DE3929635A1 - Verfahren zum abtrennen fester partikel aus siliziumschmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen fester Par­ tikel aus Siliziumschmelzen, insbesondere von Kohlenstoff und Siliziumcarbid aus durch carbothermische Reduktion von Quarz gewonnenen Siliziumschmelzen, bei dem das schmelzflüssige Si­ lizium unmittelbar nach der Reduktion nach einer Haltephase bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes in einem beheiz­ baren Tiegel in einer gerichteten, von unten nach oben verlau­ fenden Erstarrung in einem Block kristallisiert wird, wobei während der Erstarrung die Schmelze bewegt wird.

Ein solches Verfahren ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 02 531 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Bewegung der Schmelze durch einen von oben in die Schmelze eintauchenden Rührer bewirkt.

Kristallisationsversuche mit Silizium in 25 kg-Mengen haben be­ stätigt, daß in konvektionsfreien Schmelzen keine nennenswerte Partikelsegregation stattfindet. Sie zeigten ferner, daß star­ ke Verwirbelungen der Schmelze, wie sie häufig beim Rühren ent­ stehen, anstelle einer Separation sogar einen homogenen Einbau von Partikeln in den Kristall begünstigen.

Problematisch ist auch die Auswahl des Werkstoffes für die Rührwerkzeuge. Es ist nicht nur auf die Verschleißfestigkeit bei Arbeitstemperaturen oberhalb von 1450°C zu achten; bereits Abgaben von Fremdatomen im ppm-Bereich an die Siliziumschmelze stellen die Solarqualität des Siliziums infrage.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Ver­ fahren so zu gestalten, daß eine Abtrennung von festen Parti­ keln auch bei großen Schmelzenmengen gewährleistet wird, wobei das Einschleppen von Verunreinigungen sicher vermieden wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Schmelze sowie zwischen Schmelze und kristallisiertem Silizium Strömungen da­ durch erzeugt werden, daß der Schmelztiegel in Rotation um seine Achse mit zeitlich veränderlicher Geschwindigkeit ver­ setzt wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Das Prinzip, das der Erfindung zugrundeliegt, besteht darin, daß bei der Rotation des Schmelztiegels durch die Beschleuni­ gung und die Abbremsung der Rotation Reibungskräfte zwischen Tiegelwand und Schmelzflüssigkeit entstehen, die auf die Schmelzenbewegung einwirken.

Folgende Überlegungen haben zu der Erfindung geführt:

• 1. Beim Start der Tiegelrotation wird die noch ruhende Schmel­ ze im Wandbereich durch Reibung und Zentrifugalbeschleuni­ gung in eine Strömung versetzt, die am Tiegelboden nach außen, im Schmelzenzentrum nach unten gerichtet ist ("Anti­ zyklon").
• 2. Befindet sich der Tiegel und die Schmelzflüssigkeit in Ro­ tation und wird die Tiegeldrehung angehalten, so entsteht durch Reibung der rotierenden Schmelze am stehenden Boden eine Strömung zum Zentrum hin und in der Tiegelachse nach oben.
• 3. Besteht in der rotierenden Schmelze ein Temperaturanstieg vom Tiegelboden zur Schmelzenoberfläche, so ist im unteren Tiegelbereich wegen der höheren Dichte eine größere Zentri­ fugalbeschleunigung wirksam als im oberen, wärmeren Tiegel­ bereich, woraus ein Konvektionsantrieb im gleichen Sinne wie beim "Antizyklon" resultiert.
• 4. Besteht ein Temperaturgradient in radialer Richtung der Schmelze, so wird durch den Dichteunterschied eine Konvek­ tion angetrieben im Drehsinn des "Antizyklon", wenn die Temperatur zur Wand hin zunimmt (konkaves Temperaturpro­ fil). Ein solcher Temperaturgradient wird erzeugt oder ver­ stärkt, wenn die Schmelze über dem gekühlten Boden in Be­ wegung gesetzt wird.

Weitere Einzelheiten werden nachfolgend anhand der Figur, wel­ che in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, noch näher be­ schrieben.

Der Schmelztiegel 1 befindet sich in einem beheizten Graphit­ rohr 2 (Suszeptor), welches die Seitenwand der Schmelze 3 auf konstanter Temperatur hält. Der Tiegelboden 1 sitzt auf einer wassergekühlten Graphitsäule 4, die den Wärmeabfluß nach unten bestimmt. Die Anordnung ist so bemessen, daß die Temperatur in der Schmelze 3 radial nach außen zunimmt (konvexes Temperatur­ profil).

Der Schmelztiegel 1 wird periodisch in Rotation versetzt (sie­ he Drehpfeil 5), zum Beispiel mit einer Geschwindigkeit von 5 Umdrehungen pro Minute, wobei die Siliziumschmelze 3 2 1/2 Mi­ nuten in horizontale Drehbewegung versetzt wird. Anschließend wird zum Beispiel durch Anhalten der Tiegelrotation (5) mit einer Zeitdauer von einer 1/2 Minute die Schmelze 3 wieder ab­ gebremst. Mit dem Bezugszeichen 6 ist die das Graphitrohr be­ heizende Induktionsspule, mit 7 ein die Wärmeabstrahlungsver­ luste von der Schmelze 3 verhindernder Graphitfilz bezeichnet. Die Pfeile 9 deuten die Wasserkühlung der Graphitsäule 4 an. Nicht eingezeichnet sind Thermoelemente, die eine genaue Ein­ stellung und Kontrolle des Temperaturgradienten und die Regu­ lierung der Wachstumsgeschwindigkeit des zu erstarrenden Si­ liziumblockes ermöglichen. Desgleichen fehlt auch in der Zeich­ nung die mechanische Antriebsvorrichtung für den Schmelztie­ gel, sowie das Gehäuse, in dem sich die Tiegelanordnung befin­ det.

Das beschriebene Tiegelrotationsmuster führt zu etwa folgendem Strömungsbild in der Schmelze (siehe auch eingezeichnete Pfei­ le 8 und den Drehpfeil 10):

Die Schmelze 3 rotiert in der Horizontalen mit modulierter Ge­ schwindigkeit 10 und hat gegenüber dem Boden des Tiegels 1 bzw. der Erstarrungsfront 11 eine dauernd wechselnde Relativ­ geschwindigkeit. In einer vertikalen Konvektion 8 fließt die Schmelze 3 im unteren Tiegelbereich vom Zentrum zur Außenwand des Tiegels 1 (siehe Pfeile 8).

Mit dem beschriebenen Strömungsmuster wird eine gute Partikel­ segregation erzielt. Die großen Partikel sedimentieren weitge­ hend während der Haltephase am Tiegelboden. Die in der Schwebe befindlichen Partikel werden mit der Strömung nach außen getra­ gen und großenteils in Wandnähe in den Kristall eingebaut. Der Rest, insbesondere die Feinstpartikel befinden sich schließ­ lich im obersten Blockbereich. Die Außenbereiche des Silizium­ blockes, in welchen die Fremdpartikel enthalten sind, werden mechanisch, zum Beispiel durch Sandstrahlen oder Sägen, ent­ fernt.

Zur Erhöhung der Materialausbeute bei der Reinigung großer Schmelzenmengen ist es vorteilhaft, mit der Abnahme der Schmelz­ flüssigkeitshöhe während der Kristallisation die Drehzahl und die Rotationsdauer entsprechend zu reduzieren, zum Beispiel kann die Rotationsdauer und die Haltezeit halbiert werden, wenn die Hälfte der Schmelze durch Kristallisation verbraucht ist.

Da das erfindungsgemäße Verfahren zur Kohlenstoff- und Sili­ ziumcarbid-Abtrennung aus Siliziumschmelzen sehr kostengünstig durchgeführt werden kann und die carbothermische Gewinnung von Silizium aus Quarz ebenfalls ein kostengünstiges Verfahren ist, lösen beide Verfahren zusammengenommen auf einfachste Weise die Aufgabe zur Herstellung von Billigsilizium für die Solar­ zellen-Massenproduktion.

Claims (10)

1. Verfahren zum Abtrennen fester Partikel aus Siliziumschmel­ zen (3), insbesondere von Kohlenstoff und Siliziumcarbid aus durch carbothermische Reduktion von Quarz gewonnenen Silizium­ schmelzen, bei dem das schmelzflüssige Silizium (3) unmittel­ bar nach der Reduktion nach einer Haltephase bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes in einem beheizbaren Tiegel (1, 2, 3) in einer gerichteten, von unten nach oben verlaufenden Erstarrung in einem Block kristallisiert wird, wobei während der Erstarrung die Schmelze (3) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schmelze (3) sowie zwischen Schmelze (3) und kristallisiertem Silizium (11) Strö­ mungen (8, 10) dadurch erzeugt werden, daß der Schmelztiegel (1) in Rotation (5) um seine Achse mit zeitlich veränderlicher Geschwindigkeit versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zeitliche Veränderung der Rotations­ geschwindigkeit durch Beschleunigen und Abbremsen des rotieren­ den Tiegels (1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rotation des Tiegels (1) in bestimmten Zeitintervallen unterbrochen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schmelztiegel (1) periodisch in Rotation (5) versetzt wird, wobei zwischen den Rotationen Hal­ tephasen eingehalten werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zeitdauer der Rotationsphasen auf ein Mehrfaches der Zeitdauer der Haltephasen eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitdauer der Rotationspha­ sen auf mindestens das Doppelte der Zeitdauer der Haltephasen eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitdauer der Rotationspha­ se maximal auf einen Wert eingestellt wird, mit dem die gesam­ te Schmelze in Rotation versetzt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation auf 5 Umdrehun­ gen pro Minute, die Rotationsdauer auf 2 1/2 Minuten und die Dauer der Haltephasen auf eine 1/2 Minute eingestellt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Abnahme der Schmelz­ flüssigkeitshöhe während der Kristallisation die Drehzahl und die Rotationsdauer entsprechend reduziert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Schmelze er­ starrte Siliziumblock einem mechanischen Abschleifprozeß unter­ worfen wird, wobei die die festen Partikel enthaltende Außen­ haut und der Boden entfernt wird.