WO2010043350A1 - Vorrichtung zum kristallisieren von nicht-eisen-metallen - Google Patents

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WO2010043350A1
WO2010043350A1 PCT/EP2009/007296 EP2009007296W WO2010043350A1 WO 2010043350 A1 WO2010043350 A1 WO 2010043350A1 EP 2009007296 W EP2009007296 W EP 2009007296W WO 2010043350 A1 WO2010043350 A1 WO 2010043350A1
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cooling
plate
cooling plate
cooling channels
channels
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PCT/EP2009/007296
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Rolf-Ulrich Spiess
Marco Balzer
Stefan Eich
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Pva Tepla Ag
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
    • C30B28/06—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by normal freezing or freezing under temperature gradient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the invention relates to a device for melting and / or crystallizing non-ferrous metals, in particular of silicon. Furthermore, the invention relates to a cooling plate for heat removal from a melt, and a method for producing such a cooling plate. Furthermore, the invention relates to a use of the device according to the invention for the production of multicrystalline silicon according to the vertical gradient freeze method, in particular for applications in photovoltaics.
  • non-ferrous metals such as silicon
  • quartz molds It is known to melt non-ferrous metals, such as silicon, into quartz molds and to crystallize them to produce multicrystalline silicon blocks for further processing in photovoltaics.
  • heat is removed by radiating heat on the outer walls of the mold and the surface of the silicon.
  • the silicon must be cooled as uniformly as possible, since otherwise strong thermal stresses may develop, which promote dislocation formation and dislocation multiplication and cause cracks in the solidified, blocky silicon.
  • uneven cooling would favor back diffusion of impurities, especially metals, from edge regions into the interior of the block-shaped silicon. Both the dislocation and the back-diffused foreign substances act as recombination centers and reduce the photovoltaic efficiency of solar cells.
  • German patent DE 10 2005 013 410 B4 discloses a device and a method for directional solidification of semiconductor materials.
  • the container for holding the liquid semiconductor material has a bottom, wherein a controllable cooling element is provided for dissipating heat from the bottom.
  • a controllable heating element is provided for supplying heat to the ground to obtain a homogeneous temperature profile at the bottom.
  • the disadvantage is that a significant part of the heat generated by the bottom heater is delivered to the cooling fluid.
  • An object of the invention is to design a cooling plate so that a comparable temperature profile in the ground can be achieved with significantly reduced heating power.
  • the cooling plate according to the invention is used for heat removal from a melt, in particular a melt of non-ferrous metal, such as silicon.
  • cooling channels are arranged, which serve for the passage of a cooling fluid.
  • the cooling channels are arranged running in at least a first extension direction of the cooling plate, substantially parallel to each other.
  • each cooling channel has a channel cross section, wherein the cross section of the channel is to be understood as the cross section through which the cooling fluid flows in the direction of flow.
  • the channel cross sections of the cooling channels add up to an overall cross section of the cooling plate.
  • the total cross section is uneven over at least distributed a second direction of extension of the cooling plate.
  • the distribution of the total cross section of the cooling channels over the second extension direction of the cooling plate could also be referred to as inhomogeneous in this sense.
  • a uniform distribution of the total cross section is to be understood to mean an equidistant arrangement of cooling channels of the same cross section and the same cross sectional shape.
  • a non-uniform distribution is accordingly at a deviation from such an arrangement.
  • An advantage of the cooling plate according to the invention is that with the uneven distribution of the total cross-section and the ability to dissipate heat energy from the melt is not evenly distributed over the surface of the cooling plate.
  • the cooling plate according to the invention is thus advantageously adaptable to the conditions of a melt to be crystallized whose heat radiation is just as little distributed homogeneously over a bottom of a casting mold. Overall, such a comparatively homogeneous temperature profile over the ground can be achieved.
  • the crucible is also referred to as a quartz mold or Quarzguttie- gel.
  • the cooling plate according to the invention has a flat basic shape, ie it extends substantially in a plane which is defined by two main directions of extension of the cooling plate.
  • the first extension direction of the cooling plate and the second extension direction of the cooling plate substantially correspond to the main extension directions, ie, the first extension direction preferably aligned perpendicular to the second direction of extent.
  • One surface of the cooling plate extends in the plane of the two main directions of extension.
  • a larger proportion of the total cross section is arranged in a central region of the cooling plate than in an edge region of the cooling plate.
  • the central area of the cooling plate is to be understood as the area arranged around a center or area center of gravity of the cooling plate, which area is in particular spaced from the edge of the cooling plate.
  • the edge region in the sense of the invention is precisely that region of the cooling plate surface which lies outside the central region and generally extends as far as the edges of the cooling plate.
  • the central region and the edge region preferably have roughly comparable partial surfaces of the cooling plate surface.
  • the geometric shape of the central region is optionally dependent on the basic shape of the respective mold.
  • the total cross-section is distributed unevenly over the first direction of extension of the cooling plate.
  • an uneven or inhomogeneous distribution of the total cross-section in the first and the second direction of extent advantageously results in a two-dimensional, inhomogeneous distribution of the cross-section and thus the ability to dissipate heat from de melt.
  • cooling channels are also arranged running in the second extension direction of the cooling plate. These also serve for the passage of the cooling fluid, wherein between see the cooling channels of the first direction and the cooling ducts of the second direction of extension is a preferably thin, the heat transfer little obstructing material barrier, the strength of which is sufficient to separate the respective cooling channels fluid-tight from each other.
  • the channel cross sections of the cooling channels extending in the second extension direction add to form an overall cross section of the second extension direction, wherein this total cross section of the second extension direction is distributed unevenly over the first extension direction of the cooling plate.
  • a non-uniform distribution of the channel cross sections in the first and in the second direction of extension so over the surface of the cooling plate. It is thus advantageous to provide a cooling plate which has a targeted, uneven distribution of the amount of heat which can be dissipated via it.
  • the cooling plate can thus be adapted to the temperature conditions of a crystallizing melt in terms of their area distribution, so that ultimately a comparatively homogeneous temperature profile in the bottom of the mold can be achieved.
  • a two-dimensional distribution of the overall cross-section can alternatively be realized according to a further preferred embodiment of the invention, wherein the channel cross-sections of at least a part of the cooling channels in the flow direction of the cooling fluid at least from the edge region to the central region are formed growing.
  • running cooling channels can be omitted if necessary.
  • a distribution of the total cross section over the first and / or the second extension direction of the cooling plate can be specified by means of mathematical expressions.
  • the term distribution of the total cross section and distribution of the channel cross sections is used to mean the same, since the distribution of the total cross section results from the distribution of the channel cross sections.
  • the distribution consists in the first extension direction and / or in the second extension direction, without being discussed in detail in each case.
  • This idealization with a finite plurality of cooling channels is only approximately achievable.
  • the channel cross-section will always gradually decrease from the center of the cooling plate to an edge of the cooling plate, preferably continuously.
  • the cross sections of the cooling channels which are arranged in the central region, or run through it, are larger than the cross sections of those cooling channels, which are arranged in the edge region.
  • the cross section of the cooling channels decreases gradually from the center of the cooling plate toward its edges, preferably continuously.
  • the Cross sections of the cooling channels substantially the same, wherein in the central region more cooling channels are arranged, as in the edge region.
  • a distance between the cooling channels increases gradually from the center of the cooling plate to the edges of the cooling plate, preferably continuously.
  • the cooling channels can be flowed through in a countercurrent process. This means that at least part of the
  • Cooling channels is formed so that the cooling fluid flows through them in an opposite direction than other cooling channels. As a result, the ability to absorb heat along the flow direction of the fluid, or in the direction of extension of the cooling channels is homogenized.
  • a first group of the cooling channels can be flowed through in the first extension direction and a second group of the cooling channels can be flowed through in the opposite direction to the first extension direction. Additionally or alternatively, preferably, a first group of the cooling channels in the second
  • Envelope direction can be flowed through and a second group of cooling channels can be flowed through in the opposite direction to the second direction of extent.
  • two adjacent cooling channels are flowed through in each case in different directions.
  • one channel of the first group and one channel of the second group are preferably arranged alternately. This can for example be realized by the individual cooling channels are joined together to form a meandering channel.
  • the cooling fluid flows through the cooling plate only once.
  • the cooling plate preferably on suitable supply devices on the input side of the cooling channels and corresponding discharge devices on the outflow side of the cooling channels.
  • the collecting channel is particularly preferably designed so large that pressure fluctuations are compensated and, if possible, all connected to the collecting channel cooling channels are equally supplied with cooling fluid under appropriate operating pressure.
  • the cooling fluid is preferably supplied to the collecting channel in its middle region, so that advantageously a pressure drop which can not be completely avoided over the length of the collecting channel results in the cooling channels arranged in the central region or flowing through them having a higher pressure be supplied to the cooling fluid, as the running in the edge region cooling channels.
  • the cooling fluid After flowing through the cooling plate, the cooling fluid can be passed over a heat exchanger, in order to then again flow through the cooling plate.
  • the cooling fluid circuit is open, i. The cooling plate is continuously flowed through with new cooling fluid, which after the
  • Flow is preferably collected for later reuse.
  • the cooling channels are preferably made substantially rectangular, wherein the converted hydraulic diameter determines which amount of heat can be dissipated with the preferably gaseous cooling fluid.
  • the cooling channels are particularly preferably different in terms of their width and have a constant depth.
  • the cooling plate is preferably made of graphite.
  • Another object of the invention relates to a device for melting and / or crystallizing non-ferrous metals and / or semiconductor material, wherein the device comprises a cooling plate according to the invention.
  • the device comprises a cooling plate according to the invention.
  • such a device also has a boiler, an insulation, a heating device for supplying heat to the non-ferrous metal and / or semiconductor material and a crucible system, wherein the cooling plate is arranged below the crucible.
  • the heat dissipation via the cooling plate is preferably controllable.
  • the cooling fluid used is preferably gaseous. Preferably, nitrogen, argon or helium or a mixture of at least two of these gases is used.
  • the cooling plate is preferably not active, d. H. no cooling fluid is circulated through the cooling channels.
  • the heating device preferably has no so-called bottom heater under the crucible.
  • the cooling plate according to the invention can certainly be operated with an existing bottom heater. Already there is an advantage to an energy saving.
  • Another object of the invention relates to a manufacturing process for a cooling plate according to the invention, wherein the cooling plate is composed of a plurality of components and wherein the cooling channels are introduced into a first plate in the first direction of extent.
  • the concrete The method of adjustment is essentially dependent on the cooling channel cross-sectional shape. It is conceivable, inter alia, rectangular, square and round cooling channel cross-sections, with cooling channels with a round cross-section are usually introduced by drilling into the plate. Regardless of the shape of the cooling channel cross sections, one or more collection and / or distribution channels are attached to the first plate, which interconnect at least groups of the cooling channels.
  • channels are machined from a surface of the first plate in the first direction of extension, preferably milled.
  • the first plate is then connected to a second plate so that the channels are covered.
  • the described process preferably produces cooling channels with a rectangular cross-section.
  • the production is significantly simplified, for example, compared to the drilling of cooling channels.
  • the structure eliminates several plates arranged one above the other.
  • connection of the plates with each other or with the collection and / or distribution channels can be made detachable or insoluble.
  • the plates are preferably held together in a fluid-tight manner by force and / or positive connections by means of adhesives or by means of seals and tension or tension anchors. Tongue and groove systems or screwed connections can also be provided.
  • the method are from a further surface of the first plate and / or from a surface of the second plate in the second extension direction worked out channels, preferably milled and then the first plate and / or the second plate connected to at least one third plate.
  • the first extension direction is preferably arranged perpendicular to the second extension direction.
  • the cooling plate thus produced has advantageously transverse to each other cooling channels in at least two different levels. The person skilled in the art recognizes that a multiplicity of planes with cooling channels can be realized in a cooling plate in the sense of the invention.
  • the invention further relates to a use of a device according to the invention for the production of multicrystalline silicon according to the vertical gradient freeze method, in particular for applications in photovoltaics.
  • FIG. 1 shows a basic schematic structure of an apparatus for melting and / or crystallizing non-ferrous metals
  • FIGS. FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining the operation of the device of FIG. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a cooling plate according to the invention;
  • FIGS. 5a, 5b and 5c are schematic sectional views of various embodiments of the cooling plate according to the invention.
  • the system consists of a boiler (13), an insulation (not shown), a heater (11), a crucible (12) and a cooling plate (1).
  • the boiler (13) is usually made of stainless steel. However, it is also possible to make it from mild steel.
  • the boiler consists of a central part, a bottom and a lid (not shown). The boiler can for example be double-walled and water-cooled. A loading and unloading of the boiler is usually done on the ground, which can be drained and moved out.
  • a graphite resin felt insulation (not shown) which shields the boiler wall from the heat generated during melting and ensures that the energy introduced remains inside the system during reflow.
  • one to three heaters of the heater (11) are arranged, here for example a ceiling, a bottom and a peripheral heater.
  • the heaters are resistance-heated graphite heating elements.
  • the heaters serve both to melt non-ferrous metals and to control crystallization.
  • the heaters are arranged so that the greatest possible uniformity of the temperature during melting can be achieved.
  • the heating elements (11) are arranged so that it is possible to control the solidification by shutting down the heaters.
  • the temperature is preferably lowered linearly.
  • the ceiling heater When melting, the largest share is provided by the ceiling heater arranged above, as it radiates directly onto the non-ferrous metal.
  • the perimeter heater consists of four individual parts connected at the corners. This connection is designed so that there is no deterioration of the temperature profile in the corners.
  • the peripheral heater serves to keep the crystallization front of the non-ferrous metal as flat as possible.
  • a concave or convex crystallization front should be avoided as these block shapes result in more waste in the further processing of the crystallized block.
  • the bottom heater is arranged here between the cooling plate (1) and the crucible bottom. When melting, the bottom heater leads heat through the bottom of the crucible and thus supports the melting process.
  • a cooling plate according to the prior art, for example, a water-cooled copper cooling plate, which dissipates heat throughout the process. This is desirable during crystallization, but very disadvantageous during melting.
  • the crystallization phase is initiated by bringing the bottom heater to a temperature below the solidification temperature of the non-ferrous metal.
  • Si Licium example starts ren to crystallize at 1410 0 C.
  • this temperature is crucial to reach this temperature as uniformly as possible over the entire cooking surface.
  • the soil To lower the temperature further. The heat released during crystal growth is removed by means of the cooling plate.
  • the crucible system of the device according to the invention consists of a multi-part support crucible and a crucible.
  • the crucible is preferably made of coated fused silica, thereby preventing caking of the silicon.
  • the support crucible made of graphite plates is necessary because the crucible softens when melting.
  • a process for the production of silicon blocks for the production of solar wafers according to the so-called "vertical gradient freeze” (VGF) process is in principle a remelting process, in which first the crucible is filled with raw silicon. This can be present for example as granules or as piece goods. After filling the crucible, the vessel (13) is evacuated and then charged with a process gas, for example with argon. The raw silicon is at a
  • melt temperature of 1450 0 C and kept the melt at this temperature for some time to bring existing impurities to the surface of the melt.
  • the temperature of the bottom heater is set to 1390 0 C. It comes to the germination and crystallization of the melt at the bottom of the crucible. The temperatures of all heaters are lowered until all of the silicon has solidified. Subsequently, the temperature is usually raised again in a tempering step.
  • FIG. 2 shows a diagram of an energy flow of the heating device (11, FIG. 1).
  • step (100) electrical energy is conducted into the heater.
  • step (101) this energy is inductively converted into heat in the heater.
  • the melting of the silicon is step (102).
  • step (103) the solidification is initiated in step (103).
  • step (104) the heat of crystallization is dissipated by transferring the heat energy to the cooling fluid, step (105).
  • FIG. 3 shows the same energy flow through the individual components. The electrical energy of one
  • Power supply (106) passes through a transformer (107) in the heater (11).
  • the resistance-heated heaters are then heated by the electric current and melt all of the silicon. After melting, the crystallization is controlled by the shutdown of the heater, the cooling plate (1) then performs the last energy.
  • a cooling plate (1) according to the invention is shown schematically. It is preferably a gas-cooled graphite plate.
  • the cooling plate (1) extends in a plane which is spanned by a first extension direction x and a second extension direction y of the cooling plate (1).
  • first extension direction x cooling channels (2) extend through the cooling plate (1), wherein the cooling channels indicated by the reference numeral (21) are flowed through in an opposite direction, such as the designated with the reference numeral (20) cooling channels.
  • the cooling plate (1) also in its second extension direction y
  • the cooling channels indicated by the reference numeral (23) are flowed through in the opposite direction, as indicated by the reference numeral (22). marked cooling channels.
  • both the counterflow principle for heat exchange is realized, as well as crossover cooling channels.
  • the channel cross sections of the individual cooling channels (2) add up to form an overall cross section which, according to the invention, is distributed unevenly over the second extension direction y or over the second extension direction y and the first extension direction x.
  • the total cross section or the channel cross sections have a significant influence on the amount of heat dissipatable by means of the cooling plate (1).
  • the ability to dissipate heat is therefore also distributed unevenly over the surface of the cooling plate (1).
  • the heat of crystallization which is likewise distributed non-uniformly over the bottom surface of the crucible, can be compensated so that a homogeneous temperature profile results.
  • Due to the cooling plate according to the invention temperature differences in the germination zone of less than 10 ° Kelvin can be achieved.
  • no bottom heater is used for this purpose.
  • advantageously higher growth rates of the silicon crystal of, for example, 35 millimeters per hour can be achieved.
  • the cooling plate (1) according to the invention can therefore dissipate a greater amount of heat in the central region (3) than in the edge region (4).
  • a larger proportion of the total cross section is arranged in the central region (3) than in the edge region (4).
  • the cooling channel indicated by the reference numeral (24) has a larger channel cross-section, as the designated by the reference numeral (25) channel, which lies in the edge region (4).
  • the cooling channels located between the cooling channels denoted by (24) and (25) can, for example, have the same channel cross-section as the cooling channel (24) or the cooling channel (25).
  • the channel cross-section is preferably progressively smaller from the inside to the outside, cf. FIG. 5a.
  • FIGS. 5a, 5b and 5c show diagrammatically cross sections through two different embodiments of the cooling plate (1) according to the invention.
  • the cross section of the cooling channels (2) according to FIG. 5a gradually decreases outwardly from the central, largest cooling channel with the width (26), wherein the outermost cooling channel (2) has the width (27), which clearly is less than the width (26) of the largest cooling channel.
  • the depth of the cooling channels is preferably not varied.
  • Fig. 5b an alternative embodiment is shown in which all the cooling channels (2) have the same channel cross-section.
  • the overall cross-section is nevertheless non-uniformly distributed over the first extension direction x or the second extension direction y (see FIG. 2), since intermediate spaces (32) between the cooling channels (2) become larger from the inside to the outside.
  • the cooling plate (1) according to the invention consists of two graphite plates (30, 31), wherein the cooling channels (2) are milled into the first plate (30).
  • the second plate (31) serves to cover the milled cooling channels (2).
  • FIG 5c is a cooling plate (1) with cooling channels (2) with a circular cross-section in the first plate (30), wherein the cooling channels have a comparable distribution, as in Figure 5b.

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Abstract

Vorrichtung zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen, insbesondere von Silicium und Kühlplatte zur Wärmeabfuhr aus einer Schmelze, Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühlplatte sowie Verwendung der Vorrichtung zur Herstellung von multikristallinem Silicium, insbesondere für Anwendungen in der Photovoltaik, nach dem vertical gradient freeze-Verfahren.

Description

Vorrichtung zum Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen, insbesondere von Silicium. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kühlplatte zur Wärmeabfuhr aus einer Schmelze, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühlplatte. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von multikristallinem Silicium nach dem vertical gradient freeze-Verfahren, insbesondere für Anwendungen in der Photovoltaik.
Es ist bekannt, Nicht-Eisen-Metalle, wie Silicium, in Quarzkokillen einzuschmelzen und kristallisieren zu lassen, um multikristalline Siliciumblöcke für die Weiterverarbeitung in der Photovoltaik herzustellen. Während des Kristal- lisierens und Abkühlens des Nicht-Eisen-Metalls erfolgt eine Wärmeabfuhr durch Abstrahlung von Wärme an den Außenwänden der Kokille und der Oberfläche des Siliciums. Bei diesem Verfahren ist das Silicium möglichst gleichmäßig abzukühlen, da ansonsten starke thermische Spannungen entste- hen können, die eine Versetzungsbildung und Versetzungsmultiplikation begünstigen und Risse in dem erstarrten, block- förmigen Silicium verursachen. Des Weiteren würde eine ungleichmäßige Abkühlung eine Rückdiffusion von Fremdstoffen, insbesondere Metallen, aus Randbereichen in das Innere des blockförmigen Siliciums begünstigen. Sowohl die Versetzung als auch die rückdiffundierten Fremdstoffe wirken als Rekombinationszentren und reduzieren den photovoltaischen Wirkungsgrad von Solarzellen. Aus dem deutschen Patent DE 10 2005 013 410 B4 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum gerichteten Erstarren von Halbleitermaterialien bekannt. Der Behälter zur Aufnahme des flüssigen Halbleitermaterials weist einen Boden auf, wobei ein steuerbares Kühlelement zur Abfuhr von Wärme von dem Boden vorgesehen ist. Zusätzlich ist ein steuerbares Heizelement zur Zufuhr von Wärme zu dem Boden vorgesehen, um ein homogenes Temperaturprofil am Boden zu erhalten. Nachteilig ist, dass ein wesentlicher Teil der durch den Bodenheizer erzeugten Wärme an das Kühlfluid abgegeben wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühlplatte so auszugestalten, dass ein vergleichbares Temperaturprofil im Boden bei deutlich verringerter Heizleistung erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. In den jeweiligen Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen angegeben. Die erfindungsgemäße Kühlplatte dient zur Wärmeabfuhr aus einer Schmelze, insbesondere einer Schmelze von Nicht-Eisen-Metall, wie beispielsweise Silicium. In der Kühlplatte sind Kühlkanäle angeordnet, welche zur Durchleitung eines Kühlfluids dienen. Die Kühlkanäle sind dabei in mindestens einer ersten Erstreckungsrichtung der Kühlplatte verlaufend angeordnet, im Wesentlichen parallel zueinander. Jeder Kühlkanal weist dabei einen Kanalquerschnitt auf, wobei unter dem Kanalquerschnitt der von dem Kühlfluid in Strö- mungsrichtung senkrecht durchströmte Querschnitt zu verstehen ist. Die Kanalquerschnitte der Kühlkanäle addieren sich zu einem Gesamtquerschnitt der Kühlplatte. Erfindungsgemäß ist der Gesamtquerschnitt ungleichmäßig über mindestens eine zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte verteilt. Die Verteilung des Gesamtquerschnitts der Kühlkanäle über die zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte hinweg könnte in diesem Sinne auch als inhomogen bezeichnet wer- den. Im Gegensatz dazu ist unter einer gleichmäßigen Verteilung des Gesamtquerschnitts eine äquidistante Anordnung von Kühlkanälen gleichen Querschnitts und gleicher Querschnittsform zu verstehen. Eine ungleichmäßige Verteilung liegt dementsprechend bei einer Abweichung von einer solchen Anordnung vor. Soweit hier auf Nicht-Eisen- Metallen Bezug genommen wird, soll dies auch Halbleiter mit einschließen.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlplatte liegt darin, dass mit der ungleichmäßigen Verteilung des Gesamtquerschnitts auch die Fähigkeit zur Ableitung von Wärmeenergie aus der Schmelze nicht gleichmäßig über die Fläche der Kühlplatte verteilt ist. Die erfindungsgemäße Kühlplatte ist somit vorteilhaft an die Verhältnisse einer zu kristal- lisierenden Schmelze anpassbar, deren Wärmeabstrahlung ebenso wenig homogen über einen Boden einer Schmelzkokille verteilt ist. Insgesamt ist so ein vergleichsweise homogenes Temperaturprofil über den Boden erreichbar. Die Schmelzkokille wird auch als Quarzkokille oder Quarzguttie- gel bezeichnet.
Die Kühlplatte im Sinne der Erfindung weist eine flache Grundform auf, d. h. sie erstreckt sich im Wesentlichen in einer Ebene, welche durch zwei Haupterstreckungsrichtungen der Kühlplatte definiert ist. Die erste Erstreckungsrichtung der Kühlplatte und die zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte entsprechen im Wesentlichen den Haupterstreckungsrichtungen, d. h. die erste Erstreckungsrichtung ist vorzugsweise senkrecht zu der zweiten Erstreckungsrichtung ausgerichtet. Eine Fläche der Kühlplatte erstreckt sich in der Ebene der zwei Haupterstreckungsrichtungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem zentralen Bereich der Kühlplatte ein größerer Anteil des Gesamtquerschnitts angeordnet, als in einem Randbereich der Kühlplatte. Unter dem zentralen Bereich der Kühlplatte ist der um einen Mittelpunkt bzw. einen Flächen- Schwerpunkt der Kühlplatte herum angeordnete Bereich zu verstehen, welcher insbesondere von dem Rand der Kühlplatte beabstandet ist. Der Randbereich im Sinne der Erfindung ist gerade derjenige Bereich der Kühlplattenfläche, welche außerhalb des zentralen Bereichs liegt und sich in der Re- gel bis an die Ränder der Kühlplatte erstreckt. Der zentrale Bereich und der Randbereich weisen vorzugsweise in etwa vergleichbar große Teiloberflächen der Kühlplattenoberfläche auf. So wird eine verstärkte Wärmeabfuhr in dem zentralen Bereich erreicht, was in der Regel bei der Kris- tallisation von Schmelzen vorteilhaft ist. Die geometrische Form des zentralen Bereichs ist gegebenenfalls abhängig von der Grundform der jeweiligen Kokille.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Gesamtquerschnitt ungleichmäßig über die erste Erstreckungsrichtung der Kühlplatte verteilt. Durch eine ungleichmäßige oder inhomogene Verteilung des Gesamtquerschnitts in der ersten und der zweiten Erstreckungsrichtung ergibt sich vorteilhaft eine zweidimensionale, inhomogene Verteilung des Querschnitts und damit der Fähigkeit zur Ableitung von Wärme aus de Schmelze. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausfϋhrungsform der Erfindung sind Kühlkanäle auch in der zweiten Erstreckungs- richtung der Kühlplatte verlaufend angeordnet. Diese dienen ebenfalls zur Durchleitung des Kühlfluids, wobei sich zwi- sehen den Kühlkanälen der ersten Erstreckungsrichtung und den Kühlkanälen der zweiten Erstreckungsrichtung eine vorzugsweise dünne, den Wärmeübergang wenig behindernde Materialbarriere befindet, deren Stärke ausreichend ist, um die jeweiligen Kühlkanäle fluiddicht voneinander zu trennen. Vorzugsweise addieren sich die Kanalquerschnitte der in der zweiten Erstreckungsrichtung verlaufenden Kühlkanäle zu einem Gesamtquerschnitt der zweiten Erstreckungsrichtung, wobei dieser Gesamtquerschnitt der zweiten Erstreckungsrichtung ungleichmäßig über die erste Erstreckungsrichtung der Kühlplatte verteilt ist. Vorteilhafterweise besteht so eine ungleichförmige Verteilung der Kanalquerschnitte in der ersten und in der zweiten Erstreckungsrichtung, also über die Fläche der Kühlplatte. Es wird so vorteilhaft eine Kühlplatte zur Verfügung gestellt, welche eine gezielte un- gleichmäßige Verteilung der über sie ableitbaren Wärmemenge aufweist. Die Kühlplatte kann so an die Temperaturverhältnisse einer kristallisierenden Schmelze hinsichtlich deren Flächenverteilung angepasst werden, so dass letztlich ein vergleichsweise homogenes Temperaturprofil im Boden der Schmelzkokille erreicht werden kann.
Eine zweidimensionale Verteilung des Gesamtquerschnitts lässt sich alternativ gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung realisieren, worin die Kanal- querschnitte mindestens eines Teils der Kühlkanäle in Strömungsrichtung des Kühlfluids zumindest von dem Randbereich zu dem zentralen Bereich hin anwachsend ausgebildet sind. Auf quer verlaufende, also in der zweiten Erstreckungsrich- tung verlaufende Kühlkanäle kann so gegebenenfalls verzichtet werden. Durch eine Veränderung des Kanalquerschnitts entlang seiner Länge kann vorteilhaft auch in dieser Richtung die Wärmeabfuhr eingestellt werden.
Eine Verteilung des Gesamtquerschnitts über die erste und/oder die zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte lässt sich mittels mathematischer Ausdrücke angeben. Im Folgenden wird der Begriff Verteilung des Gesamtquer- Schnitts und Verteilung der Kanalquerschnitte gleichbedeutend verwendet, da die Verteilung des Gesamtquerschnitts sich aus der Verteilung der Kanalquerschnitte ergibt. Die Verteilung besteht in der ersten Erstreckungsrichtung und/oder in der zweiten Erstreckungsrichtung, ohne dass darauf jeweils im Einzelnen eingegangen wird.
Bevorzugt ist ein streng monoton abfallender Verlauf der Verteilung des Kanalquerschnitts von Mitte der Kühlplatte zum Rand der Kühlplatte, besonders bevorzugt ein linearer Verlauf. Der Fachmann erkennt, dass diese Idealisierung mit einer endlichen Mehrzahl von Kühlkanälen nur angenähert erreichbar ist. Tatsächlich wird der Kanalquerschnitt von der Mitte der Kühlplatte zu einem Rand der Kühlplatte hin stets schrittweise abnehmen, vorzugsweise kontinuierlich.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Querschnitte der Kühlkanäle, welche in dem zentralen Bereich angeordnet sind, bzw. durch diesen verlaufen, größer sind, als die Querschnitte derjenigen Kühlkanäle, welche in dem Randbe- reich angeordnet sind. Besonders bevorzugt nimmt der Querschnitt der Kühlkanäle von der Mitte der Kühlplatte zu ihren Rändern hin schrittweise, bevorzugt kontinuierlich ab. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, sind die Querschnitte der Kühlkanäle im Wesentlichen gleich, wobei in dem zentralen Bereich mehr Kühlkanäle angeordnet sind, als in dem Randbereich. Besonders bevorzugt steigt ein Abstand zwischen den Kühlkanälen von der Mitte der Kühlplatte zu den Rändern der Kühlplatte hin schrittweise, bevorzugt kontinuierlich an.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Kühlkanäle in einem Gegenstromverfahren durchströmbar. Das bedeutet, dass zumindest ein Teil der
Kühlkanäle so ausgebildet ist, dass das Kühlfluid diese in einer entgegengesetzten Richtung durchströmt als andere Kühlkanäle. Dadurch wird die Fähigkeit zur Wärmeaufnahme entlang der Strömungsrichtung des Fluids, bzw. in der Erstreckungsrichtung der Kühlkanäle homogenisiert.
Bevorzugt ist eine erste Gruppe der Kühlkanäle in der ersten Erstreckungsrichtung durchströmbar und eine zweite Gruppe der Kühlkanäle entgegen der ersten Erstreckungsrichtung durchströmbar. Zusätzlich oder alternativ ist vorzugs- weise eine erste Gruppe der Kühlkanäle in der zweiten
Erstreckungsrichtung durchströmbar und eine zweite Gruppe der Kühlkanäle entgegen der zweiten Erstreckungsrichtung durchströmbar .
Bevorzugt werden jeweils zwei benachbarte Kühlkanäle in jeweils unterschiedlicher Richtung durchströmt. In der zweiten Erstreckungsrichtung und/oder in der ersten Erstreckungsrichtung ist vorzugsweise jeweils abwechselnd ein Kanal der ersten Gruppe und ein Kanal der zweiten Gruppe an- geordnet. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem die einzelnen Kühlkanäle zu einem mäandrierenden Kanal zusammengeschlossen sind. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Kühlfluid die Kühlplatte nur einmal durchströmt. Dazu weist die Kühlplatte vorzugsweise geeignete Zuführvorrichtungen an der Eingangsseite der Kühlkanäle und entsprechende Abführvorrichtungen an der Abflussseite der Kühlkanäle auf. Bei Realisierung des Gegenstromverfahrens muss auf jeder Seite der Kühlplatte sowohl eine Zuführ- als auch eine Abführvorrichtung vorgesehen sein. Als Zuführeinrichtung ist bevorzugt jeweils ein Sammelkanal vorgesehen, wobei der Sammelkanal besonders bevorzugt so groß ausgelegt ist, dass Druckschwankungen ausgeglichen werden und nach Möglichkeit alle an den Sammelkanal angeschlossenen Kühlkanäle gleichermaßen mit Kühlfluid unter entsprechendem Betriebsdruck versorgt werden. Weiterhin bevorzugt erfolgt eine Zuleitung des Kühlfluids zu dem Sammelkanal in dessen mittlerem Bereich, so dass vorteilhaft ein nicht vollständig vermeidba- rer Druckabfall über die Länge des Sammelkanals dazu führt, dass die in dem zentralen Bereich angeordneten, bzw. diesen durchströmenden Kühlkanäle mit einem höheren Druck des Kühlfluids versorgt werden, als die in dem Randbereich verlaufenden Kühlkanäle.
Das Kühlfluid kann nach dem Durchströmen der Kühlplatte über einen Wärmetauscher geführt werden, um anschließend erneut die Kühlplatte zu durchströmen. Alternativ dazu ist der Kühlfluidkreislauf offen, d.h. die Kühlplatte wird lau- fend mit neuem Kühlfluid durchströmt, welches nach dem
Durchströmen vorzugsweise für eine spätere Wiederverwendung gesammelt wird.
Die Kühlkanäle sind bevorzugt im Wesentlichen rechteckig ausgeführt, wobei der umgesetzte hydraulische Durchmesser bestimmt, welche Wärmemenge mit dem bevorzugt gasförmigen Kühlfluid abführbar ist. Die Kühlkanäle unterscheiden sich besonders bevorzugt hinsichtlich ihrer Breite und weisen eine konstante Tiefe auf. Die Kühlplatte ist vorzugsweise aus Graphit hergestellt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vor- richtung zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von NichtEisen-Metallen und/oder Halbleitermaterial, wobei die Vorrichtung eine erfindungsgemäße Kühlplatte aufweist. In der Regel weist eine solche Vorrichtung im Übrigen einen Kessel, eine Isolation, eine Heizeinrichtung zur Zufuhr von Wärme in das Nicht-Eisen-Metall und/oder Halbleitermaterial und ein Tiegelsystem auf, wobei die Kühlplatte unterhalb des Tiegels angeordnet ist.
Die Wärmeabfuhr über die Kühlplatte ist bevorzugt steuer- bar. Dazu ist bevorzugt der Druck des Kühlfluids bzw. die
Durchflussmenge regelbar, beispielsweise mit Hilfe entsprechender Pumpen und/oder Ventile. Das verwendete Kühlfluid ist vorzugsweise gasförmig. Vorzugsweise wird Stickstoff, Argon oder Helium oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Gase verwendet. Während eines Schmelzvorgangs in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kühlplatte vorzugsweise nicht aktiv, d. h. es wird kein Kühlfluid durch die Kühlkanäle zirkuliert. Die Heizeinrichtung weist vorzugsweise keinen sogenannten Bodenheizer unter dem Tiegel auf. Die erfindungsgemäße Kühlplatte kann jedoch durchaus auch mit einem vorhandenen Bodenheizer betrieben werden. Bereits dabei kommt es vorteilhaft zu einer Energieeinsparung.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Herstel- lungsverfahren für eine erfindungsgemäße Kühlplatte, wobei die Kühlplatte aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt wird und wobei die Kühlkanäle in eine erste Platte in der ersten Erstreckungsrichtung eingebracht werden. Das konkrete Her- stellungsverfahren ist im Wesentlichen von der Kühlkanal- querschnittsform abhängig. Denkbar sind unter anderem rechteckige, quadratische und runde Kühlkanalquerschnitte, wobei Kühlkanäle mit rundem Querschnitt in der Regel durch Bohren in die Platte eingebracht werden. Unabhängig von der Form der Kühlkanalquerschnitte werden an die erste Platte ein oder mehrere Sammel- und/oder Verteilerkanäle angesetzt, welche zumindest jeweils Gruppen der Kühlkanäle miteinander verbinden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden Kanäle aus einer Oberfläche der ersten Platte in der ersten Erstreckungsrichtung herausgearbeitet, vorzugsweise gefräst. Die erste Platte wird mit einer zwei- ten Platte dann so verbunden, dass die Kanäle bedeckt werden. Durch den beschriebenen Vorgang entstehen bevorzugt Kühlkanäle mit rechteckigem Querschnitt. Die Herstellung ist beispielsweise gegenüber dem Bohren von Kühlkanälen deutlich vereinfacht. Dagegen entfällt bei gebohrten Kühl- kanälen der Aufbau mit mehreren, übereinander angeordneten Platten.
Die Verbindung der Platten untereinander bzw. mit den Sammel- und/oder Verteilerkanälen kann lösbar oder unlösbar ausgeführt sein. Die Platten werden bevorzugt durch Kraft- und/oder Formschlüssige Verbindungen durch Klebemittel oder mittels Dichtungen und Zug- oder Spannankern fluiddicht zusammengehalten. Auch können Nut- und Federsysteme oder Ver- schraubungen vorgesehen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden aus einer weiteren Oberfläche der ersten Platte und/oder aus einer Oberfläche der zweiten Platte in der zweiten Erstreckungsrichtung Kanäle herausgearbeitet, vorzugsweise gefräst und anschließend die erste Platte und/oder die zweite Platte mit mindestens einer dritten Platte verbunden. Die erste Erstreckungsrichtung ist dabei vorzugsweise senkrecht zu der zweiten Erstreckungsrichtung angeordnet. Die so hergestellte Kühlplatte weist vorteilhaft quer zueinander verlaufende Kühlkanäle in mindestens zwei verschiedenen Ebenen auf. Der Fachmann erkennt, dass im Sinne der Erfindung eine Vielzahl von Ebenen mit Kühlka- nälen in einer Kühlplatte realisiert sein kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von multikristallinem Silicium nach dem Vertical Gradient Freeze-Ver- fahren, insbesondere für Anwendungen in der Photovoltaik.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Ausführungen betreffen alle Gegenstände der Erfindung. Die dargestellten Ausführungsformen sind bei- spielhaft und grenzen den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Es zeigen
Fig. 1 einen grundsätzlichen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen;
Fign. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 1; Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlplatte;
Fign. 5a, 5b und 5c schematische Schnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kühlplatte.
Anhand der Fig. 1 wird eine Vorrichtung (10) zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen beschrieben. Im Wesentlichen besteht die Anlage aus einem Kessel (13), einer Isolation (nicht dargestellt), einer Heizeinrichtung (11), einem Tiegel (12) und einer Kühlplatte (1) . Der Kessel (13) ist in der Regel aus Edelstahl gefertigt. Es ist jedoch auch möglich, ihn aus Normalstahl herzustellen. Der Kessel besteht aus einem Mittelteil, einem Boden und einem Deckel (nicht dargestellt) . Der Kessel kann beispielsweise doppelwandig ausgeführt und wassergekühlt sein. Ein Be- und Entladen des Kessels erfolgt in der Regel über den Boden, welcher abgelassen und herausgefahren werden kann. Innerhalb des Kessels (13) befindet sich eine nicht dargestellte Isolation aus Graphitharzfilz, welche die Kesselwand von der Wärme, die beim Aufschmelzen entsteht, abschirmt und dafür sorgt, dass die eingebrachte Energie wäh- rend des Aufschmelzens innerhalb der Anlage bleibt. Innerhalb der Isolation sind ein bis drei Heizer der Heizeinrichtung (11) angeordnet, hier beispielsweise ein Decken-, ein Boden- und ein Umfangheizer. Bei den Heizern handelt es sich um widerstandsbeheizte Graphitheizelemente. Die Heizer dienen sowohl zum Aufschmelzen von Nicht-Eisen-Metallen, als auch zur Steuerung der Kristallisation. Die Heizer sind so angeordnet, dass eine möglichst große Gleichmäßigkeit der Temperatur beim Aufschmelzen erreicht werden kann. Gleichzeitig sind die Heizelemente (11) so angeordnet, dass es möglich ist, die Erstarrung durch Herunterfahren der Heizer zu steuern. Die Temperatur wird dabei vorzugsweise linear abgesenkt. Beim Aufschmelzen wird der größte Anteil durch den oben angeordneten Deckenheizer geleistet, da dieser unmittelbar auf das Nicht-Eisen-Metall strahlt. Der Umfangheizer besteht bei viereckigen Tiegeln beispielsweise aus vier Einzelteilen, welche an den Ecken miteinander verbunden sind. Diese Verbindung ist so ausgeführt, dass es in den Ecken nicht zu einer Verschlechterung des Temperaturprofils kommt.
Bei der Erstarrung der Schmelze dient der Umfangheizer dazu, die Kristallisationsfront des Nicht-Eisen-Metalls möglichst eben zu halten. Eine konkave oder konvexe Kristallisationsfront soll vermieden werden, da diese Blockformen zu mehr Abfall bei der Weiterverarbeitung des kristallisierten Blocks führen. Der Bodenheizer ist hier zwischen der Kühlplatte (1) und dem Tiegelboden angeordnet. Beim Aufschmelzen führt der Bodenheizer Wärme durch den Tiegelboden zu und unterstützt damit den Schmelzvorgang. Eine Kühlplatte nach dem Stand der Technik ist beispielsweise eine wassergekühlte Kupferkühlplatte, welche während des gesamten Prozesses Wärme abführt. Dies ist bei der Kristal- lisation erwünscht, beim Aufschmelzen dagegen sehr nachteilhaft. Die Kristallisationsphase wird eingeleitet, indem der Bodenheizer auf eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur des Nicht-Eisen-Metalls gebracht wird. Si- licium beispielsweise beginnt bei 14100C zu kristallisie- ren. Bei der Herstellung von Solarsiliciumblöcken ist es entscheidend, diese Temperatur möglichst gleichmäßig über den gesamten Tiegelboden zu erreichen. Im Anschluss an diesen sogenannten Ankeimvorgang wird mit Hilfe des Bodenhei- zers die Temperatur weiter heruntergefahren. Die bei dem Kristallwachstum frei werdende Wärme wird mit Hilfe der Kühlplatte abgeführt.
Das Tiegelsystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem mehrteiligen Stütztiegel und einem Schmelztiegel. Der Schmelztiegel besteht vorzugsweise aus beschichtetem Quarzgut, wodurch ein Anbacken des Siliciums vermieden wird. Der Stütztiegel aus Graphitplatten ist notwendig, da der Schmelztiegel beim Aufschmelzen weich wird.
Bei einem Prozess zur Herstellung von Siliciumblöcken für die Herstellung von Solarwafern nach dem sogenannten "ver- tical gradient freeze" (VGF) Verfahren handelt es sich prinzipiell um einen Umschmelzprozess, bei dem zunächst der Schmelztiegel mit Rohsilicium befüllt wird. Dieses kann beispielsweise als Granulat oder als Stückgut vorliegen. Nach dem Befüllen des Tiegels wird der Kessel (13) evakuiert und anschließend mit einem Prozessgas beaufschlagt, beispielsweise mit Argon. Das Rohsilicium wird bei einer
Temperatur von 14500C aufgeschmolzen und die Schmelze noch einige Zeit bei dieser Temperatur gehalten, um vorhandene Verunreinigungen an die Oberfläche der Schmelze zu bringen. Um die Kristallisation einzuleiten, wird die Temperatur des Bodenheizers auf 13900C eingestellt. Es kommt zur Ankeimung und Kristallisation der Schmelze am Boden des Tiegels. Die Temperaturen aller Heizer werden abgesenkt, bis das gesamte Silicium erstarrt ist. Anschließend wird in der Regel die Temperatur noch einmal in einem Temperschritt angehoben.
In der Fig. 2 ist in einem Diagramm ein Energiefluss der Heizeinrichtung (11, Fig. 1) dargestellt. In Schritt (100) wird elektrische Energie in die Heizeinrichtung geleitet. In Schritt (101) wird diese Energie in der Heizeinrichtung induktiv in Wärme umgewandelt. Das Aufschmelzen des Siliciums ist Schritt (102) . Anschließend wird in Schritt (103) die Erstarrung eingeleitet. Über die Kühlplatte wird in Schritt (104) die Kristallisationswärme abgeführt, indem die Wärmeenergie auf das Kühlfluid übertragen wird, Schritt (105) .
In der Fig. 3 ist derselbe Energiefluss durch die einzelnen Bauteile aufgezeigt. Die elektrische Energie von einem
Netzgerät (106) gelangt über einen Transformator (107) in die Heizeinrichtung (11) . Die widerstandsbeheizten Heizer werden dann durch den elektrischen Strom erwärmt und schmelzen das gesamte Silicium auf. Nach dem Aufschmelzen wird durch das Herunterfahren der Heizer die Kristallisation gesteuert, die Kühlplatte (1) führt dann zuletzt die Energie ab.
In der Fig. 4 ist eine erfindungsgemäße Kühlplatte (1) schematisch dargestellt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um eine gasgekühlte Graphitplatte. Die Kühlplatte (1) erstreckt sich in einer Ebene, welche durch eine erste Erstreckungsrichtung x und eine zweite Erstreckungsrichtung y der Kühlplatte (1) aufgespannt wird. In der ersten Erstreckungsrichtung x verlaufen Kühlkanäle (2) durch die Kühlplatte (1), wobei die mit dem Bezugszeichen (21) gekennzeichneten Kühlkanäle in einer entgegengesetzten Richtung durchströmt werden, wie die mit dem Bezugszeichen (20) gekennzeichneten Kühlkanäle. Vorzugsweise weist die Kühl- platte (1) auch in ihrer zweiten Erstreckungsrichtung y
Kühlkanäle (2) auf. Hierbei werden die mit dem Bezugszeichen (23) gekennzeichneten Kühlkanäle in entgegengesetzter Richtung durchströmt, wie die mit dem Bezugszeichen (22) gekennzeichneten Kühlkanäle. In der dargestellten Ausführungsform der Kühlplatte (1) ist also sowohl das Gegen- stromprinzip zum Wärmetausch verwirklicht, wie auch überkreuzende Kühlkanäle.
Die Kanalquerschnitte der einzelnen Kühlkanäle (2) addieren sich zu einem Gesamtquerschnitt, welcher erfindungsgemäß ungleichmäßig über die zweite Erstreckungsrichtung y, bzw. über die zweite Erstreckungsrichtung y und die erste Erstreckungsrichtung x verteilt ist. Der Gesamtquerschnitt bzw. die Kanalquerschnitte haben einen wesentlichen Ein- fluss auf die mittels der Kühlplatte (1) abführbare Wärmemenge. Die Fähigkeit zur Abführung von Wärme ist daher über die Fläche der Kühlplatte (1) ebenfalls ungleichmäßig ver- teilt. Auf diese Art und Weise lässt sich die ebenfalls ungleichförmig über die Bodenfläche des Tiegels verteilte Kristallisationswärme so ausgleichen, dass ein homogenes Temperaturprofil entsteht. Durch die erfindungsgemäße Kühlplatte lassen sich Temperaturdifferenzen in der Keimzone von weniger als 10° Kelvin erreichen. Vorzugsweise wird dazu kein Bodenheizer eingesetzt. So lassen sich vorteilhaft höhere Wachstumsraten des Siliciumkristalls von beispielsweise 35 Millimeter pro Stunde erreichen.
In einem zentralen Bereich (3), welcher hier durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, fällt eine höhere Wärmemenge an, als in einem Randbereich (4) . Die erfindungsgemäße Kühlplatte (1) kann daher in dem zentralen Bereich (3) eine größere Wärmemenge ableiten, als in dem Randbereich (4) . Dazu ist ein größerer Anteil des Gesamtquerschnitts in dem zentralen Bereich (3) angeordnet, als in dem Randbereich (4) . Bevorzugt ist dies dadurch realisiert, dass der mit dem Bezugszeichen (24) gekennzeichnete Kühlkanal einen größeren Kanalquerschnitt aufweist, als der mit dem Bezugszeichen (25) bezeichnete Kanal, welcher in dem Randbereich (4) liegt. Die zwischen den, mit (24) und (25) bezeichneten Kühlkanälen liegenden Kühlkanäle können beispielsweise den gleichen Kanalquerschnitt wie der Kühlkanal (24) oder der Kühlkanal (25) aufweisen. Bevorzugt wird der Kanalquerschnitt jedoch von innen nach außen schrittweise kleiner, vergleiche Fig. 5a.
In den Fig. 5a, 5b und 5c sind schematisch Querschnitte durch zwei verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kühlplatte (1) dargestellt. Wie zuvor beschrieben, nimmt der Querschnitt der Kühlkanäle (2) gemäß Fig. 5a von dem mittleren, größten Kühlkanal mit der Breite (26) schrittweise nach außen hin ab, wobei der äußerste Kühlkanal (2) die Breite (27) aufweist, welche deutlich geringer ist, als die Breite (26) des größten Kühlkanals. Die Tiefe der Kühlkanäle wird vorzugsweise nicht variiert. In Fig. 5b ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, bei der alle Kühlkanäle (2) den gleichen Kanalquerschnitt aufweisen. Der Gesamtquerschnitt ist dennoch ungleichmäßig über die erste Erstreckungsrichtung x bzw. die zweite Erstre- ckungsrichtung y (siehe Fig. 2) verteilt, da Zwischenräume (32) zwischen den Kühlkanälen (2) von innen nach außen hin größer werden. So hat beispielsweise ein in dem zentralen Bereich liegender Abstand die Breite (28), während der äußerste Abstand eine deutlich größere Breite (29) aufweist. In den Fig. 5a und 5b ist erkennbar, dass die erfindungsgemäße Kühlplatte (1) aus zwei Graphitplatten (30, 31) be- steht, wobei die Kühlkanäle (2) in die erste Platte (30) hineingefräst sind. Die zweite Platte (31) dient zum Abdecken der gefrästen Kühlkanäle (2) . In der Figur 5c ist eine Kühlplatte (1) mit Kühlkanälen (2) mit Kreisquerschnitt in der ersten Platte (30) dargestellt, wobei die Kühlkanäle eine vergleichbare Verteilung aufweisen, wie in der Figur 5b.
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Claims

Patentansprüche
1. Kühlplatte (1) zur Wärmeabfuhr aus einer Schmelze, wobei Kühlkanäle (2) zur Durchleitung eines Kühlfluids in mindestens einer ersten Erstreckungsrichtung (x) der Kühlplatte verlaufend angeordnet sind, wobei jeder Kühlkanal (2) einen Kanalquerschnitt aufweist und die Kanalquerschnitte der Kühlkanäle sich zu einem Gesamtquerschnitt addieren, wobei der Gesamtquerschnitt ungleichmäßig über mindestens einer zweiten Erstreckungsrichtung (y) der Kühlplatte (1) verteilt ist.
2. Kühlplatte nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zentralen Bereich (3) der Kühlplatte (1) ein größerer Anteil des Gesamtquerschnitts angeordnet ist, als in einem Randbereich (4) der Kühl- platte.
3. Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtquerschnitt ungleichmäßig über die erste Erstreckungsrich- tung (x) der Kühlplatte (1) verteilt ist.
4. Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlkanäle (2) zur Durchleitung des Kühlfluids in der zweiten Erstre- ckungsrichtung (y) der Kühlplatte (1) verlaufend angeordnet sind.
5. Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (2) nach einem Gegenstromprinzip durchströmbar sind.
6. Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kühlkanäle in dem zentralen Bereich (3) größer sind, als in dem Randbereich (4) .
7. Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kühlkanäle im Wesentlichen gleich sind, wobei in dem zentralen Bereich (3) mehr Kühlkanäle angeordnet sind, als in dem Randbereich (4) .
8. Kühlplatte nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalquerschnitte mindestens eines Teils der Kühlkanäle (2) in einer Strömungsrichtung des Kühlfluids zumindest von dem Randbereich (4) bis zu dem zentralen Bereich (3) hin anwachsend ausgebildet sind.
9. Vorrichtung (10) zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen und/oder Halbleitermate- rial, insbesondere Silicium, gekennzeichnet durch eine Kühlplatte (1) zur Wärmeabfuhr aus dem Nicht-Eisen-Metall gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche.
10. Vorrichtung (10) nach Patentanspruch 9, dadurch ge- kennzeichnet, dass ein gasförmiges Kühlmittel als
Kühlfluid verwendet wird.
11. Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt wird, wobei die Kühlkanäle in eine erste Platte (30) in der ersten Erstreckungsrichtung (x) eingebracht werden.
12. Verfahren zur Herstellung nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle aus einer Oberfläche der ersten Platte (30) in der ersten
Erstreckungsrichtung (x) herausgearbeitet werden und die erste Platte mit einer zweiten Platte (31) so verbunden wird, dass die Kühlkanäle bedeckt werden.
13. Verfahren zur Herstellung nach einem der Patentansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer weiteren Oberfläche der ersten Platte oder der zweiten Platte Kühlkanäle in der zweiten Erstreckungsrichtung (y) herausgearbeitet werden und die zweite oder erste Platte mit einer dritten Platte so verbunden wird, dass die Kühlkanäle in der zweiten Erstreckungsrichtung (y) bedeckt werden.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Patentan- sprüche 9 oder 10, zur Herstellung von multikristallinem Silicium nach dem Vertical Gradient Freeze-Verfah- ren, insbesondere für Anwendungen in der Photovoltaik.
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