DE102008013326B4

DE102008013326B4 - Induktionsheizspule und Verfahren zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE102008013326B4
Application number: DE102008013326A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Altmannshofer; Jörg Fischer; Dr. Riemann Helga; Dr. Ammon Wilfried
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: CN101532171A; DK176877B1; SG155827A1; CN101532171B; TW200939891A; TWI398193B; US9084296B2; DE102008013326A1; KR20090097097A; JP5227854B2; KR100999476B1; DK200900325A; US20090223949A1; JP2009215159A

Abstract

Induktionsheizspule zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller (9) mit einem Ablaufrohr (11), umfassend einen mit radial gerichteten Stromführungsschlitzen (4) versehenen Spulenkörper (1) mit einer oberen und einer unteren Seite und mit einer Durchtrittsöffnung (6) für Granulat in einem außerhalb des Zentrums liegenden Bereich des Spulenkörpers (1), und stromführende Segmente (2), die im Zentrum der unteren Seite des Spulenkörpers (1) hervorstehen und die an einem unteren Ende durch einen Steg (3) elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Induktionsheizspule und ein Verfahren zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller mit Ablaufrohr. Eine Induktionsheizspule dieser Art wird gemäß DE 102 04 178 A1 benötigt, um einen Einkristall aus Halbleitermaterial mit Granulat als Rohstoff herstellen zu können.
4 zeigt eine bekannte Induktionsheizspule in einer Anordnung während der Herstellung eines Einkristalls. Das mit Hilfe der Induktionsheizspule geschmolzene Granulat fließt durch eine Öffnung im Zentrum des Tellers unter Ausbildung eines trichterförmigen Films aus Halbleitermaterial in eine Schmelze. Die Schmelze bildet ein Reservoir, das, von einer Ziehspule gesteuert, auf einem Einkristall unter Vermehrung von dessen Volumen kristallisiert. Für einen störungsfreien Verlauf des Kristallwachstums ist es unter anderem wichtig, dass der Film und die daran angrenzende Schmelze flüssig bleiben. Um unkontrolliertes Einfrieren des Films und der Schmelze auszuschließen, ist eine Strahlungsheizung vorhanden. Eine solche Strahlungsheizung ist jedoch aufwändig und wenig effizient, weil der größte Teil der auf den Film auftreffenden Strahlung reflektiert wird und damit wirkungslos bleibt. Darüber hinaus können der Film und die Schmelze nicht gleichmäßig erhitzt werden, weil sich die jeweiligen Einfallswinkel der Strahlung deutlich unterscheiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gleichmäßige Beheizung des Films und der daran angrenzenden Schmelze einfacher und wirksamer zu erreichen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Induktionsheizspule zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller (9) mit einem Ablaufrohr (11), umfassend einen mit radial gerichteten Stromführungsschlitzen (4) versehenen Spulenkörper (1) mit einer oberen und einer unteren Seite und mit einer Durchtrittsöffnung (6) für Granulat in einem außerhalb des Zentrums liegenden Bereich des Spulenkörpers (1), und stromführende Segmente (2), die im Zentrum der unteren Seite des Spulenkörpers (1) hervorstehen und die an einem unteren Ende durch einen Steg (3) elektrisch leitend verbunden sind.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller (9) mit einem Ablaufrohr (11) mittels einer Induktionsheizspule, umfassend das Bilden eines Films (12) aus geschmolzenem Halbleitermaterial, der das Ablaufrohr (11) benetzt, und einer an den Film (12) angrenzenden und mit einem Einkristall (10) in Kontakt stehenden Schmelze aus Halbleitermaterial mit einer freien Oberfläche, die vom Film umgeben ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Film und die Schmelze im Bereich der freien Oberfläche mittels stromführender Segmente (2), die im Zentrum der Unterseite der Induktionsheizspule hervorstehen und die an einem unteren Ende durch einen Steg (3) elektrisch leitend verbunden sind, erhitzt werden.
Erfindungsgemäß wird die Induktionsheizspule zum Schmelzen des Granulats auch verwendet, um den Film und den daran angrenzenden oberen Bereich der Schmelze induktiv zu beheizen und flüssig zu halten. Damit wird das Ziel erreicht, einen kontinuierlichen und steuerbaren Schmelzenfluss vom Teller bis zum Einkristall zu gewährleisten. Der Spulenkörper weist zu diesem Zweck stromführende Segmente auf, die im Zentrum der unteren Seite des Spulenkörpers hervorstehen und in den Kanal hineinragen, den der Film aus Halbleitermaterial zur Seite und die Schmelze unten begrenzen. Die Segmente sind vorzugsweise so gestaltet, dass eine induktive Beheizung des Films und der Schmelze im Bereich der vom Film umgebenen freien Oberfläche der Schmelze besonders wirksam ist. Besonders bevorzugt ist eine Form der Segmente, aufgrund derer das Volumen des Kanals von den Segmenten fast vollständig ausgefüllt wird. Die Segmente sind daher beispielsweise als zwei, einen Kegelstumpf formende Segmente ausgebildet, die an ihrem unteren Ende durch einen Steg elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend mit Hilfe von Figuren ausführlicher dargestellt. 1 zeigt in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule in einer Anordnung während des Betriebs. Die 2 und 3 zeigen die Induktionsheizspule in der Draufsicht und in Querschnitt-Darstellung. 4 ist eine der 1 entsprechende Darstellung, die den Stand der Technik repräsentiert. Gleichartige Merkmale sind mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Die Induktionsheizspule ist so ausgebildet, dass der Hochfrequenz-Strom im Wesentlichen durch den Spulenkörper 1 und die Segmente 2 fließt (2 und 3). Die Segmente sind an ihrem unteren Ende durch einen dünnen Steg 3 miteinander elektrisch leitend verbunden. Der Spulenkörper weist radial gerichtete Stromführungsschlitze 4 auf, die einen Stromfluss auf einer mäanderförmigen Bahn durch den Spulenkörper erzwingen. Die Bahn führt von Spulenanschlüssen 5 am Rand des Spulenkörpers 1 zu den Segmenten 2 im Spulenzentrum, durch die Segmente und durch den Spulenkörper wieder zurück zu den Spulenanschlüssen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass alle Bereiche der Oberfläche des Tellers gleichermaßen vom elektromagnetischen Feld erfasst werden, das dort den Strom zum Schmelzen von Granulat und zum Aufrechterhalten des schmelzflüssigen Zustands induziert.
Der Spulenkörper 1 besitzt in einem äußeren Bereich mindestens eine Durchtrittsöffnung 6 zum Zuführen von Granulat aus Halbleitermaterial auf den sich drehenden Teller. Die Durchtrittsöffnung wird vorzugsweise von einem der Stromführungsschlitze 4 gebildet, der zu diesem Zweck in einem Abschnitt aufgeweitet ist.
Die Induktionsheizspule ist ferner mit einem Kühlsystem ausgestattet, das Kühlkanäle 7 im Spulenkörper 1 umfasst, durch die ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, strömt. Um auch eine intensive Kühlung der Segmente 2 zu erhalten, sind die Kühlkanäle an die Segmente herangeführt und über eine Rohrbrücke 8 miteinander verbunden. Die Rohrbrücke reicht im Zentrum der oberen Seite des Spulenkörpers 1 bis an die Segmente 2 heran und ist an diese beispielsweise gelötet oder aufgeschweißt. Die Rohrbrücke 8 ist einfach oder mehrfach gewunden, so dass sie eine ausreichend hohe Induktivität besitzt. Der Hochfrequenz-Strom fließt deshalb im Wesentlichen über den Steg 3, der die Segmente 2 verbindet, und nicht über die Rohrbrücke 8. Durch den Stromfluss ist die Feldliniendichte im Bereich des Stegs besonders hoch und die induktive Beheizung der Schmelze, die bei der Herstellung eines Einkristalls dem Steg unmittelbar gegenüberliegt, besonders wirksam. Auf der Schmelze und dem Steg liegt vorzugsweise dasselbe elektrische Potential an, besonders bevorzugt Masse-Potential.
Eine bevorzugte relative Anordnung der Induktionsheizspule und des Tellers 9 während der Herstellung eines Einkristalls 10 ist in 1 dargestellt. Die Segmente 2 bilden einen Kegelstumpf und reichen im Bereich des Stegs 3 fast bis an die Schmelze heran. Der vom Ablaufrohr 11 des Tellers 9 fließende Film 12 aus geschmolzenem Halbleitermaterial umschließt einen Kanal, dessen Volumen fast vollständig von den stromführenden Segmenten 2 ausgefüllt wird. Vorzugsweise sind der Neigungswinkel der Außenfläche der Segmente und der Neigungswinkel der Innenfläche des Ablaufrohrs gleich. Der kontinuierliche Fluss von geschmolzenem Halbleitermaterial vom Teller zur Schmelze kann zusätzlich dadurch verbessert werden, dass der Kegelstumpf ein wenig asymmetrisch im Kanal positioniert wird und damit eine Seite bevorzugt beheizt wird. Dadurch bildet sich zu Beginn des Züchtungsvorganges, wenn noch wenig Schmelzenfluss benötigt wird, eine definierte geschlossene Schmelzenbahn aus.
Der Teller 9 besteht vorzugsweise aus demselben Halbleitermaterial wie das Granulat 13 und ist vorzugsweise in einer Art ausgeführt, wie der Behälter, der in der DE 102 04 178 A1 beschrieben ist und deren Inhalt hiermit ausdrücklich einbezogen wird. Er kann aber auch als einfache flache Platte mit zentralem Ablaufrohr ausgeführt sein, insbesondere wenn er verwendet wird, um Granulat zur Herstellung von Einkristallen mit vergleichsweise kleinen Durchmessern zu schmelzen. Die Bezugszahl 14 bezeichnet einen Trichter, in den das Granulat 13 gefördert wird.
Die Erfindung wird vorzugsweise zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium eingesetzt. Die aus den Einkristallen geschnittenen Halbleiterscheiben eignen sich beispielsweise zur Herstellung von Solarzellen oder von elektronischen Bauelementen, beispielsweise Leistungstransistoren und Thyristoren.
Beispiel:
Mit einer erfindungsgemäßen Induktionsheizspule in einer Anordnung gemäß 1 wurden Einkristalle aus Silizium hergestellt, ohne dass eine Strahlungsheizung für den Kanal und die daran angrenzende Schmelze zur Verfügung gestellt wurde. Die gezogenen Einkristalle waren frei von Versetzungen und es entstand kein Ausbeuteverlust durch Festwerden von Silizium im Film oder im angrenzenden Bereich der Schmelze.

Claims

Induktionsheizspule zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller (9) mit einem Ablaufrohr (11), umfassend einen mit radial gerichteten Stromführungsschlitzen (4) versehenen Spulenkörper (1) mit einer oberen und einer unteren Seite und mit einer Durchtrittsöffnung (6) für Granulat in einem außerhalb des Zentrums liegenden Bereich des Spulenkörpers (1), und stromführende Segmente (2), die im Zentrum der unteren Seite des Spulenkörpers (1) hervorstehen und die an einem unteren Ende durch einen Steg (3) elektrisch leitend verbunden sind.
Induktionsheizspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stromführungsschlitze (4) aufgeweitet ist, um die Durchtrittsöffnung (6) zu bilden.
Induktionsheizspule nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (2) die Form eines Kegelstumpfes bilden.
Induktionsheizspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Außenfläche der stromführenden Segmente (2) und der Neigungswinkel der Innenfläche des Ablaufrohrs (11) gleich sind.
Induktionsheizspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Kühlsystem zum Kühlen des Spulenkörpers (1) und der Segmente (2).
Induktionsheizspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem eine mit Kühlmittel durchströmte und gewundene Rohrbrücke (8) umfasst, die im Zentrum der oberen Seite des Spulenkörpers (1) mit den stromführenden Segmenten (2) in Kontakt steht.
Verfahren zum Schmelzen von Granulat aus Halbleitermaterial auf einem Teller (9) mit einem Ablaufrohr (11) mittels einer Induktionsheizspule, umfassend das Bilden eines Films (12) aus geschmolzenem Halbleitermaterial, der das Ablaufrohr (11) benetzt, und einer an den Film (12) angrenzenden und mit einem Einkristall (10) in Kontakt stehenden Schmelze aus Halbleitermaterial mit einer freien Oberfläche, die vom Film umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Film (12) und die Schmelze im Bereich der freien Oberfläche mittels stromführender Segmente (2), die im Zentrum der Unterseite der Induktionsheizspule hervorstehen und die an einem unteren Ende durch einen Steg (3) elektrisch leitend verbunden sind, erhitzt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Granulat aus Silizium auf einem Teller (9) aus Silizium geschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (3) und die Schmelze auf dasselbe elektrische Potential gelegt werden.