DE19855061B4

DE19855061B4 - Schmelzofen zum Schmelzen von Silizium

Info

Publication number: DE19855061B4
Application number: DE1998155061
Authority: DE
Inventors: Günter RADEL; Franz Hugo; Bernd Sitzmann; Erich Zuckerstätter
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1998-11-28
Filing date: 1998-11-28
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2018-11-29
Also published as: DE19855061A1

Abstract

Schmelzofen mit einem Tiegel zum Schmelzen von Silizium, welcher seitliche Heizer und eine Deckenheizung hat und der von einer Wärmeisolation umgeben ist und Mittel zur vorübergehenden Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels über seinen Boden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Tiegels (2) eine Bodenheizung (7) vorgesehen ist und dass zur Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels (2) die Bodenheizung (7) mit der dortigen Wärmeisolation (5) wegbewegbar oder zwischen der Bodenheizung (7) und dem Tiegel (2) eine Kühlplatte (12) bewegbar ist, wobei die Kühlplatte (12) in einem geradlinig über die Bodenheizung (7) bewegbaren Schieber (11) vorgesehen ist oder um eine vertikale Achse (18) über die Bodenheizung (7) schwenkbar ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen mit einem Tiegel zum Schmelzen von Silizium, welcher seitliche Heizer und eine Deckenheizung hat und der von einer Wärmeisolation umgeben ist und Mittel zur vorübergehenden Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels über seinen Boden aufweist.
Schmelzöfen der vorstehenden Art werden derzeit dazu eingesetzt, um polykristalline Siliziumblöcke zur Herstellung von Siliziumwafer für Solaranlagen zu erzeugen. Mit ihnen wird das Silizium in einem Tiegel aus Quarz geschmolzen. Danach kühlt man zur Erzeugung eines axialen Kristallwachstums den Tiegel von unten her definiert ab. Hierzu entfernt man lediglich die Wärmeisolation des Schmelzofens an seiner Unterseite, so dass der Boden des Tiegels nach unten hin Wärme abstrahlen kann. Dies wird z. B. in der EP 0 141 999 A1 offenbart.
Das Erfordernis der Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels über seinen Boden während der Erstarrung der Schmelze führt dazu, dass unterhalb dieses Bodens keine Heizung vorgesehen werden kann, obgleich das zur Erhöhung der Schmelzleistung des Schmelzofens wünschenswert wäre. Gemäß der EP 0186 249 A2 wird zwar eine fest installierte Bodenheizung aber auch eine Kühlplatte außerhalb der Isolierung unterhalb einer Öffnung in der Bodenisolierung vorgesehen.
Eine Leistungserhöhung des Schmelzofens durch Erhöhung der Leistung der Deckenheizung und der seitlichen Heizungen ist in der Praxis nur beschränkt möglich, weil die Temperatur der Heizungen nicht so hoch sein darf, dass der aus Quarz bestehende Tiegel schaden nimmt.
In der nicht vorveröffentlichen DE 198 31 388 A1 wird ein Schmelzofen beschrieben, bei dem eine Kühlplatte unterhalb der Bodenheizung angeordnet ist. Von der Kühlplatte stehen einzelne, zueinander beabstandete Wärmeleitkörper vertikal ab.
Den einzelnen Wärmeleitkörpern sind Ausnehmungen in der Bodenheizung und der zugehörigen Wärmedämmung zugeordnet, so dass durch eine vertikale Bewegung der Kühlplatte die Wärmeleitkörper in den Bereich zwischen dem Bodenheizer und dem Boden des Tiegels eingeführt werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Schmelzofen der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass er in der Lage ist, Silizium möglichst rasch einzuschmelzen, ohne dass die axial gerichtete Erstarrung vom Boden des Tiegels her beeinträchtigt wird.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unterhalb des Tiegels eine Bodenheizung vorgesehen ist und dass zur Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels die Bodenheizung mit der dortigen Wärmeisolation wegbewegbar oder zwischen der Bodenheizung und dem Tiegel eine Kühlplatte bewegbar angeordnet ist, wobei die Kühlplatte in einem geradlinig über die Bodenheizung bewegbaren Schieber vorgesehen ist oder um eine vertikale Achse über die Bodenheizung schwenkbar ausgebildet ist.
Heizungen für solche Tiegel werden meist als Graphitplatte ausgebildet, so dass bei nicht aktivierter Heizung ein Wärmefluss vom Tiegel durch die Heizung erschwert wird. Da gemäß der Erfindung beim Erstarren der Schmelze entweder die Bodenheizung mit der dortigen Isolation wegbewegt oder zwischen ihr und dem Tiegel eine Kühlplatte bewegt wird, kommt es beim Erstarren der Schmelze trotz der die Leistung des Schmelzofens wesentlich erhöhenden Bodenheizung zu einem ausreichend großen Wärmeverlust in Axialrichtung, so dass die gewünschte gerichtete Erstarrung eintritt. Durch die Erfindung wird deshalb eine Leistungserhöhung des Schmelzofens ohne Nachteile beim Kristallwachstum während des Erstarrens möglich. Bei Verwendung einer Kühlplatte erreicht man eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Querschnitt des Bodens des Tiegels.
Eine konstruktiv sehr einfache Ausführungsform besteht darin, dass die Kühlplatte erfindungsgemäß in einem geradlinig über die Bodenheizung bewegbaren Schieber vorgesehen ist oder um eine vertikale Achse über die Bodenheizung schwenkbar ausgebildet ist.
Die Bodenheizung und die Kühlplatte können beide mit geringem Abstand zum Boden des Schmelztiegels angeordnet sein, wenn die Bodenheizung und die Kühlplatte hintereinander auf einem um die vertikale Achse drehbaren Schwenkteil angeordnet sind.
Da die Kühlplatte durch einen Schlitz der Wärmeisolation des Schmelzofens in diesen hinein und aus diesem heraus bewegt werden muss, besteht die Notwendigkeit, den Schlitz durch eine Wärmeisolation zu verschließen, wenn die Kühlplatte in den Schmelzofen eingefahren oder aus ihm herausgefahren ist. Das lässt sich besonders einfach verwirklichen, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die Kühlplatte an ihrer in Bewegungsrichtung vorderen und hinteren Seite einen den Schlitz in der Wärmeisolation ausfüllenden Wärmeisolationsstreifen hat.
Während des Ankeimens soll die Abkühlung der Schmelze zunächst relativ langsam erfolgen. Das lässt sich optimal erreichen, wenn die Wärmeisolation des Tiegels unterhalb der Bodenheizung dünnwandiger ist als in den übrigen Bereichen.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt stark schematisch in
1 einen Schnitt durch einen Schmelzofen nach der Erfindung,
2 ein für eine zweite Ausführungsform des Schwenkofens vorgesehenes Schwenkteil.
Der in 1 dargestellte Schmelzofen hat in einem gasdichten Behälter 1 einen Tiegel 2, der aus einer Stützkokille 3 aus Graphit und einer inneren Kokille 4 aus Siliziumdioxid besteht. Der Tiegel 2 ist allseitig von einer Wärmeisolation 5 umgeben und dient zum Einschmelzen von Silizium, welches aus einem Vorratsbehälter 10 in den Tiegel 2 eingefüllt werden kann.
Zur Beheizung des Tiegels 2 dienen eine Deckenheizung 6, eine Bodenheizung 7 und weitere Heizer 8, 9 an den Seiten des Tiegels 2, wobei es sich in allen Fällen um Graphitplatten handeln kann, welche zum Heizen elektrisch bestromt werden. Wie die Zeichnung erkennen lässt, ist die Wärmeisolation 5 unterhalb der Bodenheizung 7 dünner ausgeführt als im übrigen Bereich. Dadurch kann man erreichen, dass die Abkühlung der Schmelze bei ausgeschalteter Bodenheizung 7 in Axialrichtung schneller erfolgt als in Radialrichtung.
Zum Erreichen einer gerichteten Erstarrung könnte man nach dem Einschmelzen des Siliziums die Bodenheizung 7 mit dem sich unter ihr befindlichen Bereich der Wärmeisolation 5 entfernen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist jedoch die Bodenheizung 7 fest eingebaut. Oberhalb der Bodenheizung 7 ist ein Schieber 11 mit einer Kühlplatte 12 angeordnet, der sich in der gezeigten Stellung seitlich neben dem Tiegel 2 befindet. Zu beiden Seiten der Kühlplatte 12 ist auf dem Schieber 11 ein Wärmeisolationsstreifen 13, 14 angeordnet. In der dargestellten Stellung greift der Wärmeisolationsstreifen 13 in einen Schlitz 15 der Wärmeisolation 5 und verschließt diesen dadurch. Fährt man den Schieber 11 mittels eines Schieberantriebs 16 über die Bodenheizung 7, dann gelangt der Wärmeisolationsstreifen 14 in den Schlitz 15.
Die 2 zeigt ein in etwa sektorförmiges Schwenkteil 17, welches um eine vertikale Achse 18 schwenkbar angeordnet ist. Auf diesem Schwenkteil 17 sind hintereinander die Bodenheizung 7 und die Kühlplatte 12 angeordnet. Nicht dargestellt sind die Versorgungsleitungen für die elektrische Energie der Bodenheizung 7 und für das Kühlwasser der Kühlplatte 12. Das Schwenkteil 17 wird anstelle des Schiebers 11 derart neben dem Tiegel 2 angeordnet, dass sich wahlweise die Bodenheizung 7 oder die Kühlplatte 12 unter den Tiegel 2 schwenken lassen, wobei die beiden hierzu erforderlichen Schlitze in der Wärmeisolation des Tiegels wiederum durch Wärmeisolationsstreifen 19, 20 zu beiden Seiten der Kühlplatte 12 und der Bodenheizung 7 dazu dienen, die Schlitze zu verschließen.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
2: Tiegel
3: Stützkokille
4: Kokille
5: Wärmeisolation
6: Deckenheizung
7: Bodenheizung
8: Heizer
9: Heizer
10: Vorratsbehälter
11: Schieber
12: Kühlplatte
13: Wärmeisolationsstreifen
14: Wärmeisolationsstreifen
15: Schlitz
16: Schieberantrieb
17: Schwenkteil
18: Achse
19: Wärmeisolationsstreifen
20: Wärmeisolationsstreifen

Claims

Schmelzofen mit einem Tiegel zum Schmelzen von Silizium, welcher seitliche Heizer und eine Deckenheizung hat und der von einer Wärmeisolation umgeben ist und Mittel zur vorübergehenden Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels über seinen Boden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Tiegels (2) eine Bodenheizung (7) vorgesehen ist und dass zur Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels (2) die Bodenheizung (7) mit der dortigen Wärmeisolation (5) wegbewegbar oder zwischen der Bodenheizung (7) und dem Tiegel (2) eine Kühlplatte (12) bewegbar ist, wobei die Kühlplatte (12) in einem geradlinig über die Bodenheizung (7) bewegbaren Schieber (11) vorgesehen ist oder um eine vertikale Achse (18) über die Bodenheizung (7) schwenkbar ausgebildet ist.
Schmelzofen nach Anspruch 1 bei dem Kühlplatte (12) um eine vertikale Achse (18) über die Bodenheizung (7) schwenkbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenheizung (7) und die Kühlplatte (12) hintereinander auf einem um die vertikale Achse (18) drehbaren Schwenkteil (17) angeordnet sind.
Schmelzofen nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (12) an ihrer in Bewegungsrichtung vorderen und hinteren Seite einen den Schlitz (15) in der Wärmeisolation (5) ausfüllenden Wärmeisolationsstreifen (13, 14; 19, 20) hat.
Schmelzofen nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolation (5) des Tiegels (2) unterhalb der Bodenheizung (7) dünnwandiger ist als in den übrigen Bereichen.