DE19607098C2 - Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block in einem bodenlosen metallischen Kaltwandtiegel - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block in einem bodenlosen metallischen KaltwandtiegelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer
Schmelze aus Silizium zu einem Block nach den Oberbegriffen der
Patentansprüche 1 und 4.
Derartige Blöcke werden unter anderem als Ausgangsmaterial für die Her
stellung von photovoltaischen Elementen wie Solarzellen verwendet, indem
man die Blöcke zu hauchdünnen Scheiben mit einer Dicke von weniger als
500 µm zerschneidet und entsprechend weiter verarbeitet. Bei der
gerichteten Erstarrung können entweder sogenannte Stengelkristalle
(kolumnare Ordnung) oder Einkristalle erzeugt werden. Die Herstellung von
Einkristallen z. B. nach dem Verfahren von Czochralski ist entsprechend
teuer.
Untersuchungen haben ergeben, daß der Wirkungsgrad der Energie
umsetzung sehr stark von der Gefügestruktur des Siliziums abhängig ist. Der
Wirkungsgrad ist bei einer glasartigen Struktur, d. h. bei amorphem Silizium,
außerordentlich gering, und er steigt mit zunehmender Kristallgröße bzw. mit
kolumnarer Ordnung an und erreicht bei sogenannten monokristallinen
Zellen Werte von etwa 15% und darüber. Als Ursache für dieses Verhalten
werden die an den Korngrenzen vorhandenen Verunreinigungen
angesehen, durch die eine Rekombination von Ladungsträgern stattfindet.
Die Zusammenhänge sind in dem Buch von Bergmann und Schaefer
"Lehrbuch der Experimentalphysik", Band 6, "Festkörper", Verlag Walter de
Gruyter, Berlin und New York 1992, Seiten 551 bis 553, angegeben, so daß
sich hierüber weitere Ausführungen erübrigen.
Durch die US 4 572 812 C ist es bekannt, in einem bodenlosen
quadratischen Kaltwandtiegel, der aus palisadenartig angeordneten
senkrechten wassergekühlten Stäben besteht, die von einer Induktionsspule
umgeben sind, eine Siliziumschmelze zu erzeugen, und den daraus
kontinuierlich gebildeten festen Block nach Art des Stranggießverfahrens
mittels einer kontinuierlich abwärts bewegten Tragplatte abzuziehen. Diese
Tragplatte besteht aus Graphit, der unter der Wirkung der Induktionsspule
aufgeheizt wird, was unter anderem dazu dienen soll, eine
Anfangserwärmung des stückigen Siliziums durchzuführen, um in diesem
eine ausreichende Temperatur für einen Stromfluß und damit für die weitere
Aufheizung durch Ankoppelung der induktiven Energie bis zum restlosen
Aufschmelzen zu erzeugen. Der erzeugte Block hat einen Querschnitt von
25 × 25 mm2 und eine Länge von 17 cm. Es wird zwar ausgesagt, daß der
Block eine grobe Kristallstruktur haben soll, jedoch vermittelt diese relative
Angabe insbesondere im Hinblick auf den geringen Blockquerschnitt keinen
Hinweis auf die absolute Kristallgröße. Der Einsatz einer Impfscheibe ist
nicht beschrieben, auch ist der Verlauf etwaiger Stengelkristalle nicht
offenbart.
In der US 4 572 812 C ist weiterhin beschrieben, daß zur Erzielung einer
elektrischen Leitfähigkeit bei Nichtleitern ein Heizstab aus Grafit in
Berührung mit dem Halbleitermaterial gebracht werden kann. Hierbei findet
aber ein zentraler, nahezu punkt- oder linienförmiger Energieeingang mit
starker Überhitzung statt, der sich erst allmählich durch Wärmeleitung im
schlecht leitenden Silizium ausbreiten kann. Dabei wird das
Halbleitermaterial mit Spuren von Grafit verunreinigt. Die Probleme einer
Fremdbeheizung durch Ankopplung von Grafit steigen aber mit
zunehmenden Blockquerschnitt, weil der thermische Einflußbereich begrenzt
ist und sich dadurch starke radiale Temperaturgradienten einstellen. Die
Folge ist eine stark paraboidförmige Phasengrenzfläche mit schrägem
Stengelwachstum.
Durch die EP 0 021 385 A1 ist es bekannt, in einer unten offenen, induktiv
beheizten Kristallisationskammer aus Grafit, also in einer Heißwandkokille,
auf einem plattenförmigen Kühlkörper aus Grafit im kontinuierlichen
Verfahren einen polykristallinen Halbleiterstab aus in Längsrichtung
gerichtet erstarrtem Silizium zu erzeugen. Die gerichtete Erstarrung wird
durch einen auf den Kühlkörper aufgelegten plattenförmigen Keimkristall
bewirkt, dessen horizontale Abmessungen der Querschnittsfläche des
Siliziumstabes entsprechen. Über die Querschnittsflächen der einzelnen
Kolumnar-Kristalle ist nichts ausgesagt. Hierbei dient die aus Grafit
bestehende Kristallisationskammer als Suszeptor für die induktive
Heizleistung, d. h. die Wärme bzw. Schmelzwärme wird vom Inhalt der
Kristallisationskammer von der extrem heißen Kammer- bzw. Tiegelwand
radial zur Achse des Siliziumstabes zugeführt. Um unerwünschte
Reaktionen der Grafitteile (Kristallisationskammer und Kühlkörper) mit dem
Silizium zu vermeiden, müssen die Innenflächen dieser Teile mit einer
Schutzschmelze aus einem gegenüber Silizium inerten Material überzogen
werden. Diese Schutzschmelze muß während des gesamten Ziehprozesses
aufrecht erhalten werden. Die Schutzschmelze soll vorzugsweise
Kalziumfluorid enthalten. Kalzium und alle anderen Erdalkalimetalle sind
aber in Silizium löslich und führen zu dessen Kontamination. Außerdem
entsteht Siliziumfluorid, das ein Gas ist, teilweise zu einer äußerst
unerwünschten Blasenbildung im Silizium führt, teilweise entweicht und mit
der Luftfeuchtigkeit den äußerst giftigen Fluorwasserstoff bildet.
Dabei muß ferner innerhalb der Kristallisationskammer in engen Grenzen
ein vertikaler Temperaturgradient eingehalten werden, damit der
Siliziumstab bei seiner Erstarrung innerhalb der Kristallisationskammer
diese nicht durch seinen hohen Ausdehnungskoeffizienten bei der
Erstarrung sprengt. Dies ist regelungstechnisch nur sehr schwer zu
beherrschen. Da der aus Grafit bestehende Kühlkörper in axialer Richtung
nur relativ geringe Wärmemengen abführen kann, muß der Kristallstab
durch radiales Anblasen aus Ringdüsen mit einem Kühlgas gekühlt werden,
was aber nur im Anschluß an die Startphase möglich ist, in der die
Keimkristallplatte sich noch innerhalb der Kristallisationskammer befindet.
In der besonders wichtigen Startphase unterbleibt dadurch eine starke axiale
Wärmeabfuhr, so daß sich im Rand- und Endbereich des Siliziumstabes
Kolumnarkristalle (Stengelkristalle) verhältnismäßig kleinen Querschnitts
einstellen, die sich durch den Siliziumstab fortpflanzen. Kolumnarkristalle
kleinen Querschnitts führen aber zu einem schlechten Wirkungsgrad der
Endprodukte (Solarzellen). Durch das Anblasen des Siliziumstabes mit
einem Kühlgas tritt bei Blöcken großen Querschnitts bzw. großer
Durchmesser mit zunehmender Stablänge wieder der Effekt ein, daß sich
wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Siliziums starke horizontale
Temperaturgradienten einstellen, wodurch sich eine zunehmend
parabolische Form der Phasengrenze fest/flüssig ausbildet. Dadurch geht
die ursprünglich achsparallele Ausrichtung der Kolumnarkristalle wieder
verloren, und es werden ganz besonders kleine Einzelkristalle gebildet.
Außerdem wird die Atmosphäre innerhalb der Vorrichtung gestört. Über den
verzögerten Einsatz der Kühlung von Keimkörpern sind dem Stand der
Technik keinerlei Angaben zu entnehmen.
Durch den Aufsatz von Kaneko u. a. "Cold Crucible Induction Casting of
Semi-Conductor Silicon", veröffentlicht in "Proceedings of the Sixth
International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ", Seiten 254 bis
259, ist es bekannt, in einem bodenlosen wassergekühlten Kaltwandtiegel
eine Siliziumschmelze zu erzeugen und den in Bildung befindlichen Block
kontinuierlich aus dem Kaltwandtiegel abzuziehen, wobei es sich um einen
quadratischen Tiegel mit Innenabmessungen von 80 × 80 mm2 gehandelt
hatte. Der angegebene Wirkungsgrad der Energieumsetzung am
Endprodukt betrug 13,7%.
Bei derartigen Kaltwandtiegeln findet keine Verunreinigung der
Siliziumschmelze, insbesondere keine Aufnahme von Sauerstoff statt, zumal
der Prozeß unter Vakuum oder unter Schutzgas durchgeführt wird. Durch die
induktive Beheizung des in Axialrichtung geschlitzten Kaltwandtiegels wird
auch eine Berührung des geschmolzenen Siliziums mit dem Kaltwandtiegel
praktisch vollständig ausgeschlossen. Einzelheiten über den absenkbaren
Tiegelboden sind nicht offenbart. Ohne besondere Maßnahmen werden
jedoch dünne Stengelkristalle mit geringem Querschnitt erzeugt, womit sich
der angegebene geringe Wirkungsgrad erklären dürfte.
Durch den Aufsatz von Servant u. a. "Grain structure of silicon solidified from
an inductive cold crucible", veröffentlicht in "Materials Science and
Engineerings A173 1993", Seiten 63 bis 66, ist weiterhin ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei dem ein Siliziumstab
eingesetzt und aufgeschmolzen wird, bevor kontinuierlich stückiges Silizium
nachchargiert wird. Es sind sowohl runde als auch quadratische
Kaltwandtiegel offenbart, wobei der runde Kaltwandtiegel einen
Innendurchmesser von 102 mm und der quadratische Kaltwandtiegel
Innenabmessungen von 60 × 60 mm2 aufweisen soll. Zur Kristallstruktur wird
ausgeführt, daß hierbei drei Zonen unterschieden werden können, nämlich
eine äußere Abschreckzone mit sehr kleinen Stengelkristallen mit
Durchmessern von 0,1 mm, eine Übergangszone mit einem größeren
Korndurchmesser von 2 bis 3 mm und eine mittlere Zone mit größeren
Korndurchmessern von 3 bis 4 mm, oder - bei direkter Kühlung - von 5 bis
8 mm. Damit ist das Korngrößenspektrum innerhalb des Blockquerschnitts
außerordentlich breit und für die Herstellung von Solarzellen mit hohem
Wirkungsgrad denkbar ungeeignet. Als Ursache hierfür wird die Richtung
des Kornwachstums angegeben, das zunächst radial von außen nach innen
und im Zentrum des Blocks nahezu senkrecht verläuft. Dies ist auf einen
außerordentlich tiefen Schmelzsee zurückzuführen, dessen Tiefe in der
Mitte 0,40 bis 0,42 des Blockdurchmessers beträgt. Dadurch weist die
Phasengrenze flüssig/fest die Form eines Paraboloids auf, was auch
zeichnerisch dargestellt ist. Üblicherweise erfolgt das Kornwachstum stets in
Normalenrichtung zur Phasengrenze flüssig/fest.
Es ist schließlich auch bekannt, die Siliziumschmelze in einem Heißwand
tiegel aus Quarz zu erzeugen, womit jedoch zwei Nachteile verbunden sind,
nämlich einmal die außerordentlich unerwünschte Sauerstoffwanderung von
dem Quarztiegel in die Siliziumschmelze, und zum andern die Zerstörung
des Quarztiegels beim Erstarren. Diese Zerstörung ist darauf
zurückzuführen, daß sich Silizium am Erstarrungspunkt um 9,6% linear
ausdehnt, was unweigerlich zur Zerstörung des Quarztiegels führt. Für jede
Charge muß also in diesem Falle ein neuer Quarztiegel verwendet werden,
so daß sich außerordentlich hohe Produktionskosten ergeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
beschriebenen Gattung anzugeben, durch das hochreine Blöcke großen
Querschnitts aus Silizium mit zumindest weitgehend achsparallelen
Stengelkristallen großen Querschnitts erzeugt werden können, so daß beim
Endprodukt ein hoher Wirkungsgrad bezüglich der Energieumsetzung
erreicht werden kann.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem Verfahren nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale im
Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Soweit nachstehend der Ausdruck "stückiges Silizium" verwendet wird,
handelt es sich um ein breites Korngrößenspektrum, das von feinem Pulver
bis zu groben Partikeln reicht. Um jedoch durch grobe Partikel oder Brocken
keine lokale starke Abkühlwirkung auf die Siliziumschmelze in Kauf nehmen
zu müssen, ist es vorteilhaft, Partikel am unteren Ende des
Korngrößenspektrums einzusetzen.
Induktiv beheizte Kaltwandtiegel mit palisadenartig aufgebauten Wänden
sind in dem Aufsatz von A. Gubchenko/Novikov/Choudhury/Hugo "Vacuum-
Induction and Induction Plasma Furnaces with Cold Crucible" beschrieben,
veröffentlicht anläßlich der "Proceedings Vacuum Metallurgy Conference,
1991, Pittsburgh, USA". Auf diese Literaturstelle wird zum Verständnis aus
drücklich Bezug genommen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird nicht nur von Anfang an die
Bildung eines in der Mitte sehr tiefen Schmelzsees verhindert, wie dies bei
Servant u. a. beschrieben ist, sondern auch ein zumindest weitgehend
parallel zur Tiegelachse verlaufendes Kristallwachstum erreicht. Speziell
durch die grobkristalline bis einkristalline, achsparallele Kristallstruktur des Keimkörpers
wird dem im Aufbau befindlichen Block eine entsprechend grobe
Kristallstruktur aufgezwungen, die zu der erwünschten Steigerung des
Wirkungsgrades führt. Durch den metallischen Kühlkörper wird schließlich
erreicht, daß sich ein sehr steiler vertikaler Temperaturgradient ausbildet,
der gleichfalls die Richtung des Kornwachstums beeinflußt und zudem die
Produktionsgeschwindigkeit erhöht. Dadurch ist es möglich, quadratische
Siliziumblöcke mit einer Länge von 1 m und darüber und einem Querschnitt
von 250 × 250 mm2 und darüber zu erzeugen. Bei kreisförmigen
Kaltwandtiegeln ist es möglich, Blöcke entsprechender Länge mit einem
Durchmesser von 300 mm und darüber zu erzeugen. Bereits hieraus geht
hervor, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht nur die Produkt
qualität, sondern auch die Produktionsgeschwindigkeit und damit die
Wirtschaftlichkeit drastisch erhöht werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zahlreiche weitere
Ausgestaltungen:
So ist es im Zuge einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders
vorteilhaft, wenn man in die Siliziumschmelze während des Blockaufbaus
laufend weiteres stückiges Silizium nachchargiert.
Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn man den Keimkörper zunächst im
unteren Bereich des Kaltwandtiegels anordnet und diesen über dem
Keimkörper zunächst bis zu mindestens 50% des Tiegelvolumens mit
stückigem Silizium vorchargiert, diese Menge an Silizium im Kaltwandtiegel
induktiv aufschmilzt.
Eine Alternative des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ver
fahrens geht aus von einem Stand der Technik nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 4.
Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist ein solches Verfahren
erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des
Patentanspruchs 4.
In diesem Falle handelt es sich um eine Flüssigchargierung des
Kaltwandtiegels. Da die Elektronenstrahlbeheizung im Hochvakuum
durchgeführt werden muß, erfolgt hierbei eine gründliche Vorreinigung des
Siliziums im Vorherd, der in an sich bekannter Weise als eine
wassergekühlte Wanne ausgeführt ist, die aus Kupfer besteht.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn man den Keimkörper zunächst
im oberen Bereich des Kaltwandtiegels anordnet und auf den Keimkörper
aus dem Vorherd zunächst eine dünne Schicht aus geschmolzenem Silizium
aufgießt und diese Schicht bis zum Anschmelzen mit dem Keimkörper durch
Elektronenstrahlen beheizt, und nachfolgend weitere Siliziumschmelze aus
dem Vorherd in den Kaltwandtiegel nachchargiert.
In beiden Fällen läßt man den Kühlkörper während des oberflächlichen
Anschmelzens des Keimkörpers zunächst ungekühlt und schaltet die
Kühlung zumindest im wesentlichen zeitgleich mit dem Beginn der
Relativbewegung zwischen dem Kühlkörper und dem Kaltwandtiegel ein.
Der verspätete Einsatz der Kühlung des Kühlkörpers hat den erheblichen
Vorteil, daß der Keimkörper eine relativ hohe Temperatur annimmt, so daß
ein gutes Anschmelzen seiner Oberfläche gewährleistet ist. Zweckmäßiger
weise verwendet man beim verspäteten Einsatz der Kühlung ein
gasförmiges Kühlmittel mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher
Strömungsgeschwindigkeit, gegebenenfalls unter erhöhtem Druck, um den
Wärmeübergang weiter zu fördern. Der Einsatz eines gasförmigen
Kühlmittels hat in diesem Falle den Vorteil, daß beim Anströmen des heißen
Kühlkörpers keine schlagartige Dampfentwicklung erfolgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren er
geben sich aus den übrigen Verfahrensansprüchen.
- 1. Es kann eine Scheibe aus einem Monokristall verwendet werden, die als Abfall aus einem Ziehprozeß nach der Methode Czochralski herrührt, so daß in diesem Falle auch ein mono kristalliner Block erzeugt wird,
- 2. als Keimkörper kann eine grobkörnige polykristalline Scheibe aus einer konventionellen Produktion verwendet werden, und
- 3. der monokristalline oder polykristalline Keimkörper kann durch Zersägen eines Blockes aus der Eigenproduktion verwendet werden.
Die Herkunft der Keimkörper kann folgende sein:
Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 10
und 11.
Zur Lösung der gleichen Aufgabe sind solche Vorrichtungen erfindungsge
mäß gekennzeichnet, durch die Merkmale in den Kennzeichen der
Patentansprüche 10 und 11.
Die Beheizung durch Elektronenstrahlen hat einen besonderen Vorteil, der im
Zuge der Detailbeschreibung noch näher erläutert wird.
Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend
anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung mit einem induktiv
beheizten Kaltwandtiegel zu Beginn der Herstellung eines
Blocks,
Fig. 2 den unteren Teil von Fig. 1 nach Fertigstellung eines Blocks,
Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und
Fig. 4 eine Vorrichtung analog Fig. 1, jedoch mit einer Elektronen
strahlbeheizung des Siliziums.
In Fig. 1 ist eine Ofenkammer 1 dargestellt, die unter Vakuum oder Schutz
gas betrieben werden kann und aus einem Ofenoberteil 2 und einem Ofen
unterteil 3 besteht. Die beiden Ofenteile sind durch eine Flanschverbindung 4
lösbar miteinander verbunden. Beiderseits der Flanschverbindung 4 können
noch Absperrventile vorgesehen sein, die hier jedoch nicht dargestellt sind
und zur Erhaltung der Ofenatmosphäre dienen.
Das Ofenoberteil 2 ist mit einer Chargiervorrichtung 5 für stückiges Silizium
versehen. Auch hier kann ein Absperrventil 6 als Teil einer Schleuse vorge
sehen sein. Weiterhin befindet sich im Ofenoberteil 2 eine erste Heizvorrich
tung 7, die von beliebiger Art sein kann, um eine Anfangserwärmung des
stückigen Siliziums durchzuführen. Ein Rohrstutzen 8 dient entweder zur
Evakuierung oder zur Zufuhr eines Schutzgases.
Im Ofenoberteil 2 ist ferner ein Kaltwandtiegel 9 vorgesehen, dessen Einzel
heiten anhand von Fig. 3 noch näher erläutert werden. Der Kaltwandtiegel 9
ist von einer Induktionsspule 10 umgeben, die nur sehr schematisch darge
stellt ist, und besitzt keinen Boden. In der Startphase der Vorrichtung ist die
untere Öffnung durch einen metallischen hohlen Kühlkörper 11 verschlossen,
dem das Kühlmedium über ein Anschlußteil 12 zugeführt wird. Die
Verbindung mit Leitungsdurchführungen 13 und 14 erfolgt über
durchhängende Schläuche 15 und 16.
Der Kühlkörper 10 ist mittels einer Gewindespindel 17 heb- und senkbar, wo
bei das Ende der Gewindespindel 17 drehbar im Anschlußteil 12 gelagert ist.
Die Gewindespindel 17 ist weiterhin durch eine Spindelmutter 18 hindurchge
führt, die gleichzeitig eine gasdichte Abdichtung bewirkt. Ein Antrieb 19, der
nur sehr schematisch dargestellt ist, dient zur Drehung der Gewindespindel
17. Es ist natürlich möglich, die Gewindespindel 17 drehfest im Anschlußteil
12 zu befestigen und die Spindelmutter 18 in Rotation zu versetzen.
Unterhalb des Kaltwandtiegels 9 befindet sich eine zweite Heizvorrichtung 20,
durch die der Block während seines Aufbaus hindurchgeführt wird und die
dazu dient, die Ausbildung von Wärmerissen in dem sehr spröden Silizium zu
verhindern. Die Heizvorrichtung 20 kann durch einen Suszeptor mit einer
weiteren Induktionsspule, durch eine Induktionsspule zur Direktbeheizung
oder durch einen Heizwiderstand mit entsprechender Isolation nach außen
hin gebildet werden. Im einfachsten Fall ist es möglich, die Heizvorrichtung
durch eine Wärmedämmung zu ersetzen, die eine übermäßige Abstrahlung
der Blockwärme an die kalte Ofenkammer verhindert.
Die Heizvorrichtung 20 ist in diesem Falle im Ofenunterteil 3 angeordnet, was
jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Um eine hohe Produktionsge
schwindigkeit zu erzielen, ist das Ofenunterteil 3 über einen Ausleger 21
drehbar und heb- und senkbar an einer ortsfesten Säule 22 gelagert, und an
der dem Ausleger 21 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein weiterer
Ausleger 23, an dem ein identisches Ofenunterteil 3a befestigt ist. Dadurch
können die Ofenunterteile 3 und 3a nach Absenkung des Kühlkörpers 11 mit
dem fertigen Block in eine Position nach Fig. 2 und nach einem Trennen der
Flanschverbindung 4 durch Drehung um die Achse A-A der Säule 22 gegen
einander ausgetauscht werden, so daß beispielsweise der fertige Block noch
bis zur weiteren Abkühlung in dem (abgesperrten) Ofenunterteil verbleiben
kann, in dem er produziert wurde. Dadurch wird die Arbeitsgeschwindigkeit
der Vorrichtung beträchtlich erhöht.
Gemäß den Fig. 1 und 3 ist auf die ebene Oberfläche 24 des Kühlkörpers
11 unter flächiger Berührung ein von planparallelen Ebenen begrenzter
Keimkörper 25 aufgelegt, dessen achsparallele Stengelkristalle 26 großen
Querschnitts bzw. großen Durchmessers nur angedeutet dargestellt sind. Der
Keimkörper 25 ist übertrieben dick dargestellt; er kann wesentlich dünner
ausgebildet sein. Auf ihm wird über die Chargiervorrichtung 5 zunächst eine
Schüttung aus partikelförmigem Silizium 27 aufgebracht, deren Oberfläche 28
nur angedeutet ist. Zur Erzeugung einer ausreichenden elektrischen Leit
fähigkeit wird die Oberfläche 28 durch die Heizvorrichtung 7 beheizt, so daß
nach Überschreiten einer Temperatur von etwa 700 bis 800°C die Induk
tionsspule 10 über den Kaltwandtiegel 9 an das stückige Silizium ankoppelt.
Es ist zu erkennen, daß der Kühlkörper 11 bzw. der Keimkörper 25 die untere
Öffnung des Kaltwandtiegels 9 im Querschnitt zumindest weitgehend ver
schließen, so daß weder stückiges Silizium noch die daraus gebildete
Schmelze nach unten austreten können. Durch die abstoßende Wirkung des
vertikalen Stromflusses in den einzelnen Sektoren des Kaltwandtiegels 9
(siehe Fig. 3) wird die Siliziumschmelze nach oben hin zunehmend von dem
Kaltwandtiegel 9 abgestoßen und nimmt in etwa die Form eines Paraboloids
29 ein.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist jetzt für die Absenkung des Kühlkörpers 11
und für die kontinuierliche Erzeugung eines Blockes aus Silizium bereit.
In Fig. 2 befindet sich der aus der Siliziumschmelze gebildete und gerichtet
erstarrte Block 30 in seiner Tiefststellung, in der die Oberseite 31 unterhalb
der Heizvorrichtung 20 liegt. Nach dem Absenken und Ausschwenken des
Ofenunterteils 3 um die Achse A-A der Säule 22 kann der Kühlkörper 11 mit
dem Block 30 nach oben angehoben werden, so daß er durch eine hier nicht
gezeigte Greifvorrichtung von dem Kühlkörper 11 abgehoben werden kann.
Die ursprünglich vorhandene Trennlinie zwischen dem Keimkörper 25 und
dem damit verschmolzenen Block 30 ist hier nur noch gestrichelt angedeutet.
Es ist etwas idealisiert dargestellt, daß sich die Stengelkristalle bis zur
Oberseite 31 fortsetzen, was aber nicht zwingend erforderlich ist, da es im
wesentlichen auf einen großen Querschnitt der Stengelkristalle in den aus
dem Block gebildeten Siliziumscheiben ankommt.
Aus Fig. 3 geht noch ergänzend hervor, daß der Kaltwandtiegel 9 aus
einzelnen Kühlstäben 32 besteht, deren Längsachsen senkrecht verlaufen
und die mit ihren unteren Enden den Kühlkörper 11 nach Art von Palisaden
umgeben. Es ist auch gezeigt, daß die Induktionsspule 10 aus einzelnen
waagrechten Windungen 33 besteht. Die Kühlstäbe 32 bilden eine vertikal
geschlitzte Wand 34, die jedoch weder für den Durchtritt des partikelförmigen
Siliziums 27 noch für die Schmelze 35 durchlässig ist. Nach dem voll
ständigen Aufschmelzen der Schüttung aus partikelförmigem Silizium 27
entsteht die bereits beschriebene paraboloidförmige Hüllfläche 29 für die
Schmelze, und diese Schmelze kann nach Maßgabe des Abzugs des Kühl
körpers 11 nach unten durch kontinuierlich zuchargiertes Silizium aus der
Chargiervorrichtung 5 in gleichem Maße ergänzt werden.
Es bleibt noch zu erwähnen, daß die Bewegungsverhältnisse auch
kinematisch umgekehrt werden können, d. h. mittels einer geeigneten und hier
nicht dargestellten Hubvorrichtung können auch der Kaltwandtiegel 9, die
Induktionsspule 10 und die Heizvorrichtung 20 angehoben werden. Die
dargestellte Ausführungsform ist jedoch die einfachere Lösung. Im Kühlkörper
11 befindet sich noch eine Leiteinrichtung 36 für das Kühlmittel, so daß
dieses den Weg entsprechend der eingezeichneten Strömungspfeile nehmen
kann.
Die Fig. 4 zeigt eine nur sehr schematisch dargestellte Ofenkammer 1, in
der ein Vorherd 37 zum Aufschmelzen von stückigem Silizium angeordnet ist,
das durch die Chargiervorrichtung 5 zugeführt wird. In dem Vorherd 37 wird
eine geschmolzene Charge 38 aus Silizium gehalten. Der Vorherd 37 besitzt
einen Überlauf 39 mit einer Unterkante 40, die unmittelbar über dem Innen
querschnitt eines bodenlosen Kaltwandtiegels 41 endet, der in diesem Fall
auf dem Umfang geschlossen ist und aus einem Hohlkörper 42 aus Kupfer
besteht. In diesem Fall ist der Kühlkörper 11 mit dem Keimkörper 25 bis in
unmittelbare Nähe der Oberkante 43 des Kaltwandtiegels 41 anhebbar, wie
dies in Fig. 4 gezeigt ist. Bezüglich des thermischen Zusammenwirkens von
Kühlkörper 11 und Keimkörper 25 gelten die bereits weiter oben gemachten
Ausführungen.
Zu Beginn der Blockerzeugung wird auf die ebene Oberseite des
Keimkörpers 25 eine dünne Schicht 44 von geschmolzenem Silizium über
den Überlauf 39 aufgebracht, wobei diese Schicht 44 eine teigige bis feste
Konsistenz einnimmt. Dem Vorherd 37, der die Form einer Wanne hat und
aus einem wassergekühlten Hohlkörper 45 aus Kupfer besteht, dem Überlauf
39 und dem Kaltwandtiegel 41 ist eine Elektronenstrahlkanone 46
zugeordnet, die an ihrem innerhalb der Ofenkammer 1 liegenden Ende eine
Ablenkeinrichtung 47 aufweist, mittels welcher ein Elektronenstrahl oder ein
Strahlenbündel in Richtung der Zeichenebene um einen Winkel α ablenkbar
ist. Auch senkrecht zur Zeichenebene ist eine Strahlablenkung möglich, so
daß mittels eines einzigen Elektronenstrahls oder Strahlenbündels die
gesamte Oberfläche der Charge 38, des Überlaufs 39 und der Schmelze im
Kaltwandtiegel 41 bestrichen werden kann.
Dies geschieht mittels einer hier nur schematisch angedeuteten Ablenk
steuerung 48, durch die der Elektronenstrahl nach einem genau vorgebbaren
Flächenmuster in allen Raumkoordinaten und mit entsprechenden Verweil
zeiten ablenkbar ist, so daß die Charge 38, der Überlauf 39 und die Schmelze
im Kaltwandtiegel 41 mit exakt festlegbaren Energieanteilen beaufschlagt
werden können. Diese Verhältnisse sind während des Ablaufs der Blocker
zeugung auch durchaus variabel. Einzelheiten einer solchen Ablenksteuerung
und der Bauart der Elektronenstrahlkanone 46 sind jedoch - für sich genom
men - Stand der Technik, so daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.
Die Ablenkfrequenz wird jedoch derart hoch gewählt, daß die Wärmeträgheit
der beheizten Medien ausreicht, um eine quasi-stationäre Beheizung an
nehmen zu können.
Durch die Elektronenstrahlbeheizung wird zunächst die Schicht 44 wieder
aufgeschmolzen und mit der Oberfläche des Keimkörpers 25 verschmolzen,
was vorzugsweise bei ausgesetzter Kühlung des Kühlkörpers 11 erfolgt.
Danach beginnen die kontinuierliche Chargierung aus dem Vorherd 37 und
der Blockabzug bei eingeschalteter Kühlung des Kühlkörpers 11.
Auch bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach Fig. 4 gelangt die Sili
ziumschmelze nicht in Berührung mit sauerstoffabgebenden Oberflächen. In
allen Fällen ist noch darauf zu achten, daß die Innenflächen der Kaltwand
tiegel 9 und 41 eine solche Raumform aufweisen, daß der Ausdehnung des
Siliziums im Erstarrungspunkt Rechnung getragen wird. Die Erstarrungsfront
liegt in der Regel in der Nähe des unteren Endes der Kaltwandtiegel 9 und
41. Diese können jede beliebige Querschnittsform (rund, quadratisch, recht
eckig) aufweisen, wie dies auch beim Stande der Technik beschrieben ist.
Claims (12)
1. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu
einem Block (30) in einem bodenlosen vertikal geschlitzten Kaltwandtiegel
(9), der von einer Induktionsspule (10) umgeben ist, mit einem den
Block (30) tragenden Stützkörper, der nach Maßgabe weiterer Silizi
umzufuhr und der Erstarrungsgeschwindigkeit mit dem bereits
erstarrten Teil des Blocks (30) mit einer Relativbewegung von dem
Kaltwandtiegel (9) entfernt wird, wobei das Silizium auf eine Tempera
tur eingestellt wird, bei der es durch seine elektrische Leitfähigkeit
induktiv erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) auf dem als Kühlkörper (11) ausgebildeten metallischen, hohlen Stützkörper unter flächiger Berührung ein zunächst den Kaltwandtiegel (9) zumindest weitgehend verschließender Keim körper (25) mit einer achsparallelen Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis einkristallin aufgelegt und oberfläch lich durch die Siliziumschmelze angeschmolzen wird,
- b) eine vorchargierte Menge an stückigem Silizium zunächst bis zum Erreichen einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit durch Strahlungsbeheizung von oben vorgewärmt wird, und daß man
- c) den Kühlkörper (11) während des oberflächlichen Anschmelzens des Keimkörpers (25) zunächst ungekühlt läßt und die Kühlung im wesentlichen zeitgleich mit der Relativbewegung zwischen dem Kühlkörper (11) und dem Kaltwandtiegel (9) einschaltet, wodurch die grobkristalline bis einkristalline Kristallstruktur des Keimkörpers (25) dem im Aufbau befindlichen Block (30) eine achsparallele entsprechende Kristallstruktur aufgezwungen wird, die aus der Gruppe einkristallin bis Stengelkristalle großen Querschnitts und Durchmessers besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in die
Siliziumschmelze (35) während des Blockaufbaus laufend weiteres
stückiges Silizium nachchargiert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den
Keimkörper (25) zunächst im unteren Bereich des Kaltwandtiegels (9)
anordnet und diesen über dem Keimkörper (25) zunächst bis zu
mindestens 50% des Tiegelvolumens mit dem stückigen Silizium (27)
vorchargiert, diese Menge an Silizium (27) im Kaltwandtiegel (9)
induktiv aufschmilzt.
4. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu
einem Block (30) in einem bodenlosen, auf dem Umfang geschlos
senen Kaltwandtiegel (41) mit einem den Block (3) tragenden Stütz
körper, der nach Maßgabe weiterer Siliziumzufuhr und der Erstar
rungsgeschwindigkeit mit einer Relativbewegung gegenüber dem
Kaltwandtiegel (41) abgesenkt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) auf dem als Kühlkörper (11) ausgebildeten metallischen hohlen Stützkörper unter flächiger Berührung ein zunächst den Kalt wandtiegel (41) zumindest weitgehend verschließender Keim körper (25) mit einer achsparallelen Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis einkristallin aufgelegt und oberfläch lich durch die Siliziumschmelze angeschmolzen wird,
- b) in einem Vorherd (37) durch Elektronenstrahlbeheizung stückiges Silizium zu einer Siliziumschmelze aufgeschmolzen wird, daß man
- c) aus dem Vorherd (37) auf den Keimkörper (25) unter oberfläch lichem Verschmelzen mit dem Keimkörper (25) durch Elektro nenstrahlen Siliziumschmelze aufbringt, und hierbei den Kühl körper (11) zunächst ungekühlt läßt und die Kühlung im wesentlichen zeitgleich mit der Relativbewegung zwischen dem Kühlkörper (11) und dem Kaltwandtiegel (41) einschaltet und nachfolgend
- d) den Keimkörper (25) unter laufender Zufuhr von Siliziumschmel ze aus dem Vorherd (37) und Fortsetzung der Beheizung durch Elektronenstrahlen mit einer Relativbewegung gegenüber dem Kaltwandtiegel (41) absenkt, wodurch die grobkristalline bis einkristalline Kristallstruktur des Keimkörpers (25) dem im Auf bau befindlichen Block (30) eine achsparallele entsprechende Kristallstruktur aufgezwungen wird, die aus der Gruppe einkri stallin bis Stengelkristalle großen Querschnitts und Durchmes sers besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den
Keimkörper (25) und den Kühlkörper (11) zunächst im oberen
Bereich des Kaltwandtiegels (41a) anordnet und auf den Keimkörper
(25) aus dem Vorherd (37) zunächst eine dünne Schicht (44) aus
geschmolzenem Silizium aufgießt und diese Schicht (44) bis zum
Anschmelzen mit dem Keimkörper (25) durch Elektronenstrahlen von
oben beheizt, und nachfolgend während des Absenkens des Keim
körpers (25) weitere Siliziumschmelze aus dem Vorherd (37) in den
Kaltwandtiegel (41a) nachchargiert.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den
relativen Leistungsanteil der Elektronenstrahlbeheizung während des
oberflächlichen Verschmelzens der Schicht (44) mit dem Keimkörper
(25) vorübergehend erhöht und anschließend nach Absenkung des
Keimkörpers (25) in der Weise steuert, daß der vertikale
Temperaturgradient innerhalb des Blocks (30) im Bereich der
Phasengrenze flüssig/fest während des gesamten Erstar
rungsprozesses im wesentlichen konstant gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß man einen von planparallelen Flächen begrenzten, ge
schnittenen Keimkörper (25) verwendet, wobei der mittlere Durch
messer der Stengelkristalle (26) innerhalb der gesamten oberen
Schnittfläche des Keimkörpers (25) mindestens 10 mm beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Keim
körper (25) eine Dicke zwischen 0,3 und 20 mm, vorzugsweise zwi
schen 1 und 10 mm aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeich
net, daß man zur Kühlung des Kühlkörpers (11) ein gasförmiges
Kühlmittel verwendet.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit
einer Ofenkammer (1), in der ein bodenloser geschlitzter und von
einer Induktionsspule (10) umgebener Kaltwandtiegel (9) für die
Erzeugung des gerichtet erstarrten Blocks (30) aus Silizium, eine
Einrichtung zum kontinuierlichen vertikalen Blockabzug mittels einer
Relativbewegung durch einen den waagrechten Innenquerschnitt des
Kaltwandtiegels (9) zumindest im wesentlichen verschließenden Stütz
körper mit einer waagrechten oberen Auflagefläche (24) angeordnet
sind, die zumindest weitgehend dem Blockquerschnitt entspricht,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Stützkörper als metallischer hohler Kühlkörper (11) ausgebildet ist,
- b) über dem Kaltwandtiegel (9a) eine Heizvorrichtung (7) für eine Oberflächenbeheizung des Blockmaterials durch Energiestrah lung angeordnet ist,
- c) auf den Kühlkörper (11) ein Keimkörper (25) mit einer achspa rallelen Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis ein kristallin aufgelegt ist.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 mit
einer Ofenkammer (1), in der ein bodenloser, auf dem Umfang
geschlossener Kaltwandtiegel (41) für die Erzeugung des gerichtet
erstarrten Blocks (30) aus Silizium, eine Einrichtung zum kontinuier
lichen vertikalen Blockabzug mittels einer Relativbewegung durch
einen den waagrechten Innenquerschnitt des Kaltwandtiegels (41)
zumindest im wesentlichen verschließenden Stützkörper mit einer
waagrechten oberen Auflagefläche (24) angeordnet sind, die zumin
dest weitgehend dem Blockquerschnitt entspricht, und die eine Heiz
einrichtung (46) für die Beheizung des Blockmaterials aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Stützkörper als metallischer hohler Kühlkörper (11) ausgebildet ist,
- b) auf den Kühlkörper (11) ein planparalleler Keimkörper (25) aus Silizium aufgelegt ist, dessen achsparallele Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis einkristallin ausgewählt ist,
- c) in der Ofenkammer (1) ein Vorherd (37) zum Aufschmelzen von stückigem Silizium und zum Halten einer geschmolzenen Char ge (38) an Silizium angeordnet ist,
- d) die Heizeinrichtung (46) mindestens eine Elektronenstrahlkano ne (46a) ist,
- e) der Vorherd einen Überlauf (39) besitzt, dessen Unterkante (40) über dem Innenquerschnitt des Kaltwandtiegels (41) endet,
- f) der Kühlkörper (11) bis in die Nähe der Oberkante (43) des Kaltwandtiegels (41) anhebbar ist, und daß
- g) die mindestens eine Elektronenstrahlkanone (46a) dem Vorherd (37) und dem Kaltwandtiegel (41a) für die Beheizung des Silizi ums im Vorherd (37) und im Kaltwandtiegel (41a) zugeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die min
destens eine Elektronenstrahlkanone (46) mit einer Ablenksteuerung
(48) für den Elektronenstrahl ausgestattet ist, durch die nach einem
Flächenverteilungsmuster mit entsprechenden relativen Verweilzeiten
eine quasi-gleichzeitige anteilige Beheizung des Siliziums im Vorherd
(37), im Überlauf (39) und im Kaltwandtiegel (41a) durchführbar ist.
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