DE102009039070A1

DE102009039070A1 - Verfahren ung Vorrichtung zur Entfernung von Verunreinigungen aus einer Schmelze

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Publication number: DE102009039070A1
Application number: DE102009039070A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Freudenberg; Marc Dr. Dietrich; Michael Dr. Timm; Ralf Ditscherlein
Original assignee: SolarWorld Innovations GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: DE102009039070B4

Abstract

Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen aus einer Schmelze, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen mindestens eines ersten Tiegels (1) mit einer Schmelze (2) aus einem Nichteisenmetall, insbesondere einem Halbleiter-Material, wobei der Tiegel (1) einen Boden (3) und mindestens eine Seitenwand (4) aufweist, und gerichtetes Erstarren der Schmelze (2) im Tiegel (1) zur Ausbildung eines erstarrten Blocks (15), wobei der erstarrte Block (15) im Bereich einer Erstarrungsfront (16) an eine Flüssigphase aus Rest-Schmelze (17) aus dem Tiegel (1) mittels einer Entfern-Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Erstarrungsfront (16) beim Erstarren der Schmelze (2) durch ein asymmetrisches Temperaturfeld derart beeinflusst wird, dass sich die Rest-Schmelze (17) im Tiegel (1) im an die Entfern-Einrichtung angrenzenden Bereich bis zum vollständigen Erstarren der Schmelze (2) in der Flüssigphase befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Verunreinigungen aus einer Schmelze, insbesondere aus einem Halbleiter-Material.
Für photovoltaische Anwendungen wird Silizium mit einem hohen Reinheitsgrad benötigt. Im Laufe der Erstarrung einer Siliziumschmelze reichern sich gelöste Verunreinigungen im flüssigen Bereich an. Durch Entfernung der flüssigen Phase mit den angereicherten Verunreinigungen lässt sich somit die Reinheit des erstarrten Siliziums verbessern. Eine Entfernung der flüssigen Phase mit den Verunreinigungen vom kristallisierten Silizium führt jedoch leicht zu einer Störung des Kristallisationsvorgangs. Außerdem ist eine vollständige Entfernung der Rest-Schmelze aus dem Tiegel schwierig, da sich üblicherweise aufgrund einer konvexen oder konkaven Phasengrenze Restpfützen auf dem erstarrten Ingot bilden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen die Entfernung einer Rest-Schmelze aus einem Tiegel verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, den Verlauf der Erstarrungsfront, das heißt der Phasengrenze zwischen dem erstarrten Block und der Flüssigphase durch gezielte Steuerung einer Heiz-Einrichtung derart zu beeinflussen, dass sich die Rest-Schmelze während des gesamten Erstarrungs-Vorgangs in einem vorbestimmten Bereich befindet. Hierdurch wird das Entfernen der Rest-Schmelze aus dem Tiegel erleichtert.
Der vorbestimmte Bereich grenzt hierbei vorteilhafter Weise an mindestens eine Seitenwand oder an eine Kante, gebildet aus zwei aufeinanderstoßenden Seitenwänden des Tiegels, an, was die Entfernung der Rest-Schmelze aus dem Tiegel weiter vereinfacht.
Ein vollständiges Entfernen der Rest-Schmelze wird insbesondere dadurch erleichtert, dass die Rest-Schmelze in einem einfach zusammenhängenden, insbesondere in einem im topologischen Sinne kontrahierbaren Bereich angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung der Rest-Schmelze wird insbesondere die Ausbildung von Restpfützen auf dem erstarrten Ingot vermieden.
Bei einer in einer schiefen Ebene verlaufenden Erstarrungsfront sammelt sich die Rest-Schmelze in einem keilförmigen Bereich und ist somit auf besonders einfache Weise aus dem Tiegel entfernbar.
Um einen derartigen Verlauf der Erstarrungsfront zu erreichen, wird der Wärmeeintrag von der Heiz-Einrichtung in einem vorbestimmten Bereich am oberen Ende einer Seitenwand des Tiegels lokal erhöht, sobald ein bestimmter Anteil der Schmelze erstarrt ist. Hierdurch wird in diesem Stadium der Kristallisation der Schmelze im Tiegel eine asymmetrische Erstarrung ermöglicht.
Zum Entfernen der Rest-Schmelze aus dem Tiegel eignen sich vorteilhafterweise Überlauf-Verfahren. Alternativ hierzu kann der Tiegel gekippt werden, um die Rest-Schmelze aus dem Tiegel zu entfernen. Es ist ebenso möglich, die Rest-Schmelze aus dem Tiegel abzusaugen oder abzupumpen.
Durch Ausnutzen der Volumenausdehnung beim Erstarren der Schmelze kann die Entfernung der Rest-Schmelze aus dem Tiegel automatisiert werden. Dies ist insbesondere in Verbindung mit Überlauf- und/oder Absaug-Verfahren vorteilhaft.
Vorteilhafterweise wird der aus dem Tiegel entfernte Teil der Rest-Schmelze in einem Auffang-Tiegel aufgenommen. Er kann dann im Folgenden weiterverarbeitet werden, insbesondere unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Um Blöcke mit einer vorbestimmten Reinheit zu erhalten, kann der erstarrte Block wieder aufgeschmolzen und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erneut erstarrt werden. Hierbei wird bei jedem Durchgang zumindest ein Teil der Rest-Schmelze aus dem Tiegel entfernt, sodass der Anteil an Verunreinigungen und/oder Fremdatomen im erstarrten Block bei jedem Durchgang geringer wird. Das Aufschmelzen und Erstarren des Blocks unter Entfernung eines Teils der Rest-Schmelze kann so oft wiederholt werden, bis der Block eine vorbestimmte Reinheit aufweist. Vorzugsweise wird der erstarrte Block zwischen den einzelnen Durchgängen nicht abgekühlt. Hierdurch wird die zum Aufschmelzen des Blocks benötigte Energiemenge verringert.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nichteisenmetallen,
2 einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß 1, wobei der erfindungsgemäße Verlauf der Erstarrungsfront bei bereits fortgeschrittener Erstarrung der Schmelze verdeutlicht ist,
3 und 4 einen Querschnitt und eine Seitenansicht eines Tiegels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
5 und 6 einen Querschnitt und eine Seitenansicht eines Tiegels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
7 und 8 eine Seitenansicht und eine Ansicht von oben eines Tiegels gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
9 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung, und
10 eine schematische Ansicht eines Tiegels mit einer Absaug-Vorrichtung.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entfernen von aufkonzentrierten Verunreinigungen aus einer Schmelze schematisch dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Tiegel 1 zur Aufnahme einer Schmelze 2, insbesondere einer Silizium-Schmelze. Selbstverständlich kann die Schmelze 2 auch aus einem anderen Halbleiter-Material sein. Der Tiegel 1 ist als quaderförmige Kokille oder wieder verwendbarer Tiegel mit einem Boden 3 und vier an diesen angrenzenden Seitenwänden 4 ausgebildet. Der Boden 3 erstreckt sich senkrecht zu einer Vertikal-Richtung 5. Die Seitenwände 4 erstrecken sich ausgehend vom Boden 3 zumindest komponentenweise in Vertikal-Richtung 5. Die Seitenwände 4 stehen insbesondere senkrecht auf dem Boden 3. Sie weisen jeweils ein oberes Ende 6 auf. Die Seitenwände 4 und der Boden 3 begrenzen einen Innenraum 7, welcher über eine Öffnung 8 befüllbar ist.
Alternativ zu einer quaderförmigen Ausbildung des Tiegels 1 kann dieser auch zylinderförmig ausgebildet sein. In diesem Fall umfasst der Tiegel 1 lediglich eine einzige, hohlzylinderförmig ausgebildete Seitenwand 4. Andere Formen sind ebenfalls möglich.
Der Tiegel 1 ist vorzugsweise als mehrfach verwendbarer Tiegel ausgebildet. Der Tiegel 1 ist hierbei auf Basis von Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid ausgebildet. Ein Tiegel 1 aus Quarz ist jedoch ebenso möglich.
Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27. Die Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 umfasst ihrerseits mindestens eine steuerbare Heiz-Einrichtung 9. Die Heiz-Einrichtung 9 ist zur aktiven und gezielten Zufuhr von Wärme in die Schmelze 2 steuerbar. Die Heiz-Einrichtung 9 umfasst vorteilhafter Weise mindestens zwei, insbesondere eine Vielzahl von Heiz-Elementen 13. Als Heiz-Elemente 13 sind insbesondere elektrische Heiz-Elemente 13 vorgesehen. Als Heiz-Elemente 13 sind insbesondere ein Decken-Heiz-Element sowie ein oder mehrere Seiten-Heiz-Elemente vorgesehen. Optional kann auch ein Boden-Heiz-Element vorgesehen sein. Die Heiz-Elemente 13 umgeben den Tiegel 1 somit zumindest teilweise. Zusätzlich zu den Heiz-Elementen 13 kann die Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 Isolations-Elemente aufweisen. Die Isolations-Elemente können vorteilhafter Weise jeweils einem oder mehreren Heiz-Elementen 13 zugeordnet sein. Insbesondere umgeben die Isolations-Elemente den Tiegel zumindest teilweise. Die Heiz-Elemente 13 sind unabhängig voneinander steuerbar. Hierdurch ist eine flexible Steuerung des Temperaturfelds im Tiegel 1 durch geeignete Ansteuerung der Heiz-Einrichtung 9, insbesondere der einzelnen Heiz-Elemente 13 möglich.
Optional kann Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 außerdem ein oder mehrere steuerbare Kühl-Elemente 10 umfassen. Die Kühl-Elemente 10 sind vorzugsweise im Bereich des Bodens 3 des Tiegels 1, insbesondere unterhalb des optionalen Boden-Heiz-Elements angeordnet. Mittels der Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 ist der Erstarrungs-Vorgang der Schmelze 2 räumlich und/oder zeitlich steuerbar. Dies kann durch Steuerung der Kühl-Elemente 10 unterstützt werden.
Bezüglich der Ausbildung der Kühl-Elemente 10 sei auf die DE 10 2005 013 410 A1 verwiesen.
Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Entfern-Einrichtung zum Entfernen eines Teils der Schmelze 2 aus dem Tiegel 1. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Entfern-Einrichtung als Tülle 11 in der Seitenwand 4 des Tiegels 1 ausgebildet. Selbstverständlich kann die Tülle 11 bei einem quaderförmigen Tiegel 1 auch im Bereich der Verbindungskante zweier Seitenwände 4 angeordnet sein. Die Tülle 11 ist vorzugsweise im Bereich des oberen Endes 6 einer Seitenwand 4 angeordnet. Die Tülle 11 kann beabstandet zum oberen Ende 6 der Seitenwand 4 angeordnet sein. Sie ist jedoch zumindest im oberen Drittel, insbesondere im oberen Sechstel, der Seitenwand 4 angeordnet. Die Tülle 11 ist in einem Abstand d zum Boden 3 angeordnet.
Die Tülle 11 ist ein Beispiel für eine Überlauf-Einrichtung. Prinzipiell ist es denkbar, die Tülle 11 verschließbar auszubilden.
Vorzugsweise weist die Tülle 11 eine Tropflippe 12 auf. Die Tropflippe 12 verhindert ein Anhaften der durch die Tülle 11 ausfließenden Schmelze 2 an der Tülle.
Die Tülle 11 kann vorteilhafter Weise auswechselbar sein. Sie ist aus Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid und/oder einer Kohlenstoff-Verbindung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Heiz-Einrichtung derart steuerbar ist, dass der Wärmeeintrag in den Tiegel 1 im Bereich der Tülle 11, das heißt lokal, gezielt anhebbar ist. Hierzu kann die Heiz-Einrichtung 9 insbesondere einen gesondert ansteuerbaren Heiz-Bereich 28 aufweisen. Das resultierende Temperatur-Feld im Tiegel 1 wird im Folgenden als asymmetrisches Temperaturfeld bezeichnet. Zur Erzeugung eines asymmetrischen Temperaturfeldes im Tiegel 1 kann auch ein zusätzliches Heiz-Element 13 im Bereich der Tülle 11 vorgesehen sein. Hierdurch ist das Temperatur-Feld im Tiegel 1 derart steuerbar, dass um die Tülle 11 ein Temperaturgradient vorhanden ist, wobei die Temperatur im Bereich der Tülle 11 höher ist als in den von der Tülle 11 entfernten Bereichen des Tiegels 1.
Alternativ zu einem zusätzlichen Heiz-Element 13 kann die höhere Temperatur in einem Bereich des Tiegels 1 durch eine lokal verstärkte Isolation oder durch eine lokal erhöhte Heizleistung ohne zusätzliches Heiz-Element erreicht werden. Dies ist beispielsweise durch eine lokale Reduktion des Heizleiterquerschnittes mindestens eines der Heiz-Elemente 13 möglich.
Allgemein sei unter einem asymmetrischen Temperaturfeld ein nicht vollständig homogenes Temperaturfeld im Tiegel 1 verstanden, insbesondere ein Temperaturfeld, bei welchem die Temperatur-Verteilung im Tiegel 1 in zumindest einer Ebene senkrecht zur Vertikal-Richtung 5 nicht radiärsymmetrisch, insbesondere nicht rotationssymmetrisch ist.
Außerdem weist die Vorrichtung einen in den Figuren nicht dargestellten Auffang-Tiegel auf. Der Auffang-Tiegel dient der Aufnahme der aus dem Tiegel 1 entfernten Schmelze 2. Der Auffang-Tiegel ist vorzugsweise identisch zum Tiegel 1 ausgebildet. Er kann jedoch auch anders, insbesondere flach oder konisch ausgebildet sein.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben. Zunächst wird der Tiegel 1 bereitgestellt. Der Tiegel 1 wird mit einer vorgegebenen Einwaagemenge an Silizium, insbesondere mit pulver- oder granulatförmigem Silizium befüllt. Dieses wird durch Aktivierung der Heiz-Einrichtung 9 vollständig aufgeschmolzen und liegt sodann als flüssige Schmelze 2 vor. Alternativ hierzu kann auch bereits aufgeschmolzenes, flüssiges Silizium in den Tiegel 1 eingefüllt werden.
Die Einwaagemenge wird gerade so gewählt, dass die Schmelze 2 im vollständig aufgeschmolzenen Zustand des Siliziums im Tiegel 1 eine Anfangs-Füllhöhe h₀ einnimmt. Die Anfangs-Füllhöhe h₀ ist hierbei höchstens so hoch wie der Abstand d der Tülle 11 zum Boden 3. Es gilt insbesondere h₀ ≤ d ≤ 1,1 h₀.
Sodann folgt ein gerichtetes Erstarren der Schmelze 2 im Tiegel 1 zur Ausbildung eines erstarrten Blocks 15. Gerichtet im Sinne dieser Erfindung bedeutet von unten nach oben, also gegen die Schwerkraft. Zum gesteuerten Kristallisieren der Schmelze 2 wird die mittels der Heiz-Einrichtung 9 der Schmelze 2 zugeführte Wärme ausgehend vom Boden 3 des Tiegels nach oben gesteuert verringert. Das gerichtete Erstarren kann mittels der steuerbaren Kühl-Elemente 10 unterstützt werden. Für Details des gerichteten Erstarrens wird auf die DE 10 2005 013 410 A1 verwiesen.
Beim Erstarren der Schmelze 2 bildet sich eine Erstarrungsfront 16 aus. Der erstarrte Block 15 grenzt im Bereich der Erstarrungsfront 16 an eine Flüssigphase aus Rest-Schmelze 17. Die Erstarrungsfront 16 bildet somit eine Phasengrenze.
Da bei der Erstarrung einer Siliziumschmelze eine Volumenausdehnung der Siliziumschmelze um 11% beobachtet wird, steigt das Niveau der Rest-Schmelze 17 im Tiegel 1 während des Erstarrungsvorgangs auf eine momentane Füllhöhe h_t. Sobald die momentane Füllhöhe h_t so groß ist wie der Abstand d der Tülle 11 zum Boden 3, h_t= d, führt ein weiteres Ansteigen des Niveaus der Rest-Schmelze 17 zu einem Auslaufen der Rest-Schmelze 17 aus der Tülle 11. Mit anderen Worten setzt die Entfernung der Rest-Schmelze 17 beim Erstarren der Schmelze 2 automatisch ein, sobald ein vorbestimmter Anteil der Schmelze 2 erstarrt ist, und die Rest-Schmelze 17 aufgrund der Volumenausdehnung der Schmelze 2 beim Erstarren derselben die Höhe d der Tülle 11 im Tiegel 1 erreicht. Der Anteil der auf diese Weise automatisch aus dem Tiegel 1 entfernbaren Rest-Schmelze 17 lässt sich somit auf einfache Weise durch die anfängliche Füllmenge des Siliziums im Tiegel 1, das heißt durch die Einwaagemenge einstellen. Entsprechend kann der zu entfernende Anteil der Rest-Schmelze 17 auch mittels einer höhenverstellbaren Tülle 11 eingestellt werden.
Es wurde festgestellt, dass bei der Erstarrung einer Siliziumschmelze häufig konvexe oder konkave Phasengrenzen auftreten. Beide Ausprägungen können dazu führen, dass bei der Ausnutzung der Volumenausdehnung beim Erstarren der Schmelze 2 zur automatisierten Entfernung der Rest-Schmelze 17 Pfützen mit Rest-Schmelze 17 auf dem erstarrten Block 15 verbleiben. Derartige Pfützen werden nicht durch die Tülle 11 aus dem Tiegel 1 entfernt und erstarren somit im Folgenden selbst auf dem erstarrten Block 15. Da jedoch die zuletzt erstarrenden Volumeneinheiten der Rest-Schmelze 17 die größte Verunreinigungskonzentration aufweisen, ist es insbesondere wichtig, diese aus dem Tiegel 1 zu entfernen. Um die Bildung von Pfützen mit Rest-Schmelze 17 zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Temperaturführung im Innenraum 7 des Tiegels 1 mittels der Heiz-Einrichtung 9 geeignet zu steuern. Hierfür wird der Verlauf der Erstarrungsfront 16 beim Erstarren der Schmelze 2 durch Steuerung der Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27, insbesondere durch Steuerung der Heiz-Einrichtung 9 beeinflusst. Es ist insbesondere vorgesehen, den Wärmeeintrag in einem vorbestimmten Teil-Bereich am oberen Ende 6 der Seitenwand 4 zumindest ab einen bestimmten Zeitpunkt oder wenn ein vorbestimmter Teil der Schmelze 2 erstarrt ist, beispielsweise mittels des zusätzlichen Heiz-Bereichs 28 gezielt anzuheben. Der zusätzliche Heiz-Bereich kann hierbei zeitweise oder ständig aktiviert werden. Durch den lokal erhöhten Wärmeeintrag wird ein asymmetrisches Temperaturfeld mit einem Temperatur-Gradienten im Innenraum 7 des Tiegels 1 erzeugt, wobei die Temperatur im Bereich der Tülle 11 am höchsten ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Schmelze 2 im Bereich der Tülle 11 am längsten in der Flüssigphase, das heißt als Rest-Schmelze 17, vorliegt. Außerdem wird hierdurch verhindert, dass die Rest-Schmelze 17 beim Austreten durch die Tülle 11 in Letzterer erstarrt.
Allgemein ausgedrückt werden die Heiz-Elemente 13 der Heiz-Einrichtung 9 beim Erstarren der Schmelze 2 derart gesteuert, dass sich die Rest-Schmelze 17 im Tiegel 1 während des gesamten Erstarrungs-Vorgangs in einem einfach zusammenhängenden Bereich, insbesondere in einem im topologischen Sinne kontrahierbaren Bereich, befindet. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass der erstarrte Block 15 und die Rest-Schmelze 17 in zwei aneinander angrenzenden Bereichen angeordnet sind, ohne dass der erstarrte Block 15 eine oder mehrere Inseln in der Rest-Schmelze 17 oder die Rest-Schmelze 17 eine oder mehrere Pfützen auf dem erstarrten Block 15 bildet.
Die Heiz-Einrichtung 9 wird insbesondere derart gesteuert, dass der Bereich, in dem sich die Rest-Schmelze 17 im Tiegel 1 sammelt, während des gesamten Erstarrungs-Vorgangs durch mindestens eine Seitenwand 4 des Tiegels 1 begrenzt ist. Hierbei handelt es sich um die Seitenwand 4 mit der Tülle 11. Im Falle der Anordnung der Tülle 11 im Bereich einer Verbindungskante zweier Seitenwände 4 sind hierbei entsprechend die beiden an die Tülle 11 angrenzenden Seitenwände gemeint.
Vorzugsweise wird die Heiz-Einrichtung 9 derart gesteuert, dass die Erstarrungsfront 16 zumindest ab einem bestimmten Zeitpunkt und/oder sobald ein bestimmter Anteil der Schmelze 2 erstarrt ist, in einer Ebene, insbesondere einer schiefen Ebene, verläuft. Die Rest-Schmelze 17 befindet sich in diesem Fall in einem keilförmigen Bereich.
Der durch die Tülle 11 aus dem Tiegel 1 entfernte Teil der Rest-Schmelze 17 wird vorzugsweise im Auffang-Tiegel aufgefangen. Prinzipiell ist es möglich, Schmelzen 2 in mehreren Tiegeln 1 gleichzeitig erstarren zu lassen, wobei derselbe Auffang-Tiegel zur gleichzeitigen Aufnahme von Rest-Schmelze 17 aus mehreren, insbesondere mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier Tiegeln 1 dient.
Da sich die Verunreinigungen und/oder Fremdatome in der Rest-Schmelze 17 anreichern, weist der erstarrte Block 15 einen geringeren Anteil an Verunreinigungen und/oder Fremdatomen auf als die Rest-Schmelze 17, insbesondere als die aus dem Tiegel 1 entfernte Rest-Schmelze 17.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der erstarrte Block 15 nach Entfernung zumindest eines Teils der Rest-Schmelze 17 mindestens einmal, insbesondere mehrfach, wieder aufgeschmolzen und erstarrt wird, wobei bei jedem Durchgang, das heißt bei jedem Erstarrungs-Vorgang, zumindest ein Teil der Rest-Schmelze 17 aus dem Tiegel 1 entfernt wird. Es kann vorgesehen sein, den jeweils aus dem Tiegel 1 entfernten Teil der Rest-Schmelze 17 beim wiederholten Aufschmelzen des Blocks 15 durch Zugabe einer zusätzlichen Einwaagemenge an Silizium zu ersetzen. Zum Ersetzen des entfernten Teils der Rest-Schmelze 17 ist Silizium mit einer Reinheit von mindestens 90%, insbesondere mindestens 99%, insbesondere mindestens 99.99%, insbesondere mindestens 99.9999% vorgesehen. Der Anteil an Verunreinigungen und/oder Fremdatomen im erstarrten Block 15 wird somit bei jedem Durchgang geringer. Hierbei werden so viele Durchgänge durchgeführt, bis der erstarrte Block 15 eine vorbestimmte Reinheit aufweist.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist die ebenfalls als Überlauf-Mechanismus ausgebildete Entfern-Einrichtung beim zweiten Ausführungsbeispiel als Aussparung 18 in der Seitenwand 4 des Tiegels 1 ausgebildet. Die Aussparung 18 ist nach oben offen, das heißt sie erstreckt sich vom oberen Ende 6 der Seitenwand 4 bis zu ihrem tiefsten Punkt, welcher im Abstand d zum Boden 3 des Tiegels angeordnet ist. Die Aussparung kann an ihrem unteren Ende flach, v-förmig, das heißt spitz zulaufend oder abgerundet ausgebildet sein. Sie weist eine Breite B im Bereich von 1 mm bis 70 cm, insbesondere im Bereich von 1 cm bis 10 cm auf. Es ist prinzipiell möglich, die gesamte Seitenwand 4 auf einer Seite des Tiegels 1 mit einer Höhe d, welche geringer ist als die Höhe der übrigen Seitenwände 4, auszubilden. In diesem Fall erstreckt sich die Aussparung 18 über die gesamte Breite einer Seitenwand 4.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 7 und 8 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Im Gegensatz zu den vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die wiederum als Überlauf-Mechanismus ausgebildete Entfern-Einrichtung beim dritten Ausführungsbeispiel im Innenraum 7 des Tiegels 1 angeordnet. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Überlauf-Mechanismus durch eine zusätzliche Innenwand 19 im Innenraum 7 des Tiegels 1 ausgebildet. Die Innenwand 19 ist im Bereich einer Ecke 20 des Tiegels 1, das heißt im Bereich einer Verbindungskante zweier Seitenwände 4, angeordnet. Sie grenzt flüssigkeitsdicht an die beiden Seitenwände 4 und den Boden 3 an. Die Innenwand 19 erstreckt sich ausgehend vom Boden 3 des Tiegels bis zu einer Höhe d, welche geringer ist als die Gesamthöhe des Tiegels 1. Die Höhe d beträgt insbesondere höchstens 90% insbesondere höchstens 80% der Gesamthöhe des Tiegels 1. Die Innenwand 19 grenzt somit ein Überlauf-Volumen 21 flüssigkeitsdicht vom restlichen Innenraum 7 des Tiegels 1 ab. Das Überlauf-Volumen 21 ist insbesondere prismenförmig, insbesondere als gerades Prisma mit dreieckiger Grundfläche, ausgebildet.
Vorzugsweise weist das Überlauf-Volumen 21 im Bereich des Bodens 3 eine Öffnung auf. Das Überlauf-Volumen 21 ist somit nach unten offen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Tiegel 1 im Bereich des Überlauf-Volumens 21 bodenlos ausgebildet ist. Durch das Überlauf-Volumen 21 kann die Rest-Schmelze 17 in den Auffang-Tiegel gelangen. Außerdem wird eine unerwünschte Beeinflussung des Temperaturfelds im Tiegel 1 durch die sich anderenfalls im Überlauf-Volumen 21 ansammelnde Rest-Schmelze 17 vermieden.
Als Alternative und/oder zusätzlich zu einem Überlauf-Mechanismus im Tiegel 1 kann die Rest-Schmelze 17 auch durch ein Kippen des Tiegels 1, wie in 9 dargestellt, entfernt werden. Dies kann insbesondere in Kombination mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den 5 und 6 vorteilhaft sein. Die Aussparung 18 kann hierbei sehr breit gewählt werden. Sie kann sich insbesondere über die gesamte Breite einer Seitenwand 4 erstrecken.
Beim Kippen des Tiegels 1 kann der Zeitpunkt des Abgießens der Rest-Schmelze 17, das heißt der Zeitpunkt des Entfernens der Rest-Schmelze 17 aus dem Tiegel 1, definiert festgelegt werden. Beispielsweise kann die gesamte Rest-Schmelze 17 durch Kippen des Tiegels 1 aus diesem entfernt werden, sobald ein bestimmter Anteil der Schmelze 2 erstarrt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Tiegel 11 um einen Winkel im Bereich von 5° bis 20°, insbesondere im Bereich von 8° bis 12°, zu kippen. Hierbei kann vorgesehen sein, den Tiegel 1 isoliert von der Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 zu kippen. Alternativ hierzu kann auch die Vorrichtung umfassend den Tiegel 1 und die Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 miteinander gekippt werden. Der Tiegel 1 und die Temperatur-Regelungs-Einrichtung 27 sind hierzu vorteilhafter Weise auf einem kippbaren Gestell angeordnet.
Alternativ zum Auffang-Tiegel kann bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, den Tiegel 1 auf einer als Wanne ausgebildeten Grundplatte 22 anzuordnen. Die Grundplatte 22 kann mit Graphitfilz ausgelegt sein, welcher eine große Oberfläche für die Erstarrung der überlaufenden Rest-Schmelze 17 bietet.
Vorzugsweise erfolgt das Abgießen über einen Zeitraum von mehreren Minuten, um die thermische Belastung der Grundplatte 22 zu begrenzen. Die Kippgeschwindigkeit des Tiegels 1 beträgt insbesondere höchstens 10° pro Minute, insbesondere höchstens 5° pro Minute, insbesondere höchstens 1° pro Minute.
Um eine unkontrollierte Erstarrung der Rest-Schmelze 17 auf dem erstarrten Block 15 im Tiegel 1 während des Kippens zu verhindern, wird der mittels der Heiz-Einrichtung 9 dem Innenraum 7 des Tiegels 1 zugeführte Wärmeeintrag im Bereich der oberen Enden 6 der Seitenwände 4 während des Kippens erhöht.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 10 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Vorrichtung und das Verfahren zum Schmelzen und Erstarren des Siliziums im Tiegel 1 entsprechen jenen der vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird. Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Rest-Schmelze 17 durch Absaugen oder Abpumpen aus dem Innenraum 7 des Tiegels 1 zu entfernen. Hierzu ist eine Pump-Einrichtung 23 vorgesehen. Die Pump-Einrichtung 23 umfasst ein Saug-Rohr 24. Das Saug-Rohr 24 weist eine Ansang-Öffnung 25 auf, welche im Abstand d zum Boden 3 des Tiegels 1 im Innenraum 7 desselben angeordnet ist. Es ist ebenso möglich, das Saug-Rohr 24 in der Höhe verschiebbar im Tiegel 1 anzuordnen. Das Saug-Rohr 24 ist mit Unterdruck beaufschlagbar, beispielsweise mittels einer in der Figur nicht dargestellten Pumpe. Prinzipiell kann das Saug-Rohr 24 auch derart ausgebildet sein, dass die Rest-Schmelze 17 beim Eintauchen der Ansang-Öffnung 25 in diese aufgrund von Kapillarkräften in das Saug-Rohr 24 fließt.
Gemäß dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Pumpen-Einrichtung 23 weiterhin ein Auffang-Gefäß 26. Das Auffang-Gefäß 26 ist mit dem Saug-Rohr 24 verbunden. Es kann insbesondere vakuumdicht mit dem Saug-Rohr 24 verbunden sein. Es ist unterhalb des Niveaus angeordnet, bis zu welchem die Rest-Schmelze 17 aus dem Tiegel 1 entfernt werden soll. In diesem Fall genügt ein zeitweises Ansaugen der Rest-Schmelze 17, beispielsweise mittels eines kurzzeitigen Unterdrucks im Auffang-Gefäß 26, um die Rest-Schmelze 17 so weit in das Saug-Rohr 24 zu ziehen, dass sie durch ihr eigenes Gewicht weitere Rest-Schmelze 17 aus dem Tiegel 1 absaugt. Auf eine separate Pumpe kann bei dieser Alternative verzichtet werden. Außerdem wird das Absaugen der Rest-Schmelze 17 aus dem Tiegel 1 spätestens dann automatisch beendet, wenn das Niveau der der Schmelze im Auffang-Gefäß 26 das Niveau der Rest-Schmelze 17 im Tiegel 1 erreicht.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die im Auffang-Tiegel aufgefangene Rest-Schmelze 17 selbst wiederum einer gerichteten Erstarrung unterzogen. Ansonsten könnte die Volumenausdehnung bei der Erstarrung der Rest-Schmelze 17 zu einer Beschädigung des Auffang-Tiegels führen. Alternativ ist ein freies Erstarren in einem flachen oder konischen Tiegel oder unter Verwendung konischer Ausdehnkörper möglich.
Generell liegt der Anteil der aus dem Tiegel 1 entfernten Rest-Schmelze 17 je nach Verunreinigungsgehalt im Bereich von 1% bis 50% des Gesamtgewichts der Einwaagemenge. Bei stark verunreinigtem Silizium, beispielsweise metallurgischer Herkunft, werden bevorzugt 10% bis 40% des Gesamtgewichts der Einwaagemenge entfernt. Bei reinerem Silizium, beispielsweise Solarsilizium oder Halbleitersilizium, werden bevorzugt 2% bis 15% des Gesamtgewichts der Einwaagemenge entfernt.
Prinzipiell ist es bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, den Wärmeeintrag von der Heiz-Einrichtung 9 in den Innenraum 7 des Tiegels 1 auch über den Wärmedurchgangskoeffizienten der Seitenwand 4 lokal zu beeinflussen. Hierdurch kann auf einfache Weise unterstützt werden, dass die Rest-Schmelze 17 im Bereich der jeweils vorgesehenen Entfern-Einrichtung in flüssiger Form vorliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005013410 A1 [0026, 0037]

Claims

Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen aus einer Schmelze umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen mindestens eines ersten Tiegels (1) mit einer Schmelze (2) aus einem Nichteisenmetall, insbesondere einem Halbleiter-Material, – wobei der Tiegel (1) einen Boden (3) und mindestens eine Seitenwand (4) aufweist und – zumindest teilweise mit einer Temperatur-Regelungs-Einrichtung (27) umgeben ist, – gerichtetes Erstarren der Schmelze (2) im Tiegel (1) zur Ausbildung eines erstarrten Blocks (15), – wobei der erstarrte Block (15) im Bereich einer Erstarrungsfront (16) an eine Flüssigphase aus Rest-Schmelze (2) angrenzt, und – Entfernen zumindest eines Teils der Rest-Schmelze (17) aus dem Tiegel (1), – dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Erstarrungsfont (16) beim Erstarren der Schmelze (2) durch ein asymmetrisches Temperaturfeld derart beeinflusst wird, dass sich die Rest-Schmelze (17) im Tiegel (1) in einem vorbestimmten Bereich sammelt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen der Rest-Schmelze (17) aus dem Tiegel (1) eine Entfern-Einrichtung (11; 18; 23) vorgesehen ist, und der Bereich, in dem sich die Rest-Schmelze (17) im Tiegel (1) befindet, während des gesamten Erstarrungs-Vorgangs an den Bereich, in welchem die Entfern-Einrichtung (11; 18; 23) angeordnet ist, angrenzt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich, in dem sich die Rest-Schmelze (17) im Tiegel (1) befindet, während des gesamten Erstarrungs-Vorgangs an mindestens eine Seitenwand (4) des Tiegels (1) angrenzt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des asymmetrischen Temperaturfeldes im Tiegel (1) ein lokal erhöhter Wärmeeintrag oder eine lokal verstärkte Wärmeisolation vorgesehen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Erhöhung des Wärmeeintrags in den Tiegel (1) ein gezieltes Ansteuern der Temperatur-Regelungs-Einrichtung (27) und/oder eine zumindest zeitweise Aktivierung mindestens eines zusätzlichen Heiz-Bereichs (28) und/oder eine lokale Verringerung eines Heizleiterquerschnitts mindestens eines der Heiz-Elemente (13) vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das asymmetrische Temperaturfeld derart gesteuert wird, dass die Erstarrungsfront (16) zumindest ab einem bestimmten Zeitpunkt und/oder sobald ein bestimmter Anteil der Schmelze (2) erstarrt ist, in einer Ebene, insbesondere einer schiefen Ebene verläuft.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung der Rest-Schmelze (17) beim Erstarren der Schmelze (2) automatisch einsetzt, sobald ein vorbestimmter Anteil der Schmelze (2) erstarrt ist und die Rest-Schmelze (17) aufgrund einer Volumenausdehnung beim Erstarren der Schmelze (2) eine vorbestimmte Höhe d im Tiegel (1) erreicht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen mindestens eines Teils der Rest-Schmelze (17) aus dem Tiegel (1) ein Überlauf-Mechanismus (11; 18) im Tiegel (1) und/oder ein Kippen des Tiegels (1) und/oder ein Absaugen oder Abpumpen der Rest-Schmelze (17) vorgesehen ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlauf-Mechanismus (11; 18) derart in einer Seitenwand (4) des Tiegels (1) angeordnet ist, dass bei der Erstarrung der Schmelze (2) ein vorbestimmter Anteil aus dem Tiegel (1) ausläuft.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem ersten Tiegel (1) entfernte Teil der Rest-Schmelze (17) in einem Auffang-Tiegel aufgenommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffang-Tiegel zur gleichzeitigen Aufnahme der Rest-Schmelze (17) aus mehreren, insbesondere mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier ersten Tiegeln (1) dient.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erstarrte Block (15) nach Entfernung zumindest eines Teils der Rest-Schmelze (17) mindestens einmal, insbesondere mehrfach, wieder aufgeschmolzen und erstarrt wird, wobei bei jedem Erstarrungs-Vorgang zumindest ein Teil der Rest-Schmelze (17) aus dem Tiegel (1) entfernt wird, sodass der Anteil an Verunreinigungen und/oder Fremdatomen im erstarrten Block (15) bei jedem Durchgang geringer wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass so viele Durchgänge durchgeführt werden, bis der erstarrte Block (15) eine vorbestimmte Reinheit aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Tiegel (1) eine mehrfach verwendbare Kokille, insbesondere auf Basis von Siliziumnitrid und/oder Siliziumcarbid, dient.
Vorrichtung zum Entfernen von aufkonzentrierten Verunreinigungen aus einer Schmelze (2) umfassend a. einen Tiegel (1) zur Aufnahme einer Schmelze (2), insbesondere aus einem Halbleiter-Material und zum Erstarren dieser Schmelze (2) mit i. einem sich senkrecht zu einer Vertikal-Richtung (5) erstreckenden Boden (3) und ii. mindestens einer an diesen angrenzenden Seitenwand (4), iii. wobei sich die mindestens eine Seitenwand (4) ausgehend vom Boden (3) in Vertikal-Richtung (5) zu einem oberen Ende (6) erstreckt b. mindestens eine Temperatur-Regelungs-Einrichtung (27) zur Steuerung des Erstarrungs-Vorgangs der Schmelze (2) und c. eine Entfern-Einrichtung (11; 18; 23) zum Entfernen eines Teils der Schmelze (2) aus dem Tiegel (1), d. wobei die mindestens eine Temperatur-Regelungs-Einrichtung (27) derart angeordnet und/oder steuerbar ist, dass der Wärmeeintrag in einem vorbestimmten Teil-Bereich des Tiegels (1) zur Erzeugung eines asymmetrischen Temperaturfeldes im Tiegel (1) lokal erhöhbar ist.