié)省設(shè)備費用。
此外,由于冷卻用氣體是循環(huán)使用的,所以能夠減少冷卻用氣體的消耗量,而且,還由于可控制冷卻用氣體的壓力或填充量及溫度,因此可使冷卻用氣體的氣壓穩(wěn)定化。
以下,對前述實施例進(jìn)行了部分變化的變化例進(jìn)行說明。
1)前述熔液形成裝置1只不過是一個示例,還可采用利用電阻加熱、紅外線集光加熱、等離子或激光使無機(jī)材料熔解形成其粒狀熔液的裝置及具備其它加熱設(shè)備的熔液形成裝置。
2)由于粒狀熔液的直徑越大冷卻時間越長,所以落下管3中的冷卻用管31的高度最好可根據(jù)制造的結(jié)晶體的尺寸進(jìn)行變化。
3)前述落下管3的形狀也可以是圖2所示的形狀。
如圖2所示,將熔液25在落下管3內(nèi)的落下距離作為y,將落下距離y的位置的落下管3的半徑作為R,y軸和R軸如圖示設(shè)定。例如,將落下管3的上端位置作為y=0的位置。
重力加速度為g、落下開始后的經(jīng)過時間為t、熔液25的落下速度為Vs、y位置的落下管3內(nèi)流向下方的冷卻用氣體的流速為V。
y=(1/2)g×t2(1)Vs=g×t (2)由(1)和(2)得到Vs=(2gy)1/2(3)如果冷卻用氣體的流量為C0(定值),則(π/4)R2×V=C0 (4)因此,V=C1/R2(C1為一定的常數(shù)) (5)以K為一定的常數(shù),由(3)和(5)得到R2×y1/2=K2(6)上述(6)式所示的落下管3的截面形狀如圖2所示。
4)在前述落下管3中的冷卻用管31的下端附近或凝固用管32的上端附近,有時也設(shè)置對粒狀熔液25賦予各種刺激的手段。這種刺激手段可采用超聲波、激光、電場和磁場等任一種。
5)除了前述半導(dǎo)體硅的結(jié)晶體,還可制得硅以外的各種半導(dǎo)體或各種無機(jī)材料的結(jié)晶體。這些無機(jī)材料可例舉電介質(zhì)、磁性體、絕緣體、熒光體、玻璃、寶石等。
權(quán)利要求
1.落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,它是使無機(jī)材料的粒狀熔液在落下管內(nèi)自由下落的同時使其凝固、獲得近似球狀的結(jié)晶體的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征在于,在前述落下管內(nèi)部設(shè)置形成從上至下的冷卻用氣體的氣流的氣流形成裝置,前述落下管具備越向下截面積越小而使冷卻用氣體的流速與前述粒狀熔液的自由下落速度幾乎相等的冷卻用管,以及與該冷卻用管的下端連接、且從該冷卻用管的下端開始截面積不連續(xù)地擴(kuò)大的凝固用管。
2.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述氣流形成裝置具備與落下管并列連接的外部通路和氣體循環(huán)用風(fēng)扇。
3.如權(quán)利要求2所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,在前述落下管的上端部設(shè)置了與前述外部通路連接的環(huán)狀氣體導(dǎo)入部。
4.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,在前述凝固用管的內(nèi)部設(shè)置了使冷卻用氣體的流速急速減慢的減速裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述減速裝置具備包含與冷卻用管內(nèi)的冷卻用氣體的氣流以垂直相交狀對向的對向部的部分球面狀的減速部件。
6.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述粒狀熔液在冷卻用管內(nèi)落下的過程中變?yōu)檫^冷狀態(tài),在凝固用管內(nèi)部利用被急速減速時造成的沖擊急速凝固。
7.如權(quán)利要求2所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述氣流形成裝置中設(shè)置了對冷卻用氣體進(jìn)行冷卻的冷卻裝置。
8.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述無機(jī)材料為半導(dǎo)體。
9.如權(quán)利要求8所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述半導(dǎo)體為硅。
10.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述冷卻用氣體為氦氣或氬氣。
11.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,前述氣流形成裝置具備調(diào)節(jié)前述落下管內(nèi)部的冷卻用氣體的氣壓和溫度的壓力溫度調(diào)節(jié)部件。
12.如權(quán)利要求1所述的落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置,其特征還在于,設(shè)置與前述落下管的上端連接的熔液形成裝置,在該裝置中形成粒狀熔液并使其向落下管內(nèi)滴下。
全文摘要
落下管型粒狀結(jié)晶體制造裝置是使無機(jī)材料的粒狀熔液在落下管內(nèi)自由下落的同時使其凝固、獲得近似球狀的結(jié)晶體的裝置。該結(jié)晶體制造裝置1具備熔液形成裝置2、落下管3、在落下管3內(nèi)部形成冷卻用氣體的氣流的氣流形成裝置4、從落下管3的下端部回收結(jié)晶體25a的回收裝置5等。落下管3由導(dǎo)入管30、冷卻用管31及凝固用管32構(gòu)成,冷卻用管31形成越向下截面積越小的結(jié)構(gòu)以使冷卻用氣體的流速與粒狀熔液的自由下落速度幾乎相等,凝固用管32與冷卻用管31的下端連接、且從該冷卻用管31的下端開始截面積不連續(xù)地擴(kuò)大。由于冷卻用氣體的流速在凝固用管32的上端附近被急速減慢,氣壓增大,所以過冷狀態(tài)的熔液中生成晶核,繼而完成結(jié)晶化。
文檔編號C30B30/08GK1625613SQ0282894
公開日2005年6月8日 申請日期2002年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月13日
發(fā)明者中田仗祐 申請人:中田仗祐