DE102007061704A1

DE102007061704A1 - Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials

Info

Publication number: DE102007061704A1
Application number: DE200710061704
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr. Sahr; Matthias Dr. Müller; Ingo Dr. Schwirtlich
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2007-12-19
Publication date: 2009-09-10
Also published as: CN101463497A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren, bei dem stückiges Rohmaterial (20) in einen Schmelztiegel (2) eingebracht und in diesem geschmolzen wird und nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren gerichtet erstarrt. Um Verunreinigungen und Beschädigungen durch das Verspritzen von flüssiger Schmelze zu unterbinden, wird das Rohmaterial (20) vom oberen Ende des Schmelztiegels her geschmolzen, sodass geschmolzenes Mterial nach unten sickert und das noch nicht geschmolzene Rohmaterial (20) in dem Schmelztiegel (2) allmählich zusammensackt. Dabei wird das zusätzliche Rohmaterial (20) von oben her auf eine Zone (21) aus noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial in den Schmelztiegel nachgefüllt, um eine Volumenschrumpfung des Rohmaterials zumindest teilweise zu kompensieren und den Füllstand des Tiegels zu erhöhen. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von polykristallinem Silizium für die Photovoltaik, aber auch für die Herstellung von Germanium- und Calciumfluorid-Einkristallen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ein- oder polykristallinem Material nach dem so genannten Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren (nachfolgend VGF-Verfahren) und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium für Anwendungen in der Photovoltaik.
Hintergrund der Erfindung
Generell können Solarzellen für die Photovoltaik aus einkristallinem Silizium oder polykristallinem Silizium hergestellt werden. Während hochwertige Solarzellen aus Silizium-Einkristallen hergestellt werden, was technologisch aufwendiger und somit kostspieliger ist, werden preiswertere Solarzellen üblicherweise aus polykristallinem Silizium gefertigt, was weniger aufwendig und somit kostengünstiger ist. Gerade bei der Herstellung von polykristallinem Silizium spielen daher Merkmale, die zu einer Senkung der Kosten und des technologischen Aufwandes führen, eine bedeutende Rolle.
Üblicherweise wird der Schmelztiegel mit stückigem Silizium befüllt. Beim nachfolgenden Aufschmelzen zu flüssigem Silizium kommt es dabei zu einer erheblichen Volumenschrumpfung, bedingt durch die erheblich voneinander abweichenden Dichten von geschmolzenem Silizium zur vorher vorliegenden Schüttung. Somit kann bei herkömmlichen Verfahren nur ein kleiner Teil des Schmelztiegelvolumens effektiv genutzt werden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Volumenschrumpfung zu kompensieren.
US 6,743,293 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium, bei dem auf den oberen Rand des Schmelztiegels ein ringförmiger Aufsatz mit korrespondierendem Profil aufgesetzt wird, um insgesamt einen Behälteraufbau mit einem größeren Volumen auszubilden. In den Behälteraufbau wird eine Siliziumschüttung eingebracht. Nach dem Schmelzen des Siliziums füllt die Siliziumschmelze den gesamten Schmelztiegel, nicht jedoch das von dem ringförmigen Aufsatz eingeschlossene Volumen aus. Der Behälteraufbau erfordert jedoch eine Kristallisationsanlage mit größerem Volumen, insbesondere einer größeren Höhe, was aus energetischen Gründen unerwünscht ist. Ferner ist es schwierig, einen geeignet formstabilen ringförmigen Aufsatz zur Wiederverwendung bereitzustellen.
Als Alternative zu obigem Verfahren ist in Kristallisationsanlagen, die nach dem Czochralsky-Verfahren arbeiten, ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Nachfüllen von stückigem Rohmaterial bekannt, um die Volumenschrumpfung aufgrund des Schmelzens des Rohmaterials in dem Schmelztiegel zumindest teilweise zu kompensieren.
EP 0 315 156 B1 offenbart eine solche Kristallisationsanlage, bei der kristallines Material dem Schmelztiegel über ein Zuführungsrohr zugeführt wird. In dem Zuführungsrohr sind Verlangsamungsmittel in Form von Querschnittsverengungen oder Profilbiegungen vorgesehen, um die Fallgeschwindigkeit des kristallinen Materials zu verringern.
EP 1 338 682 A2 offenbart eine Kristallisationsanlage nach dem Czochralsky-Verfahren, bei dem kristallines Material über ein geneigtes Rohr in den Schmelztiegel rutscht. JP 01-148780 A offenbart einen entsprechenden Aufbau. Dabei müssen jedoch aufwendige Vorkehrungen getroffen werden, um den Eintrag von kristallinem Rohmaterial in den Schmelztiegel spritzfrei zu ermöglichen. Denn das Verspritzen der heißen Schmelze in der Kristallisationsanlage führt zur Beschädigung von Komponenten und zu Verunreinigungen, die nur schwer wieder zu entfernen sind.
US 2004/0226504 A1 offenbart einen aufwendigen Klappenmechanismus, um die Fallgeschwindigkeit des kristallinen Materials beim Einfüllen in den Schmelztiegel geeignet zu reduzieren. US 2006/0060133 A1 offenbart eine Kristallisationsanlage, bei der kristallines Silizium aus einem vertikalen Rohr in den Schmelztiegel hinab fällt. Das untere Ende des Rohrs wird von einem konischen Absperrkörper verschlossen, der dem kristallinen Material eine radiale Bewegungskomponente verleiht.
Eine Alternative zu den vorgenannten mechanischen Lösungen stellt eine geeignete Wahl der Prozessparameter dar, um die Oberfläche der Schmelze zum Zeitpunkt des Nachfüllens von kristallinem Material teilweise zu verfestigen. Dies ist bspw. in JP 11/236290 A oder JP 62/260791 A offenbart. Die Verfestigung der Oberfläche der Schmelze in dem Schmelztiegel führt jedoch zu einer unerwünschten Verlangsamung des Prozesses.
EP 1 337 697 B1 offenbart eine Kristallisationsanlage nach dem Czochralsky-Verfahren, bei dem kristallines Silizium nur auf Inseln von noch festem Silizium aufgeschüttet wird. Diese Inseln müssen mit Hilfe eines Videosystems und einer aufwendigen Bildauswertung ermittelt werden. Um diese Inseln zu treffen, muss die Fördereinrichtung zum Fördern des kristallinen Siliziums in den Schmelztiegel geeignet verfahren werden, was aufwendig ist.
Bei sämtlichen nach dem Czochralsky-Verfahren arbeitenden Kristallisationsanlagen wird der Schmelztiegel vom Boden her geheizt. Bei der Herstellung von kristallinen Materialien nach dem VGF-Verfahren wird das Rohmaterial von oben her aufgeschmolzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials nach dem VGF-Verfahren bereitzustellen, wobei stückiges Rohmaterial weitestgehend spritzfrei in den Schmelztiegel nachgefüllt werden kann, um der Volumenschrumpfung beim Aufschmelzen des Rohmaterials in dem Schmelztiegel zumindest teilweise entgegen zu wirken und einen hohen Füllstand des Tiegels zu erreichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere Vorteile auf der Ausführungsform sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird bei einem VGF-Verfahren zusätzliches Rohmaterial in den Schmelztiegel von oben her auf eine Zone von noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial nachgefüllt, um die Volumenschrumpfung des Rohmaterials in dem Schmelztiegel zumindest teilweise zu kompensieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohmaterial in dem Schmelztiegel von oben her erhitzt, bspw. durch einen sich im wesentlich über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels erstreckenden und oberhalb von diesem angeordneten Deckenheizer. Somit schmilzt das Rohmaterial in dem Schmelztiegel von oben her, sodass eine Inselbildung im oberen Tiegelbereich nicht begünstigt wird. Vielmehr sickert die am oberen Rand des Schmelztiegels ausgebildete Schmelze nach unten, wo diese darunter liegende Zwischenräume im Rohmaterial ausfüllt bzw. die Struktur des darunter befindlichen Rohmaterials verändert, insbesondere dessen Oberfläche anschmilzt. Insgesamt ist die Oberfläche des Rohmaterials in dem Schmelztiegel auch nach Erreichen der Schmelztemperatur eher fest als flüssig, sodass das zusätzlich eingetragene stückige bzw. kristalline Rohmaterial zu keinen oder vernachlässigbaren Spritzern im Schmelztiegel führt. Diese Zone erstreckt sich bevorzugt über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels.
Figurenübersicht
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:
1 in einem schematischen Querschnitt eine Kristallisationsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2a bis 2c drei unterschiedliche Phasen beim Aufschmelzen des kristallinen Rohmaterials in dem Schmelztiegel gemäß der 1.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Gemäß der 1 umfasst die insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Kristallisationsanlage einen Quarztiegel 3 der vollständig und eng anliegend in einem kastenartigen und nach oben offenen Stützsystem 4 aufgenommen ist, um den bei der Schmelztemperatur des Siliziums erweichten Quarztiegel 3 ausreichend mechanisch abzustützen. Der Quarztiegel 3 reicht bis zum oberen Rand des Stützsystems 4, sodass ein direkter Kontakt der Siliziumschmelze mit Graphit oder anderen verunreinigenden Materialien ausgeschlossen ist. Der Quarztiegel 3 ist ein kommerziell erhältlicher Quarztiegel mit einer Grundfläche von bspw. 550 × 550 mm², 720 × 720 mm² oder 880 × 880 mm² und weist eine Innenbeschichtung als Trennschicht zwischen SiO₂ des Tiegels und Silizium auf. Oberhalb des Tiegels ist ein Deckenheizer 5 vorgesehen, dessen Grundfläche größer oder gleich der Grundfläche des Tiegels ist. An den Seitenflächen des Tiegels ist ein diesen umgebender Mantelheizer 6 angeordnet. Dabei ist der Abstand zwischen dem Mantelheizer 6 und der Tiegelwand konstant über den gesamten Umfang des Tiegels.
Unterhalb des Tiegels ist eine Kühlplatte 8 angeordnet, die von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Zwischen dem Tiegel und der Kühlplatte 8 ist eine Isolationsplatte bzw. Tiegelaufstellplatte 7 angeordnet. Dabei ist die eigentliche Halterung des vorgenannten Tiegels so ausgebildet, dass zwischen der den Tiegel abstützenden Tiegelaufstellplatte 7 und der Kühlplatte 8 ein Spalt ausgebildet ist. Bei dem VGF-Kristallisationsverfahren sind alle Heizer 5, 6 temperaturgeregelt. Dazu werden die Oberflächentemperaturen der Heizer 5, 6 durch Pyrometer an geeigneter Stelle erfasst und in eine Steuerungseinheit eingegeben, die die an den Heizern 5, 6 anliegende Spannung geeignet steuert bzw. regelt. Genauer gesagt wird bei dem VGF-Verfahren mit feststehendem Tiegel ein axialer Temperaturgradient aufgebaut. Das Temperaturprofil wird durch elektronische Variation der Heizertemperatur so verschoben, dass die Phasengrenze, welche die flüssige Phase von dem auskristallisierten Silizium trennt, beginnend vom Boden des Tiegels allmählich zum oberen Rand des Tiegels hin wandert. Dies führt zu einer gerichteten Erstarrung des flüssigen Siliziums zu polykristallinem Silizium. Die Temperaturregelung erfolgt dabei so, dass in dem Schmelztiegel möglichst ebene Isothermen ausgebildet sind.
Dabei kann der Mantelheizer ausgelegt sein, um einen Temperaturgradienten vom oberen Rand zum unteren Rand des Schmelztiegels aufzubauen. Zu diesem Zweck kann der Mantelheizer 6 auch in zwei oder mehrere vertikal übereinander angeordnete Segmente unterteilt sein, die eine vom oberen Rand zum unteren Ende des Schmelztiegels hin abnehmende Heizleistung aufweisen. Die auf gleichem Höhenniveau angeordneten Segmente führen zur Ausbildung von ebenen, horizontalen Isothermen und somit zur Ausbildung einer ebenen, horizontalen Phasengrenze.
Der Tiegel weist bevorzugt einen vieleckigen Querschnitt, insbesondere einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt, auf. Auf diese Weise kann der Verschnitt zur Herstellung der üblicherweise vieleckigen, insbesondere rechteckförmigen oder quadratischen, Solarzellen für die Photovoltaik minimiert werden.
Die gesamte Kristallisationsanlage 1 ist von einer bevorzugt druckfesten oder gasdichten Umhüllung 9 umgeben, sodass im inneren eine inerte oder reduzierende Schutzgasatmosphäre aufgebaut werden kann.
Gemäß der 1 ist seitlich zur Kristallisationsanlage ein Nachfüllbehälter 14 für festes Silizium mit der Kristallisationsanlage 1 verbunden. Bei dem festen Silizium handelt es sich um schüttfähiges, stückiges Silizium, das eine geeignete Form und Schüttdichte besitzt. Bevorzugt ist dieses Silizium kristallines Silizium. Am unteren Ende des Behälters 14 ist ein Nachfülltrichter 13 vorgesehen, der auf eine zweite Fördereinrichtung gerichtet ist, sodass Siliziummaterial aus dem Behälter 14 auf die zweite Fördereinrichtung 12 rutscht. Am unteren Ende des Trichters 13 ist ein Dosiermechanismus vorgesehen, bspw. eine Klappe oder ein Ventil. Die zweite Fördereinrichtung befindet sich bevorzugt vollständig außerhalb der Kristallisationsanlage 1, insbesondere außerhalb des beheizten Bereichs der Kristallisationsanlage. Gemäß der 1 fördert die zweite Fördereinrichtung 12 das Rohmaterial parallel zur Zeichenebene der 1. Der zweiten Fördereinrichtung 12 nachgeordnet ist eine erste Fördereinrichtung 11. Die erste Fördereinrichtung 11 ragt in den beheizten Bereich der Kristallisationsanlage 1 hinein, beispielsweise um etwa 1/3 Ihrer Gesamtlänge, und ragt mit ihrem vorderen Ende in etwa bis zur Mitte des Schmelztiegels. Bei den Fördereinrichtungen 11, 12 handelt es sich um herkömmliche Rüttelförderer, welche das Rohmaterial über temperaturbeständige Förderschienen, bspw. aus Siliziumcarbid, fördern. Die Kristallisationsanlage 1 weist somit zwei unabhängige Fördereinrichtungen 11, 12 auf, die übereinander angeordnet sind, sodass das von der ersten Fördereinrichtung 11 geförderte Rohmaterial vollständig in den Schmelztiegel entleert werden kann. Somit wird die Gefahr von Verunreinigungen oder gar einem Festsetzen der ersten Fördereinrichtung 11 verhindert.
Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, können bei der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage auch beliebige andere Fördereinrichtungen verwendet werden, die ausreichend temperaturstabil sind und schüttfähiges Rohmaterial in den Schmelztiegel befördern können.
Dem Nachfüllbehälter 14 ist ein Sensor 16 zugeordnet, der die Menge an ausgegebenem Rohmaterial erfassen kann. Diese Erfassung kann insbesondere mechanisch, bevorzugt durch Erfassen des aktuellen Gewichts der zweiten Fördereinrichtung 12, akustisch, optisch oder in anderer Weise berührungslos erfolgen. Oberhalb des Schmelztiegels ist weiter ein Temperatursensor 17 zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung 10 angeordnet. Bei dem Sensor 17 kann es sich um ein Pyrometer handeln. Oberhalb des Tiegels befindet sich außerdem ein visuelles Inspektionssystem 18, das die gesamte Oberfläche der Tiegelfüllung 10 erfasst, insbesondere mittels einer nicht dargestellten Videokamera, deren Bilder in der zentralen Steuereinrichtung CPU ausgelesen und ausgewertet werden. Hierzu können geeignete Bildauswertungsalgorithmen eingesetzt werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. Oberhalb des Tiegels ist gemäß der 1 außerdem ein Abstandssensor 19 angeordnet, der den Abstand der Oberfläche der Tiegelfüllung 10 zum Sensor 19 misst. Bevorzugt wird zu diesem Zweck ein Laser-Abstandsmessgerät verwendet. In Kenntnis der Höhe des Abstandssensors 19 oberhalb des Bodens des Tiegels kann somit der aktuelle Füllstand im Schmelztiegel kontinuierlich erfasst werden.
Die gesamte Kristallisationsanlage 1 wird unter Steuerung einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung CPU betrieben. Diese ist nicht nur für eine geeignete Regelung der Heizer 5, 6 sowie der Kühlplatte 8 verantwortlich sondern auch zum Steuern des Nachfüllens von Silizium-Rohmaterial durch dosierte Ausgabe aus dem Behälter 14 und Steuerung der Fördereinrichtung 11, 12 sowie für die Auswertung der Sensoren 16 bis 19.
Anhand der 2a bis 2c wird nachfolgend zunächst das Prinzip des erfindungsgemäßen VGF-Verfahrens zur Herstellung von polykristallinem Silizium beschrieben. Gemäß der 2a ist zu Beginn des Prozesses der Schmelztiegel 2 bis zu seinem oberen Rand mit einer geeigneten Silizium-Schüttung 20 gefüllt. Zum Aufschmelzen des Siliziums heizt der Deckenheizer der Kristallisationsanlage die Silizium-Schüttung von oben her auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Siliziums. Die Energiezufuhr kann zusätzlich auch über den seitlichen Mantelheizer 6 (vgl. 1) und ggf. über einen Bodenheizer erfolgen. Die Silizium-Schüttung 20 wird also zunächst am oberen Rand des Schmelztiegels 2 aufgeschmolzen. Wie durch die Pfeile angedeutet, rinnt bzw. sickert das aufgeschmolzene, flüssige Silizium nun durch die darunter befindliche Silizium-Schüttung nach unten. Beim Hinabsickern wird die darunter befindliche Silizium-Schüttung teilweise angeschmolzen, sodass sich deren Form und Schüttdichte auch durch teilweises Wiedererstarren verändert. Insgesamt kommt es so, wie in der 2b gezeigt, zur Ausbildung einer so genannten „Matschzone” 21 am oberen Rand der Tiegelfüllung. Diese Zone 21 erstreckt sich in Form eines mehr oder weniger dünnen Bandes über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels 2 und besteht aus noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial. In diesem Zustand ist die Tiegelfüllung in dem Schmelztiegel 2 um eine gewisse Distanz zusammen gesackt bzw. geschrumpft, was durch den Abstandssensor 19 erfasst wird. Das Zusammensacken kann auch mit Hilfe des visuellen Inspektionssystems 18 und geeignete Bildauswertung festgestellt werden. Bei dem Prozess erfasst der Temperatursensor 17 kontinuierlich die Temperatur der Oberfläche der Tiegelfüllung. Insbesondere wird mit Hilfe des Temperatursensors 17 erfasst, dass und zu welchem Zeitpunkt die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung die Schmelztemperatur des Rohmaterials erreicht oder überschreitet. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben, löst die zentrale Steuereinrichtung bei geeigneter Ausbildung der Matschzone 21, wie durch die Sensoren 17 bis 19 detektiert, das Nachfüllen von Silizium-Rohmaterial 20 aus. Hierzu wird, wie vorstehend beschrieben, die Ausgabe von Silizium-Rohmaterial aus dem Behälter 14 (vergleiche 1) und die Betätigung der Fördereinrichtung 12, 11 ausgelöst. Die tatsächlich in den Schmelztiegel 2 eingebrachte Menge an Silizium-Rohmaterial 20 wird mit Hilfe des dem Nachfüllbehälter 14 zugeordneten Fördersensors 16 erfasst. Die zentrale Steuereinrichtung gewährleistet, dass nicht zu viel Silizium-Rohmaterial 20 nachgefüllt wird, dieses insbesondere nicht über den oberen Rand des Schmelztiegels 2 hinausragt. Das Nachfüllen von Silizium-Rohmaterial 20 kann kontinuierlich oder in mehreren, zeitverzögerten Prozessschritten erfolgen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Schließlich wird der Zustand gemäß der 2c erreicht, in welchem der Schmelztiegel 2 bis zu seinem oberen Rand hin vollständig mit einer Siliziumschmelze 22 gefüllt ist. In diesem Zustand erfolgt dann die weitere Abkühlung und Erstarrung der Siliziumschmelze 22 zu polykristallinem Silizium nach dem bekannten VGF-Verfahren. Nach dem Prozess verbleibt ein Siliziumingot, dessen Querschnitt dem des Schmelztiegels 2 entspricht. Um den Verschnitt bei der Herstellung von Photovoltaikelementen zu minimieren, ist der Schmelztiegel 2 erfindungsgemäß vieleckig, insbesondere rechteckförmig oder quadratisch.
Nachfolgend wird der Betrieb der Kristallisationsanlage gemäß der 1 anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
Ausführungsbeispiel 1
Mit Hilfe des Temperatursensors 17 wird die Oberflächentemperatur der Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel kontinuierlich erfasst. So kann festgestellt werden, dass und wann die Schmelztemperatur von Silizium erreicht ist. Je nach Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels sackt die Silizium-Schüttung mehr oder minder rasch zusammen. Die Silizium-Schüttung schmilzt dabei von der Oberfläche her. Eine vorbestimmte Zeitdauer nach Erreichen der Schmelztemperatur von Silizium wird mit Hilfe der Fördereinrichtungen zusätzliches Silizium-Rohmaterial in den Schmelztiegel eingebracht. Die Förderrate wird dabei geeignet in Abhängigkeit von der tatsächlichen Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels eingestellt. Die tatsächlich in den Schmelztiegel eingebrachte Menge an Silizium-Rohmaterial wird mit Hilfe des Sensors 16 erfasst. Die Silizium-Schüttung sackt kontinuierlich in dem Schmelztiegel zusammen. Der Eintrag des zusätzlichen Silizium-Rohmaterials kann kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen und Dosierungsmengen erfolgen, jeweils entsprechend der tatsächlich verwendeten Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels.
Ausführungsbeispiel 2
Mit Hilfe des Temperatursensors 17 wird die Oberflächentemperatur der Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel kontinuierlich erfasst. Die zentrale Steuereinrichtung hat zuvor erfasst, welche Menge an Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel eingebracht worden ist. Oder diese Menge kann in der zentralen Steuereinrichtung im Voraus eingegeben werden. In Abhängigkeit von der aktuellen Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels und der sich aktuell in dem Schmelztiegel befindlichen Menge Rohmaterial wird eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieses Nachfüllen kann kontinuierlich oder in mehreren, zeitverzögerten Schritten erfolgen, zu denen jeweils eine vorgegebene Menge zusätzlichen Rohmaterials eingebracht wird.
Ausführungsbeispiel 3
Mit Hilfe des Sensors 17 wird die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung kontinuierlich erfasst und so der Zeitpunkt ermittelt, zu dem die Schmelztemperatur von Silizium erreicht ist. Eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Erreichen des Schmelzpunkts wird in Abhängigkeit von der tatsächlichen Heizleistung des Schmelztiegels eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieser Schritt wird nach vorbestimmten Zeitintervallen, entsprechend der aktuellen Heizleistung des Schmelztiegels wiederholt, solange bis der Zustand gemäß der 2c erreicht ist.
Ausführungsbeispiel 4
Mit Hilfe des Temperatursensors 17 wird die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung kontinuierlich überwacht. Ferner wird mit Hilfe des visuellen Inspektionssystems 18 und/oder des Abstandssensors 19 der Füllstand des Schmelztiegels kontinuierlich überwacht. Nach Absinken des Füllstands um eine vorbestimmte Höhe, verursacht durch die Volumenschrumpfung der Silizium-Schüttung, wird eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieser Schritt wird wiederholt, wenn der Füllstand des Schmelztiegels nach dem Nachfüllen wieder um eine zweite vorbestimmte Höhe abgesackt ist. Die Höhe, um die der Füllstand zwischen den einzelnen Nachfüllschritten absinkt, reduziert sich aufgrund der zunehmenden Füllung des Schmelztiegels. Alternativ, statt in diskreten vorbestimmten Schritten zu arbeiten, kann das Nachfüllen von Rohmaterial auch immer dann ausgelöst werden, wenn ein vorbestimmter Füllstand des Schmelztiegels unterschritten ist.
Zur Prozesssteuerung kann die zentrale Steuereinrichtung auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Dies betrifft insbesondere die erforderliche Zeitdauer zum Aufschmelzen der Schüttung bei bekannter Heizleistung, die ja unter anderem auch von der Wärmeleitfähigkeit des Schmelztiegels abhängig ist. Solche Erfahrungswerte können Anhand vorheriger Prozesse oder Anhand numerischer Simulationen ermittelt werden. Die Erfahrungswerte können auch durch Überwachung weiterer Prozesse kontinuierlich aktualisiert werden.
Der Schmelzpunkt von Silizium wird in einem sehr eng definierten Temperaturbereich angegeben. Die Phasendiagramme von anderen Materialien können jedoch im Bereich des Schmelzpunktes erheblich abweichen. Deshalb kann auch das visuelle Inspektionssystem weitere Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Tiegelfüllung und die Existenz einer sog. „Matschzone” liefern. Insbesondere kann die Bildauswertung des visuellen Inspektionssystems in ähnlicher Weise erfolgen, wie in der EP 1 337 697 B1 offenbart, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugsnahme ausdrücklich zu Offenbarungszwecken mit beinhaltet sei. Eine solche Bildauswertung kann insbesondere auch zur Bestimmung von noch ungeschmolzenen Oberflächenbereichen der Tiegelfüllung herangezogen werden.
Die Position, bei der das von der ersten Fördereinrichtung eingebrachte Rohmaterial in den Schmelztiegel gelangt, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch durch Verstellen des vorderen Endes der ersten Fördereinrichtung variiert werden, insbesondere auch in Anpassung an die Auswertung der Information des visuellen Inspektionssystems. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das vordere Ende der ersten Fördereinrichtung auch hin und her bewegt werden, um den Eintrag des Rohmaterials in den Schmelztiegel über die gesamte Oberfläche der Tiegelfüllung zu vergleichmässigen. Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Herstellung von polykristallinem Silizium nach dem VGF-Verfahren sondern auch zur Herstellung von beliebigen Einkristallen, insbesondere von Germanium- und Calciumfluorid-Einkristallen.

1: Kristallisationsanlage
2: Schmelztiegel (allgemeine Bezeichnung)
3: Quarztiegel
4: Tiegelstützsystem
5: Deckenheizer
6: Mantelheizer
7: Tiegelaufstellplatte
8: Kühlplatte
9: Umhüllung
10: Tiegelfüllung
11: Erste Fördereinrichtung
12: Zweite Fördereinrichtung
13: Nachfülltrichter
14: Nachfüllbehälter
15: Flansch
16: Fördergutsensor
17: Pyrometer/Temperatursensor
18: Visuelles Inspektionssystem
19: Abstandssensor
20: Stückiges Silizium/Rohmaterial
21: ”Matschzone”/Zone mit teilweise geschmolzenem Material
22: Schmelze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6743293 B2 [0004]
- EP 0315156 B1 [0006]
- EP 1338682 A2 [0007]
- JP 01-148780 A [0007]
- US 2004/0226504 A1 [0008]
- US 2006/0060133 A1 [0008]
- JP 11/236290 A [0009]
- JP 62/260791 A [0009]
- EP 1337697 B1 [0010, 0035]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren, bei dem stückiges Rohmaterial (20) in einen Schmelztiegel (2) eingebracht und in diesem geschmolzen wird und gerichtet erstarrt, wobei vom oberen Ende zum Boden des Schmelztiegels (2) ein Temperaturprofil aufgebaut wird, das so axial verschoben wird, dass die Phasengrenze, welche die flüssige Phase von auskristallisiertem Material trennt, beginnend vom Boden des Schmelztiegels allmählich zum oberen Ende des Schmelztiegels hin wandert, bei welchem Verfahren das Rohmaterial (20) vom oberen Ende des Schmelztiegels her geschmolzen wird, sodass geschmolzenes Material nach unten sickert und noch nicht geschmolzenes Rohmaterial (20) in dem Schmelztiegel (2) allmählich zusammensackt und zusätzliches Rohmaterial (20) in den Schmelztiegel von oben her auf eine Zone (21) von noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial nachgefüllt wird, um eine Volumenschrumpfung des Rohmaterials zumindest teilweise zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rohmaterial in dem Schmelztiegel (2) so von dessen oberem Ende her geschmolzen wird, dass sich die Zone (21) als Band aus noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels (2) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberflächentemperatur des Rohmaterials (20) in dem Schmelztiegel (2) kontinuierlich erfasst wird und nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder unmittelbar nach Erreichen der Schmelztemperatur des Rohmaterials das zusätzliche Rohmaterial mit einer Rate, die der Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels entspricht, kontinuierlich in den Schmelztiegel eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Oberflächentemperatur des Rohmaterials (20) in dem Schmelztiegel (2) kontinuierlich erfasst wird und in Abhängigkeit von der Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels und von der Menge des aktuell in dem Schmelztiegel befindlichen Rohmaterials eine vorbestimmte Menge des zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Oberflächentemperatur des Rohmaterials (20) in dem Schmelztiegel (2) kontinuierlich erfasst wird, um einen Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem die Schmelztemperatur des Rohmaterials erreicht ist, und wobei nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Zeitpunkt in Abhängigkeit von der Heizleistung eine vorbestimmte Menge des zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Füllstand des Schmelztiegels (2) kontinuierlich überwacht wird und nach einem Absinken des Füllstands um eine vorbestimmte Höhe, die von dem aktuellen Füllstand abhängig ist, eine vorbestimmte Menge des zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Füllstand durch Abstandsmessung, insbesondere Laser-Abstandsmessung, überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Schritt des Nachfüllens solange wiederholt wird, bis der Schmelztiegel (2) bis nahe seinem oberen Rand mit einer Schmelze gefüllt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zusätzliche Rohmaterial beim Nachfüllen über den Querschnitt des Schmelztiegels vergleichmäßigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zusätzliche Rohmaterial mit Hilfe von zumindest zwei Fördereinrichtungen (11, 12) eingebracht wird, von denen sich eine Fördereinrichtung (12) stromaufwärts und außerhalb eines beheizten Bereichs befindet und eine andere Fördereinrichtung dieser nachgeordnet und zumindest teilweise innerhalb des beheizten Bereichs angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Füllstand des Schmelztiegels (2) kontinuierlich überwacht wird und das Nachfüllen des zusätzlichen Rohmaterials abgebrochen wird, bevor eine Überfüllung des Schmelztiegels erfolgt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rohmaterial stückiges Silizium ist, insbesondere schüttfähiges polykristallines Silizium.