WO2013004745A1 - Verfahren und vorrichtung zum gerichteten erstarren einer nichtmetall-schmelze - Google Patents

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WO2013004745A1
WO2013004745A1 PCT/EP2012/063036 EP2012063036W WO2013004745A1 WO 2013004745 A1 WO2013004745 A1 WO 2013004745A1 EP 2012063036 W EP2012063036 W EP 2012063036W WO 2013004745 A1 WO2013004745 A1 WO 2013004745A1
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WO
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melt
frequency
inductors
crucible
alternating currents
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Application number
PCT/EP2012/063036
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Müller
Tobias Mono
Christian KUDLA
Frieder Kropfgans
Original Assignee
Schott Solar Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Schott Solar Ag filed Critical Schott Solar Ag
Publication of WO2013004745A1 publication Critical patent/WO2013004745A1/de

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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
    • C30B11/007—Mechanisms for moving either the charge or the heater
    • 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 method according to the preamble of claim 1 and a device operating thereafter according to the preamble of the independent claim.
  • the invention relates to a method and an apparatus for directional solidification of a silicon melt.
  • the starting material is melted in granular form in a quartz crucible, and then solidified directionally applying a vertical temperature gradient.
  • the blocks thus obtained, so-called ingots, are sawn into thin silicon wafers, so-called wafers, which can be processed into solar cells in further process steps.
  • the silicon wafers can be either multicrystalline or monocrystalline. Solar cells made of monocrystalline material generally have higher efficiencies. Multicrystalline wafers are mostly obtained from block solidification processes. For the production of monocrystalline wafers, it is preferred to use large-volume monocrystals which are obtained by directional solidification from a non-metal melt. For this purpose, a crucible pulling method, namely the so-called Czochralski method is used, the essential steps of which are described, for example, in the Internet Encyclopaedia Wikipedia (see following link: http://en.wikipedia.org/wiki/Czochralski method). The higher expenditure on equipment and the corresponding unfavorable cost structure of this process compared to the block solidification process can at best be justified by the better cell efficiencies of the resulting monocrystalline material. As another fundamental problem of the Czochralski process, the increased proves
  • This oven typically has different heating zones, ie in each case one or more ceiling, jacket or bottom heaters and an active or passive cooling in the lower part of the system.
  • a temperature gradient is set in the furnace so that the raw silicon located in the top of the crucible is melted and the monocrystalline region located in the bottom of the crucible remains fixed.
  • This monocrystalline region serves as a seed in the subsequent solidification, so that a single crystal grows, with a phase boundary which moves vertically in the solidification direction being formed.
  • the monocrystalline growth can be achieved without germination. In this case, a recess in the center of the crucible bottom is used, in which the germination takes place.
  • the monocrystalline growth can proceed from the nucleus formed there in the entire crucible.
  • the temperature control influences the prevailing convective flow in the melt, which is essentially determined by the temperature field.
  • the temperatures field there are also possibilities for influencing the flows by using stationary or unsteady magnetic fields. It is known per se to generate a traveling magnetic field which offers the possibility of having a strong influence on the flows in the melt with relatively weak field strengths.
  • the patent application WO 2010/060802 A2 describes generating two overlapping traveling fields with at least two different frequencies, the first traveling field passing through the melt from bottom to top and the second traveling field passing through the melt from top to bottom. So it generates two-frequency magnetic field, whose one frequency component moves to the top and whose other frequency component moves down through the melt or the crucible.
  • a high-frequency field is combined with a low-frequency field of opposite direction. The resulting Lorentz force and thus the flow velocity are thereby lower at the edge while still maintaining a volume force.
  • These measures are therefore aimed at conserving the crucible wall coating; they are less aimed at significantly improving the production of monocrystalline or quasi-monocrystalline ingots.
  • a crystal growing system is described with a heater, which also represents an inductor for generating a traveling magnetic field.
  • the inductor is connected to a power source for three-phase current, whereby also a traveling magnetic field with only one frequency is generated.
  • a traveling field is also generated during the solidification of a non-metal melt in order to influence the melt convection, wherein an asymmetric distribution of the Lorentz forces is to be achieved in order to effect a better mixing at the phase boundary.
  • methods for the directional solidification of a non-metal melt are known, in particular Blockerstarrungs- method in which at least one monocrystalline seed element is arranged at the bottom of the crucible, from which starting a progressive solidification of the melt is effected, with a vertically moving in the solidification direction Phase boundary forms. It is also known, in a nonmetallic
  • Melt by means of a plurality of inductors to generate at least one traveling field in order to reduce the flow velocity of the melt in the region of the crucible wall and thus to protect the crucible wall coating.
  • the quasi-mono-silicon produced by this conventional block solidification process generally has a monocrystalline region in the center, it contains large multicrystalline, sometimes very fine-grained regions around the center. In between, there are often areas in which a large number of crystallographic twin grains are located. For example, only 10 percent of the wafers obtained are completely monocrystalline (Photon May 2005). All other wafers have at least multicrystalline regions or are even completely cut out of these. Since monocrystalline and multicrystalline areas require different post-treatments-in particular different texturisations-the expense and costs for the subsequent treatment here are incomparably higher than in the case of classic block-solidification processes.
  • a method for the directional solidification of a non-metal melt is proposed, which promotes monocrystalline growth, so that as little as possible or very little multicrystalline growth occurs in the edge region of the crucible and the formation of the dominated by twins intermediate region is suppressed.
  • the method and a device operating thereafter should be particularly well suited for the production of monocrystalline or at least quasi-monocrystalline ingots, which also have a high degree of purity with respect to the monocrystalline structure in the edge region.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of the independent claim. Accordingly, it is proposed to generate at least one single-frequency magnetic traveling field in the melt by supplying the inductors with at least one set of phase-shifted and predetermined frequency alternating currents, thereby causing, at least in the edge region of the crucible, a curvature of the phase boundary Form of a convexly curved surface in the solidification direction.
  • the melt is passed through by the at least one generated magnetic traveling field in a direction opposite to the solidification direction and the The predeterminable frequency of the traveling field is at least 50 Hz.
  • the invention is based on the finding that the undesired multicrystalline regions in the quasi-monosilicon are formed essentially by nucleation processes on the crucible wall. Because on the one hand, the monocrystalline germ can not be placed flush with the entire surface in the crucible, which inevitably requires a polycrystalline edge area. On the other hand, in the course of solidification on the crucible wall, new crystallites continuously form, which can disturb the monocrystalline growth by being able to grow obliquely into the monocrystalline regions.
  • crystallographic twins are formed at the edge of the monocrystalline region, which can nucleate directly on the monocrystal in constitutionally supercooled zones.
  • undercooled zones are caused by too low convective movements and thus mixing of the melt, which lead to enrichment of the melt with impurities in front of the phase boundary and thus locally to a lowering of the solidification temperature of the melt.
  • dislocation cascades may spontaneously form a multicrystalline region.
  • the exact adjustment of the phase boundary with a traveling magnetic field is much more precisely possible than solely by means of a temperature control.
  • the at least one traveling magnetic field should bring about a symmetrical distribution of the Lorentz force density with respect to the transverse axis (X axis).
  • X axis transverse axis
  • the present invention proposes as a further embodiment, two magnetic traveling fields of different frequencies to produce, in the same direction through the melt, both in a direction opposite to the solidification direction, whereby an increased convection and an even better adjustable curvature of the phase boundary is effected, which is in the form of a convexly curved surface in the solidification direction.
  • the high-frequency component first frequency
  • the suitable choice of the current intensity allows a particularly clear (symmetrical) deflection of the phase boundary and improved mixing in the vicinity of the crucible wall.
  • the second low-frequency component (second frequency) is used to generate a volume force.
  • the invention is particularly suitable for use in a melting furnace or boiler for silicon melts.
  • the inductors when the inductors are arranged on the crucible in a vertically extending arrangement, at least two inductors being arranged at at least two regions of the melt, which are arranged at different high positions when viewed from the bottom of the crucible, an upper inductor at an upper region of the crucible Melt and at least one middle or lower inductor is arranged at a middle or lower region of the melt, wherein the inductors are supplied with the alternating currents so that the amplitudes of the alternating currents flowing in the upper and middle or lower inductors are different.
  • the amplitude of the alternating current flowing in the upper inductor is greater than the amplitude of the alternating current flowing in the middle and / or lower inductor.
  • At least three inductors may also be arranged, wherein an upper inductor is arranged at an upper region of the melt, a middle inductor at a middle region of the melt, and a lower inductor at a lower region of the melt, the inductors thus acting on the alternating currents be that the amplitude of the alternating current flowing in the upper inductor is greater than the amplitude of the alternating current flowing in the middle and / or lower inductor.
  • the at least three inductors are supplied with the alternating currents so that the amplitudes of the alternating currents flowing in the upper inductor, the middle inductor and the lower inductor are different.
  • the amplitude of the alternating currents flowing in the inductors decreases from the upper inductor to the lower inductor or is greater at least in the upper inductor than in the lower inductor, wherein the amplitude in a middle inductor may have a maximum.
  • the inductors with the first set of phase-shifted and the predetermined first frequency having alternating currents are fed and fed with a second set of phase-shifted and a predetermined second frequency having alternating currents.
  • a curvature of the phase boundary is effected in the edge region and inner region of the crucible, which is in the form of a convexly curved surface in the solidification direction.
  • the first frequency is preferably at least twice as large as the second frequency; in particular, the first frequency is at least
  • the second frequency is at most 50 Hz.
  • the alternating currents having the second frequency have a second amplitude or a plurality of second amplitudes; and the AC currents having the first frequency have a first amplitude or a plurality of first amplitudes that are greater, in particular greater by at least 20%, than the second amplitude or are as the second amplitudes.
  • the inductors are arranged on the crucible in a vertically extending arrangement, with an upper inductor at an upper region of the melt, at least a middle inductor at a central region of the melt and a lower inductor a lower portion of the melt is arranged.
  • the inductors are acted upon by the alternating currents having the first frequency or the second frequency, so that the amplitudes of the alternating currents flowing in the upper, middle and lower inductors are different.
  • the inductors should be supplied with the second frequency alternating currents so that the amplitude of the current flowing in the upper inductor AC is greater than the amplitude of the current flowing in the middle and / or lower inductor alternating current.
  • the amplitudes of the alternating currents having the second frequency are preferably between 10 and 800 amperes and the amplitudes of the alternating currents having the first frequency are between 12.5 and 1000 amperes.
  • the inductors are supplied with a heating current consisting of alternating current and direct current portions for heating the melt.
  • the heating current should have an alternating current component of at least a predefinable percentage, in particular of at least 10%.
  • the alternating current component should have the at least one frequency, in particular the two frequencies, for generating the at least one traveling field.
  • the first and / or second set of phase-shifted alternating currents has a plurality of mutually non-equidistant phase-shifted alternating currents.
  • the figure shows a schematic representation of the structure of a device 100 or crystallization plant to the directed Solidification of a non-metal melt 130, which is located in a crucible 120.
  • the melt is for example a silicon melt and the crucible 120 represents a, here for example rectangular, quartz crucible.
  • a plurality of inductors 110 are arranged around the crucible 120 in order to induce magnetic fields in the melt 130 by feeding alternating currents.
  • At least one traveling magnetic field should be formed with a frequency that should be at least 50 Hz.
  • the generated magnetic traveling field should turn the melt in vertical
  • both traveling fields Wl and W2 are generated with different frequencies, the fields having the same orientation.
  • both traveling fields extend vertically from top to bottom, ie opposite to the solidification direction Y.
  • inductors 110a to 110c are arranged one above the other in the vertical direction and are connected to a first set of phase-shifted alternating currents IIa. IIb and Ilc and with a second set of phase-shifted
  • the first set of phase-shifted AC currents is supplied at a first frequency f.sub.f, for example 400 Hz.
  • the second set of phase-shifted AC currents is supplied at a second lower frequency f2, which is 20 Hz, for example.
  • a curvature of the phase boundary PG in a desired shape here preferably the convex shape, can be generated according to the invention.
  • reference numerals PG and PG are intended to illustrate how the phase boundary moves progressively from bottom to top (in solidification direction Y) as the time of the crystalline growth increases.
  • the monocrystalline region in the solidifying melt would then become smaller and, under certain circumstances, could even be completely displaced at high ingot heights in the upper region.
  • the inventive. Solution to achieve a specifically controllable and cost-effective production of quasi-mono-silicon with low multicrystalline content and a few areas with crystallographic twin grains because by the generation of the wandering fields (see Wl and W2 in Fig.) A consistent maintenance of a convex phase boundary can be achieved over the entire ingot height.
  • the convexity in the edge region is particularly pronounced in order to obtain by nucleation on the edge Crucible may leak newly formed grains quickly.
  • this prevents the formation of constitutionally supercooled zones and thus crystallographic twins.
  • a two-frequency field is generated with two different frequencies pointing in the same direction.
  • the high-frequency component acts essentially in the vicinity of the crucible edge
  • the appropriate choice of the current strength allows a particularly clear convex deflection or curvature of the phase boundary in the vicinity of the crucible wall to be achieved.
  • the second low-frequency component is used to generate a volume force.
  • the effect of the low-frequency component in the upper region of the melt should be stronger.
  • the upper coils which are used to generate the magnetic field to be applied with higher currents than the lower coils. Consequently, a stronger Lorentz force arises in the upper region of the melt, so that the decreasing influence of the bottom cooling can be compensated.
  • the current strength of the first-mentioned high-frequency component remains constant over the entire height.
  • the convexity of the phase boundary PG can be precisely controlled. For example, by adjusting the frequencies f1 and f2, it can be achieved that the flow Speed at the edge of the pot is relatively large and downward. It can also be achieved that the flow velocity towards the interior of the melt is greater than 0.01 to 2 cm / sec. lies. The course of the Lorentz force density and the resulting flow
  • the speed or influence of convection can be optimally adjusted in particular by the parameterization of the frequencies from propagation directions, phase shifts, amplitudes and geometry of the inductors.
  • the inductors For the generation of the traveling fields, the inductors must be fed with relatively high currents of up to 1000 A, resulting in heating of the inductors due to ohmic losses. Instead of dissipating this heat via cooling measures, it may also be provided that the inductors are used simultaneously as heating elements for the controlled heating of the melt. It is advantageous if, in addition to the alternating currents, which generate the traveling fields, also a heating current is fed, which has only direct current. The ratio of AC components to DC components can be adjusted by the process.
  • AC currents IIa - Ilc and I2a - I2c is formed. It has been found that even a single-frequency traveling field is sufficient to cause a convex curvature of the phase boundary, at least in the edge region. In this case, the alternating currents IIa - Ilc with the corresponding first
  • Frequency fl different current levels, which are dependent on the installation height of the inductors 110 a - 110 c.
  • the current should be greater at the upper inductor 110a than at the lower inductors 110b and 110c.
  • Table 1 indicates a possible parameterization in which the first frequency is 400 Hz and the current intensities for IIa - Ilc are graded as follows; a second frequency or second current strengths I2a-I2c are not fed in this single-frequency example, ie:
  • Table 2 below indicates a possible parameterization in which the first frequency is 300 Hz and a second frequency is 20 Hz.
  • Alternating currents of the first frequency fl are the same size and are each 200 A; the alternating currents with the second frequency f2 are stepped and amount to min. 400 A, ie:
  • IIlb
  • 200 A and
  • the current intensities for the high-frequency alternating currents IIa-Ilc can also be parameterized differently, the values being e.g. be upgraded according to the following Table 3, i.
  • the phase shift between the individual windings is non-equidistant.
  • the vertical arrangement of the inductors essentially represents a partial section of a vertically extending linear mode, which can be energized in sections with different phase-shifted currents.
  • the magnetic fields W1 and W2 produced according to the invention form a convex phase boundary PG or PG, which promotes monocrystalline growth even in the edge region of the crucible and effectively reduces or even eliminates multicrystalline growth.
  • the convexity can be adjusted via the course of the Lorentz force density, which in turn takes place through the parameterization of the current strengths and / or frequencies.
  • the arrangement according to the invention is also suitable for use with rectangular or square crucibles.
  • the windings can in this case also extend rectangularly on the edge of the crucible, without this adversely affecting the mode of operation of the magnetic field generation.
  • the arrangement of the inductors in the vertical direction can also be designed nested inside each other. Preferably, a set of inductors is used, which is energized with both frequencies.
  • a separate set of inductors may be provided for each frequency.
  • the inductors can also be used as a heater.
  • a direct current is fed, wherein the AC component with fl and / or f2 is at least 10%.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze (130), die sich in einem in der Vorrichtung (100) angeordnetem Tiegel (120) befindet, wobei die Vorrichtung (100) eine Vielzahl von Induktoren (110) zur Erzeugung von magnetischen Feldern aufweist. Durch Einspeisen eines ersten Satzes phasenverschobener und eine erste Frequenz (f1) aufweisender Wechselströme (I1a, I1b, I1c) wird ein erstes Wanderfeld (W1) in der Schmelze (130) erzeugt. Durch Einspeisen mindestens eines zweiten Satzes phasenverschobener und eine zweite Frequenz (f2) aufweisender Wechselströme (I2a, I2b, I2c) wird ein zweites Wanderfeld (W2), wobei beide Wander-Felder (W1, W2) sich in dieselbe Richtung bewegen, nämlich entgegen der Erstarrungsrichtung der Schmelze (130). Dadurch wird eine konvexe Krümmung der Phasengrenze (PG, PG') erreicht, was wiederum das monokristalline Wachstum fördert und multikristallines Wachstum unterdrückt, das bei üblichen Verfahren insbesondere im Randbereich des Tiegels (120) auftreten kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren
Nichtmetall-Schmelze
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine danach arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Silizium-Schmelze.
In der Solarindustrie ist es üblich, Siliziumkristalle zur Herstellung von Solarzellen durch gerichtete Erstarrung herzustellen. Dazu wird das Ausgangsmaterial in granulärer Form in einem Quarztiegel geschmolzen, um dann unter Aufbringung eines vertikalen Temperaturgradienten gerichtet zu erstarren. Die so erhaltenen Blöcke, sog. Ingots, werden zu dünnen Siliziumscheiben, sog. Wafern, zersägt, die in weiteren Verfahrensschritten zu Solarzellen verarbeitet werden können.
Die Silizium-Wafer können entweder multikristallin oder monokristallin sein. Dabei weisen Solarzellen aus monokristallinem Material im Allgemeinen höhere Effizienzen auf. Multikristalline Wafer werden zumeist aus Blockerstarrungs-Verfahren gewonnen . Zur Herstellung von monokristallinen Wafern werden bevorzugt großvolumige Einkristalle verwendet, die durch gerichtete Erstarrung aus einer Nichtmetall-Schmelze gewonnen werden. Dazu wird vornehmlich ein Tiegelziehverfahren, nämlich das sogenannte Czochralski-Verfahren genutzt, dessen wesentliche Schritte z.B. in der Internet-Enzyklopädie Wikipedia beschrieben werden (siehe folgenden Link: http : //de . wikipedia . org/wiki/Czochralski-Verfahren) . Der höhere apparative Aufwand und die entsprechend ungünstigere Kostenstruktur dieses Verfahrens im Vergleich zu den Blockerstarrungs-Verfahren kann allenfalls durch die besseren Zellwirkungsgrade des erhaltenen monokristallinen Materials gerechtfertigt werden. Als weiteres grundlegendes Problem des Czochralski-Verfahrens erweist sich der erhöhte
Sauerstoffgehalt des Siliziums im Vergleich zu den Blockerstarrungs-Verfahren . Dies kann zu einer stärkeren Degradation der erhaltenen Solarzellen führen.
Deshalb ist es wünschenswert, ein bekanntes Blockerstarrungs- Verfahren oder ein darauf beruhendes verbessertes Verfahren zur Herstellung von entweder vollständig monokristallinem Silizium oder aber zum Großteil monokristallinem Silizium (sog. Quasi-Mono-Silizium) einzusetzen. Als Erfolg versprechender Weg hat sich die Verwendung von monokristallinen Keimen bzw. Keimelementen herausgestellt, so wie dies z.B. in der DE 10 2007 035 756 AI oder in der WO 2007/084936 A2 beschrieben wird. Demnach wird mindestens ein monokristallines Keimelement auf den Boden eines quadratischen Quarzguttiegels gelegt. Das übrige Rohsilizium wird wie im klassischen Blockerstarrungs-Verfahren direkt oberhalb des Keims in den Tiegel geschichtet. Der Tiegel wird anschließend in einen Ofen zur Blockerstarrung eingebracht. Dieser Ofen weist typischerweise verschiedene Heizzonen auf, d.h. jeweils einen oder mehrere Decken-, Mantel oder Bodenheizer und eine aktive oder passive Kühlung im unteren Bereich der Anlage. Durch eine entsprechende Wahl der Heizleistungen für die verschiedenen Heizzonen des Ofens wird ein Temperaturgradient im Ofen eingestellt, so dass das oben im Tiegel befindliche Rohsilizium geschmolzen wird und der unten im Tiegel befindliche monokristalline Bereich fest bleibt. Dieser monokristalline Bereich dient bei der anschließenden Erstarrung als Keim, so dass ein Einkristall wächst, wobei sich eine in Erstarrungs-Richtung vertikal bewegende Phasengrenze ausbildet. Alternativ kann das einkristalline Wachstum auch ohne Keimvorlage erreicht werden. In diesem Fall wird eine Aussparung im Zentrum des Tiegelbodens genutzt, in der das Ankeimen stattfindet. Durch entsprechende Temperaturführung kann sich das einkristalline Wachstum ausgehend vom dort entstandenen Nukleus im gesamten Tiegel fortsetzen.
Die Temperaturführung beeinflusst die in der Schmelze vorherrschende konvektive Strömung, welche ja im Wesentlichen durch das Temperaturfeld bestimmt wird. Jedoch bestehen auch Möglichkeiten zur Beeinflussung der Strömungen durch Anwendung von stationären oder instationären Magnetfeldern. Es ist an sich bekannt, ein Wandermagnetfeld zu erzeugen, welches die Möglichkeit bietet, mit relativ schwachen Feldstärken einen starken Einfluss auf die Strömungen in der Schmelze zu nehmen.
In der Patentanmeldung WO 2010/060802 A2 wird beschrieben, zwei sich überlagernde Wander-Felder mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen zu erzeugen, wobei das erste Wanderfeld die Schmelze von Unten nach Oben durchläuft und das zweite Wanderfeld die Schmelze von Oben nach Unten durchläuft. Es wird also Zweifrequenz-Magnetfeld erzeugt, dessen eine Frequenzkomponente nach Oben und dessen andere Frequenzkomponente nach Unten durch die Schmelze bzw. den Tiegel wandert. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, die Siliziumnitrid-Beschichtung des Tiegels durch eine möglichst geringe Geschwindigkeit im Randbereich der Schmelze zu schonen. Vorzugsweise wird dazu ein hochfrequentes Feld mit einem niederfrequenten Feld entgegen gesetzter Richtung kombiniert. Die resultierende Lorentzkraft und damit die Strömungs-Geschwindigkeit sind dadurch am Rand geringer während dennoch eine Volumenkraft erhalten bleibt. Diese Maßnahmen zielen also drauf ab, die Tiegelwand-Beschichtung zu schonen; sie zielen weniger darauf ab, die Herstellung von monokristallinen oder quasi-monokristallinen Ingots deutlich zu verbessern.
Aus der Patentanmeldung DE 10 2006 020 234 AI ist eine Vorrichtung zum Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze bekannt. Dort wird ein vertikal verlaufendes Wanderfeld mit Induktor- Strömen derselben Frequenz erzeugt.
In der Patentanmeldung DE 103 49 339 AI wird eine Kristallzüchtungsanlage mit einem Heizer beschrieben, der gleichzeitig einen Induktor zur Erzeugung eines Wandermagnetfeldes darstellt. Dabei wird der Induktor an eine Stromquelle für dreiphasigen Drehstrom angeschlossen, wodurch ebenfalls ein Wandermagnetfeld mit nur einer Frequenz erzeugt wird.
In der WO 2011/076157 AI wird beim Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze ebenfalls ein Wanderfeld erzeugt, um die Schmelzkonvektion zu beeinflussen, wobei ein asymmetrische Verteilung der Lorentzkräfte erreicht werden soll, um eine bessere Durchmischung an der Phasengrenz zu bewirken. Demzufolge sind Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze bekannt, insbesondere Blockerstarrungs- Verfahren, bei denen am Boden des Tiegels mindestens ein monokristallines Keimelement angeordnet wird, von dem ausgehend eine fortschreitende Erstarrung der Schmelze bewirkt wird, wobei sich eine in Erstarrungs-Richtung vertikal bewegende Phasengrenze ausbildet. Außerdem ist es an sich bekannt, in einer Nichtmetall-
Schmelze mittels einer Vielzahl von Induktoren mindestens ein Wanderfeld zu erzeugen, um die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Bereich der Tiegelwand zu reduzieren und somit die Tiegelwand-Beschichtung zu schonen.
Das mit diesem üblichen Blockerstarrungs-Verfahren hergestellte Quasi-Mono-Silizium weist im Allgemeinen zwar einen monokristallinen Bereich im Zentrum auf, enthält jedoch große multikristalline, teils sehr feinkörnige, Bereiche um das Zentrum herum. Dazwischen treten häufig Bereiche auf, in denen sich eine Vielzahl kristallographischer Zwillingskörner befinden. So stammen nur zehn Prozent der erhaltenen Wafer vollständig aus dem monokristallinen Bereich (Photon Mai 2005) . Alle anderen Wafer weisen zumindest multikristalline Bereiche auf oder sind sogar vollständig aus diesen geschnitten. Da mono- und multikristalline Bereiche unterschiedliche Nachbehandlungen - insbesondere unterschiedliche Texturierungen - benötigen, sind Aufwand und Kosten für die anschließende Behandlung hier ungleich höher als bei klassischen Blockerstarrungs-Verfahren .
Dementsprechend wäre mit einer Verfahrensverbesserung, die entweder die multikristallinen Bereiche vollständig eliminiert oder aber sie auf den zu verwerfenden Randbereich des Ingots beschränkt, ein deutlicher Kostenvorteil zu erzielen .
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze, insbesondere ein Blockerstarrungs-Verfahren, zur Herstellung von Silizium-Ingots vorzuschlagen, das in vorteilhafter Weise die eingangs genannten Probleme löst. Insbesondere soll ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Nichtmetall- Schmelze vorgeschlagen werden, das monokristallines Wachstum fördert, so dass auch im Randbereich des Tiegels möglichst kein oder nur sehr wenig multikristallines Wachstum auftritt und die Bildung des von Zwillingen dominierten Zwischenbereichs unterdrückt wird. Das Verfahren sowie eine danach arbeitende Vorrichtung sollen für die Herstellung von monokristallinen oder zumindest quasi-monokristallinen Ingots, welche auch im Randbereich einen hohen Reinheitsgrad bzgl. der monokristallinen Struktur aufweisen, besonders gut geeignet sein.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. Demnach wird vorgeschlagen, zumindest ein einfrequentes magnetisches Wander-Feld in der Schmelze zu erzeugen, indem die Induktoren mit mindestens einem Satz phasenverschobener und eine vorgebbare Frequenz aufweisender Wechselströme gespeist werden, wodurch zumindest im Randbereich des Tiegels eine Krümmung der Phasengrenze bewirkt wird, die sich in Form einer in Erstarrungsrichtung konvex gewölbten Fläche darstellt. Die Schmelze wird von dem mindestens einen erzeugten magnetischen Wander-Feld in einer der Erstarrungs- Richtung entgegen gesetzten Richtung durchlaufen und die vorgebare Frequenz des Wander-Feldes beträgt mindestens 50 Hz.
Die Erfindung beruht nämlich auf der Erkenntnis, dass die unerwünschten multikristallinen Bereiche im Quasi-Mono- Silizium im Wesentlichen durch Nukleationsprozesse an der Tiegelwand entstehen. Denn einerseits kann der monokristalline Keim nicht vollflächig seitlich bündig im Tiegel eingelegt werden, wodurch zwangsweise ein polykristalliner Randbereich in Kauf genommen werden muss. Andererseits entstehen im Verlauf der Erstarrung an der Tiegelwand kontinuierlich neue Kristallite, die das monokristalline Wachstum stören können, indem sie schräg in die monokristallinen Bereiche einwachsen können.
Zusätzlich entstehen am Rand des monokristallinen Bereichs kristallographische Zwillinge, die in konstitutionell unterkühlten Zonen direkt am Monokristall nukleieren können. Derartige unterkühlte Zonen entstehen durch zu geringe Konvektionsbewegungen und damit Durchmischung der Schmelze, die zum Anreichern der Schmelze mit Verunreinigungen vor der Phasengrenze führen und damit lokal zu einer Absenkung der Erstarrungstemperatur der Schmelze. Dies geschieht insbesondere in Zonen in denen eine auch makroskopisch konvex gebogene Phasengrenze lokal ein konkaves Profil aufweist. Insbesondere ist dies in Tiegelwandnähe häufig der Fall. Dementsprechend muss für eine gut kontrollierte Quasimono- Kristallisation stets eine ausreichende Durchmischung gewährleistet und eine zumindest leicht konvexe Phasengrenze in den kritischen Bereichen aufrechterhalten werden.
Zudem kann die Bildung von multikristallinen Bereichen, im Quasi-Mono-Silizium in geringerem Maße auch noch durch die Multiplikation von Versetzungen entstehen, die zu Versetzungsbündelungen führen. Denn aus diesen
Versetzungskaskaden kann sich gelegentlich ein multikristalliner Bereich spontan herausbilden.
Allerdings haben die Erfinder erkannt, dass im Wesentlichen die oben beschriebenen Zwillingsbildungsprozesse und an der Tiegelwand auftretenden Nukleationsprozesse zur Bildung und Ausbreitung von Zwilllings- und multikristallinen Bereiche führen und dass diese Ursache effektiv durch die hier vorgeschlagene Erfindung unterdrückt werden kann.
Denn das Einwachsen der Kristallite vom Tiegel in Richtung Ingotzentrum wird wirksam verhindert, indem während der gesamten Erstarrung eine konvexe Phasengrenze aufrecht erhalten wird. Dies könnte zwar durch eine exakte Temperaturführung versucht werden; es hat sich aber gezeigt, dass die erfindungsgemäße Erzeugung von mindestens einem Wanderfeld, das insbesondere auf den Randbereich der Schmelze in einer der Erstarrungs-Richtung entgegengesetzten Richtung einwirkt, in vielerlei Hinsicht vorteilhaft ist.
So ist die exakte Einstellung der Phasengrenze mit einem Wandermagnetfeld deutlich präziser möglich als ausschließlich anhand einer Temperaturführung. Das mindestens eine Wandermagnetfeld sollte in Bezug auf die Querachse (X-Achse) eine möglichst symmetrische Verteilung der Lorentzkraftdichte bewirken. Zudem hat sich gezeigt, das bei reiner Temperaturführung die Konvexität der Phasengrenze über die Ingothöhe abnimmt, da die Wärmeleitung im erstarrten Kristall deutlich schlechter ist als in der Schmelze.
Die vorliegende Erfindung schlägt als weitere Ausgestaltung vor, zwei magnetische Wander-Felder verschiedener Frequenzen zu erzeugen, wobei diese gleichsinnig die Schmelze durchlaufen und zwar beide in einer der Erstarrungs-Richtung entgegengesetzten Richtung, wodurch eine erhöhte Konvektion und eine noch besser einstellbare Krümmung der Phasengrenze bewirkt wird, die sich in Form einer in Erstarrungsrichtung konvex gewölbten Fläche darstellt. Während die hochfrequente Komponente (erste Frequenz) im Wesentlichen in Randnähe wirkt, kann durch die passende Wahl der Stromstärke eine besonders deutliche (symmetrische) Durchbiegung der Phasengrenze und eine verbesserte Durchmischung in Tiegelwandnähe erreicht werden. Gleichzeitig wird die zweite niederfrequente Komponente (zweite Frequenz) für die Erzeugung einer Volumenkraft genutzt. Beide Frequenzen gemeinsam gewährleisten so eine konvexe Form der Phasengrenze über die gesamte Kristallisationsfront und erhöhen zudem die Konvektion und damit die Durchmischung, so dass die Ausbildung von konstitutionell unterkühlten Zonen effektiv verhindert wird.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet zum Einsatz in einen Schmelzofen bzw. Kessel für Silizium-Schmelzen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist es vorteilhaft,
wenn die Induktoren an dem Tiegel in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung angeordnet werden, wobei mindestens zwei Induktoren an mindestens zwei Bereichen der Schmelze angeordnet sind, die vom Boden des Tiegels betrachtet in verschieden hohen Positionen angeordnet sind, wobei ein oberer Induktor an einem oberen Bereich der Schmelze und zumindest ein mittlerer oder unterer Induktor an einem mittleren oder unteren Bereich der Schmelze angeordnet ist, wobei die Induktoren mit den Wechselströmen so beaufschlagt werden, dass die Amplituden der in den oberen und mittleren oder unteren Induktoren fließenden Wechselströme unterschiedlich groß sind.
Vorzugsweise ist die Amplitude des in dem oberen Induktor fließenden Wechselstroms größer ist als die Amplitude des in dem mittleren und/oder unteren Induktor fließenden Wechselstroms .
Es können auch zumindest drei Induktoren angeordnet sein, wobei ein oberer Induktor an einem oberen Bereich der Schmelze, ein mittlerer Induktor an einem mittleren Bereich der Schmelze und ein unterer Induktor an einem unteren Bereich der Schmelze angeordnet ist, wobei die Induktoren mit den Wechselströmen so beaufschlagt werden, dass die Amplitude des in dem oberen Induktor fließenden Wechselstroms größer ist als die Amplitude des in dem mittleren und/oder unteren Induktor fließenden Wechselstroms.
Vorzugsweise werden die zumindest drei Induktoren mit den Wechselströmen so beaufschlagt, dass die Amplituden der in dem oberen Induktor, dem oder der mittleren Induktoren und dem unteren Induktor fließenden Wechselströme unterschiedlich groß sind. Dabei nimmt die Amplitude der in den Induktoren fließenden Wechselströmen vom oberen Induktor zum unteren Induktor hin ab bzw. ist zumindest im oberen Induktor größer als im unteren Induktor wobei die Amplitude in einem mittleren Induktor ein Maximum aufweisen kann.
Es ist von Vorteil, wenn zwei magnetische Wander-Felder erzeugt werden, indem die Induktoren mit dem ersten Satz der phasenverschobenen und die vorgebbare erste Frequenz aufweisenden Wechselströme gespeist werden sowie mit einem zweiten Satz phasenverschobener und eine vorgebbare zweite Frequenz aufweisender Wechselströme gespeist werden. Hierdurch wird im Randbereich und Innenbereich des Tiegels eine Krümmung der Phasengrenze bewirkt, die sich in Form einer in Erstarrungsrichtung konvex gewölbten Fläche darstellt. In diesem Zusammenhang ist die die erste Frequenz vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie die zweite Frequenz; insbesondere beträgt die erste Frequenz mindestens
250 Hz und beträgt die zweite Frequenz höchstens 50 Hz.
Vorzugsweise haben die die zweite Frequenz aufweisenden Wechselströme eine zweite Amplitude oder mehrere zweite Amplituden; und die die erste Frequenz aufweisenden Wechselströme haben eine erste Amplitude oder mehrere erste Amplituden, die größer, insbesondere um mindestens 20% größer, als die zweite Amplitude ist bzw. als die zweiten Amplituden sind.
Unabhängig davon oder zusätzlich dazu ist es vorteilhaft, wenn die Induktoren an dem Tiegel in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung angeordnet werden, wobei ein oberer Induktor an einem oberen Bereich der Schmelze, zumindest ein mittlerer Induktor an einem mittleren Bereich der Schmelze und ein unterer Induktor an einem unteren Bereich der Schmelze angeordnet ist. Dabei werden die Induktoren mit den Wechselströmen, die die erste Frequenz oder die zweite Frequenz aufweisen, so beaufschlagt, dass die Amplituden der in den oberen, mittleren und unteren Induktoren fließenden Wechselströme unterschiedlich groß sind. In diesem Zusammenhang sollten die Induktoren mit den die zweite Frequenz aufweisenden Wechselströmen so beaufschlagt werden, dass die Amplitude des in dem oberen Induktor fließenden Wechselstroms größer ist als die Amplitude des in dem mittleren und/oder unteren Induktor fließenden Wechselstroms.
Vorzugsweise liegen die Amplituden der die zweite Frequenz aufweisenden Wechselströme zwischen 10 und 800 Ampere liegen und liegen die Amplituden der die erste Frequenz aufweisenden Wechselströme zwischen 12,5 und 1000 Ampere.
Es kann auch vorteilhaft sein, wenn zwei Sätze von Induktoren an dem Tiegel angeordnet werden, von denen der eine Satz mit den die erste Frequenz aufweisenden Wechselströmen gespeist wird und der andere Satz mit den die zweite Frequenz aufweisenden Wechselströmen gespeist wird. Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Induktoren mit einem aus Wechselstrom- und Gleichstromanteilen bestehenden Heizstrom zum Heizen der Schmelze versorgt werden. Dabei sollte der Heizstrom einen Wechselstromanteil von mindestens einem vorgebbaren Prozentsatz, insbesondere von mindestens 10%, aufweisen. Und der Wechselstromanteil sollte die mindestens eine Frequenz, insbesondere die zwei Frequenzen, zur Erzeugung des mindestens einen Wander-Feldes aufweisen.
Desweiteren kann es vorteilhaft sein, wenn der erste und/oder zweite Satz phasenverschobener Wechselströme mehrere zueinander nicht-äquidistant phasenverschobene Wechselströme aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung im Detail anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei auf die beiliegende (einzige) Figur Bezug genommen wird.
Die Figur zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung 100 bzw. Kristallisations-Anlage zum gerichteten Erstarren einer Nichtmetall-Schmelze 130, die sich in einem Tiegel 120 befindet. Die Schmelze ist beispielsweise eine Silizium-Schmelze und der Tiegel 120 stellt einen, hier beispielsweise rechteckigen, Quarztiegel dar. Von außen sind mehrere Induktoren 110 um den Tiegel 120 herum angeordnet, um durch Einspeisung von Wechselströmen magnetische Felder in die Schmelze 130 zu induzieren. Es sollte mindestens ein magnetisches Wander-Feld mit einer Frequenz ausgebildet werden, die zumindest 50 Hz betragen sollte. Das erzeugte magnetische Wander-Feld sollte die Schmelze in vertikaler
Richtung und entgegen der Erstarrungsrichtung durchlaufen, wodurch die Schmelze im Randbereich so beeinflusst wird, dass die Phasengrenze PG zwischen Flüssigphase und Festphase eine konvexe Krümmung erfährt .
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei Wander- Felder Wl und W2 mit verschiedenen Frequenzen erzeugt, wobei die Felder dieselbe Ausrichtung haben. Vorzugsweise verlaufen beide Wander-Felder vertikal von Oben nach Unten, also entgegen der Erstarrungsrichtung Y.
Beispielsweise sind drei Induktoren 110a bis 110c in vertikaler Richtung übereinanderliegend angeordnet und werden mit einem ersten Satz phasenverschobener Wechselströme IIa. IIb und Ilc sowie mit einem zweiten Satz phasenverschobener
Wechselströme I2a, I2b und I2c gespeist. Der erste Satz phasenverschobener Wechselströme wird mit einer ersten Frequenz fl eingespeist, die beispielsweise 400 Hz beträgt. Der zweite Satz phasenverschobener Wechselströme wird mit einer zweiten niedrigeren Frequenz f2 eingespeist, die beispielsweise 20 Hz beträgt.
Durch die Überlagerung der so erzeugten Wechselfelder Wl und W2 ergibt sich ein Zweifrequenz-Wanderfeld, das die erstarrende Schmelze 130 vertikal von Oben nach Unten durchdringt. Über die Einstellung der Parameter, insbesondere der Frequenzen fl und f2 und/oder der Stromamplituden kann erfindungsgemäß eine Krümmung der Phasengrenze PG in einer gewünschten Form, hier vorzugsweise die konvexe Form, erzeugt werden. In der Fig. soll durch die Bezugszeichen PG und PG veranschaulicht werden, wie mit zunehmender Zeitdauer des kristallinen Wachstums sich die Phasengrenze fortschreitend von Unten nach Oben (in Erstarrungsrichtung Y) bewegt.
Ohne den Einsatz eines Ein-, Zwei- oder sogar Mehrfrequenz- Wander-Feldes würde bei den üblichen Verfahren mit Wachstumsgeschwindigkeiten größer 5mm/h ab einer Höhe von 200mm bis 250mm ein Umschlag auf die unerwünschte konkave Grenzform zu beobachten sein. Mit einer Temperaturführung könnte man diesem Effekt nicht wirksam entgegen treten. Denn für eine gezielte Ausformung der Phasengrenze im Randbereich der Schmelze kann die Temperaturführung nicht oder nur sehr beschränkt eingesetzt werden, da diese von Wärmeleitfähigkeit des Tiegels, des Kristalls und der Schmelzströmung abhängt.
Dementsprechend würde dann der einkristalline Bereich in der erstarrenden Schmelze immer kleiner und könnte bei großen Ingothöhen im oberen Bereich unter Umständen sogar vollständig verdrängt werden.
Hingegen kann die erfindungsgemäße. Lösung eine gezielt steuerbare und kostengünstige Herstellung von Quasi-Mono- Silizium mit geringem multikristallinem Anteil und wenigen Bereichen mit kristallographischen Zwillingskörnern erzielen, weil durch die Erzeugung der Wander-Felder (s. Wl und W2 in der Fig. ) ein beständiges Aufrechterhalten einer konvexen Phasengrenze über die gesamte Ingothöhe erreicht werden kann. Insbesondere kann erreicht werden, dass die Konvexität im Randbereich besonders ausgeprägt ist, um durch Nukleation am Tiegel möglicherweise neu entstandene Körner schnell auslaufen zu lassen. Zusätzlich wird so die Entstehung von konstitutionell unterkühlten Zonen und damit kristallographischen Zwillingen verhindert. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Zweifrequenzfeld mit zwei unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, die in dieselbe Richtung weisen. Während die hochfrequente Komponente im Wesentlichen in der Nähe des Tiegelrandes wirkt, kann durch die passende Wahl der Stromstärke eine besonders deutliche konvexe Durchbiegung bzw. Krümmung der Phasengrenze in Tiegelwandnähe erreicht werden. Gleichzeitig wird die zweite niederfrequente Komponente für die Erzeugung einer Volumenkraft genutzt.
Um den nachlassenden Einfluss der Bodenkühlung mit fortschreitender Kristallisationshöhe auszugleichen, soll die Wirkung der niederfrequenten Komponente im oberen Bereich der Schmelze stärker wirken. Dazu werden die oberen Spulen, die zur Erzeugung des Magnetfelds genutzt werden mit höheren Stromstärken beaufschlagt werden als die unteren Spulen. Folglich entsteht eine stärkere Lorentzkraft im oberen Bereich der Schmelze, so dass der nachlassende Einfluss der Bodenkühlung kompensiert werden kann. Die Stromstärke der zuerst genannten hochfrequenten Komponente bleibt hingegen über die gesamte Höhe konstant. Durch diese Kombination der Feldkomponenten ist es möglich, die Kristallisation ausgehend von einem monokristallinen Keim sowohl über den Ingot- querschnitt als auch die Ingothöhe durchgehend konvex zu führen .
Durch die Wahl der Parameter Stromstärke und/oder Frequenz kann die konvexe Ausprägung der Phasengrenze PG genau gesteuert werden. Beispielsweise kann durch Einstellung der Frequenzen fl und f2 erreicht werden, dass die Strömungs- Geschwindigkeit am Tiegelrand verhältnismäßig groß und abwärtsgerichtet ist. Auch kann erreicht werden, dass die Strömungs-Geschwindigkeit zum Inneren der Schmelze hin größer als 0,01 bis 2 cm/sec. liegt. Der Verlauf der Lorentz- kraftdichte und der sich daraus ergebenden Strömungs-
Geschwindigkeit bzw. Beeinflussung der Konvektion kann insbesondere durch die Parametrisierung der Frequenzen aus Ausbreitungsrichtungen, Phasenverschiebungen, Amplituden und Geometrie der Induktoren optimal eingestellt werden. Für die Erzeugung der Wander-Felder müssen die Induktoren mit relativ hohen Strömen von bis zu 1000 A gespeist werden, wodurch wegen Ohmscher Verluste eine Erwärmung der Induktoren entsteht. Anstatt diese Wärme über Kühlmaßnahmen abzuleiten, kann es auch vorgesehen sein, dass die Induktoren gleichzeitig als Heizelemente zur kontrollierten Erhitzung der Schmelze eingesetzt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn zusätzlich zu den Wechselströmen, welche die Wander- Felder erzeugen, auch noch ein Heizstrom eingespeist wird, der nur Gleichstrom aufweist. Das Verhältnis von Wechselstromanteilen zu Gleichstromanteilen kann prozessbedingt eingestellt werden.
Zur Ausprägung der konvexen Form der Phasengrenze PG ist die räumliche Verteilung der Lorentzkraftdichten entscheidend, die wiederum insbesondere durch Parametrisierung der
Wechselströme IIa - Ilc sowie I2a - I2c ausgebildet wird. Dabei hat sich gezeigt, dass bereits ein einfrequentes Wanderfeld ausreicht, um zumindest im Randbereich eine konvexe Krümmung der Phasengrenze zu bewirken. Dabei sollten die Wechselströme IIa - Ilc mit der entsprechenden ersten
Frequenz fl verschiedene Stromstärken aufweisen, die abhängig von der Einbauhöhe der Induktoren 110a - 110c sind. Insbesondere sollte die Stromstärke an dem oberen Induktor 110a größer sein als an den unteren Induktor 110b und 110c. Die folgende Tabelle 1 gibt eine mögliche Parametrisierung an, bei der die erste Frequenz 400 Hz beträgt und die Stromstärken für IIa - Ilc wie folgt abgestuft werden; eine zweite Frequenz bzw. zweite Stromstärken I2a - I2c werden bei diesem Einfrequenzbeispiel nicht eingespeist, d.h.:
|lla| > |llb| > |llc| und |l2a| = |l2b| = |l2c| = 0
Tabelle 1 (Einfrequenzbeispiel: fl = 400 Hz, f2
Figure imgf000018_0001
Die nachfolgende Tabelle 2 gibt eine mögliche Parametrisierung an, bei der die erste Frequenz 300 Hz beträgt und eine zweite Frequenz 20 Hz beträgt. Die
Wechselströme mit der ersten Frequenz fl sind gleichgroß und betragen jeweils 200 A; die Wechselströme mit der zweiten Frequenz f2 sind abgestuft und betragen min. 400 A, d.h.: |lla| = IIlb| = |llc|= 200 A und |l2a| > |l2b| > |l2c|
Tabelle 2 (Zweifrequenzbeispiel: fl = 300 Hz, f2 = 20 Hz)
Induktor/Wicklung 110a 110b 110c
fl in Hz 300 300 300
f2 in Hz 20 20 20
IIa in A 200
IIb in A - Ilc in A - - 200
I2a in A 800 - -
I2b in A - 600 -
I2c in A - 400
Des Weiteren können aber auch die Stromstärken für die hochfrequenten Wechselströme IIa - Ilc unterschiedlich parametrisiert werden, wobei die Werte z.B. nach der folgenden Tabelle 3 aufgestuft werden, d.h.:
I Ila| < |llb| < I Ilc| und | I2a| > | I2b | > | I2c|
Tabelle 3 (Zweifrequenzbeispiel: fl = 300 Hz, f2 = 20 Hz)
Figure imgf000019_0001
Wie die Tabelle 3 beispielhaft zeigt, können die mit der höheren Frequenz fl eingespeisten Stromstärken Ila-Ilc von
Oben nach Unten aufgestuft werden, wohingegen die mit der niedrigen Frequenz f2 eingespeisten Stromstärken I2a-I2c von Unten nach Oben aufgestuft werden können.
Bei der Bestromung der Induktoren bzw. Wicklungen kann auch vorgesehen sein, dass die Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Wicklungen nicht-äquidistant ist. Denn die vertikale Anordnung der Induktoren stellt im wesentlichen einen Teilabschnitt eines sich in vertikaler Richtung erstreckenden Linearmodus dar, der abschnittsweise mit verschiedenartig phasenverschobenen Strömen bestromt werden kann .
Durch die erfindungsgemäß erzeugten Magnetfelder Wl und W2 wird eine konvexe Phasengrenze PG bzw. PG ausgebildet, die auch im Randbereich des Tiegels ein monokristallines Wachstum fördert und multikristallines Wachstum effektiv vermindert oder gar eliminiert. Die Konvexität kann über den Verlauf der Lorentzkraftdichte eingestellt werden, was wiederum durch die Parametrisierung der Stromstärken und/oder Frequenzen erfolgt.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch geeignet, um bei rechteckförmigen bzw. quadratischen Schmelztiegeln eingesetzt zu werden. Die Wicklungen können in diesem Fall ebenfalls rechteckförmig am Rande des Tiegels verlaufen, ohne dass hierdurch die Funktionsweise der Magnetfelderzeugung nachteilig beeinflusst wird. Die Anordnung der Induktoren in vertikaler Richtung kann auch verschachtelt ineinander gestaltet sein. Vorzugsweise wird ein Satz von Induktoren eingesetzt, der mit beiden Frequenzen bestromt wird.
Alternativ kann auch für jede Frequenz ein eigener Satz von Induktoren vorgesehen werden. Außerdem können die Induktoren auch als Heizer eingesetzt werden. Dazu wird auch ein Gleichstrom eingespeist, wobei der Wechselstromanteil mit fl und/oder f2 mindestens 10% beträgt. Insgesamt ergibt sich eine sehr effektive Vorrichtung zum Erstarren von Nichtmetall-Schmelzen, insbesondere von Silizium-Schmelzen, wobei ein kontrolliertes vertikales Wachstum von monokristallinem bzw. quasimonokristallinem Silizium ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste
100 Vorrichtung (hier: Schmelzofen) zur Durchführung de
Verfahrens
110 Induktoren (horizontal verlaufende Wicklungen)
110a - 110c Wicklungen der Induktoren
120 Tiegel, hier: Quarzglastiegel mit Innenbeschichtung
130 Schmelze, hier: Silizium-Schmelze
140 monokristalline Keimelemente
IIa- Ilc erster Satz phasenverschobener Wechselströme I2a- I2c erster Satz phasenverschobener Wechselströme
Wl, W2 erstes bzw. zweites Wanderfeld
(beide gleichsinnig gerichtet, entgegen der Erstarrungsrichtung)
fl, f2 erste bzw. zweite Frequenz des jeweils erzeugten
Wanderfeldes Wl bzw. W2

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Nichtmetall- Schmelze (130), die sich in einem Tiegel (120)
befindet, wobei am Boden des Tiegels mindestens ein monokristallines Keimelement (140) angeordnet ist, von dem ausgehend eine fortschreitende Erstarrung der
Schmelze (130) bewirkt wird, wobei sich eine in
Erstarrungs-Richtung (Y) vertikal bewegende
Phasengrenze (PG, ΡΘΛ) ausbildet,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Schmelze (130) mittels einer Vielzahl von
Induktoren (110) mindestens ein magnetisches Wander- Feld (Wl) erzeugt wird, indem die Induktoren (110) mit mindestens einem Satz phasenverschobener und eine vorgebbare Frequenz (fl) aufweisender Wechselströme (IIa, IIb, Ilc) gespeist werden, wodurch zumindest im Randbereich des Tiegels (120) eine Krümmung der
Phasengrenze (PG, PG ) bewirkt wird, die sich in Form einer in Erstarrungsrichtung (Y) konvex gewölbten
Fläche darstellt, wobei
die Schmelze (130) von dem mindestens einen erzeugten
magnetischen Wander-Feld (Wl) in einer der Erstarrungs- Richtung (Y) entgegengesetzten Richtung (-Y)
durchlaufen wird, und die vorgebare Frequenz (fl) mindestens 50 Hz beträgt.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (110) an dem Tiegel (120) in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung angeordnet werden, wobei mindestens zwei Induktoren (110a, 110b) an mindestens zwei Bereichen der Schmelze (130) angeordnet sind, die vom Boden des Tiegels betrachtet in verschieden hohen Positionen angeordnet sind, wobei ein oberer Induktor (110a) an einem oberen Bereich der Schmelze (130) und zumindest ein mittlerer oder unterer Induktor (110b) an einem mittleren oder unteren Bereich der Schmelze (130) angeordnet ist, wobei die Induktoren (110) mit den Wechselströmen (IIa, IIb) so beaufschlagt werden, dass die Amplituden der in den oberen und mittleren oder unteren Induktoren (110a, 110b) fließenden
Wechselströme unterschiedlich groß sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das dass die Amplitude des in dem oberen Induktor (110a) fließenden Wechselstroms größer ist als die Amplitude des in dem mittleren und/oder unteren Induktor (110b;) fließenden Wechselstroms.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass zumindest drei Induktoren
angeordnet sind, wobei ein oberer Induktor (110a) an einem oberen Bereich der Schmelze (130), ein mittlerer Induktor (110b) an einem mittleren Bereich der Schmelz (130) und ein unterer Induktor (110a) an einem unteren Bereich der Schmelze (130) angeordnet ist, wobei die Induktoren (110) mit den Wechselströmen (IIa, IIb, Ilc so beaufschlagt werden, dass die Amplitude des in dem oberen Induktor (110a) fließenden Wechselstroms größer ist als die Amplitude des in dem mittleren und/oder unteren Induktor (110b; 110c) fließenden Wechselstroms Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmelze (130) mittels der Vielzahl von Induktoren (110) zwei
magnetische Wander-Felder (Wl, W2 ) erzeugt werden, indem die Induktoren (110) mit dem ersten Satz der phasenverschobenen und die vorgebbare erste Frequenz (fl) aufweisenden Wechselströme (IIa, IIb, Ilc) gespeist werden sowie mit einem zweiten Satz
phasenverschobener und eine vorgebbare zweite Frequenz (f2) aufweisender Wechselströme (I2a, I2b, I2c) gespeist werden, wodurch im Randbereich und
Innenbereich des Tiegels (120) eine Krümmung der
Phasengrenze (PG, PG ) bewirkt wird, die sich in Form einer in Erstarrungsrichtung (Y) konvex gewölbten Fläche darstellt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das die erste Frequenz (fl) mindestens doppelt so groß ist wie die zweite Frequenz (f2), insbesondere dass die erste Frequenz (fl) mindestens 250 Hz beträgt und dass die zweite Frequenz (f2) höchstens 50 Hz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die zweite Frequenz (f2) aufweisenden Wechselströme (I2a, I2b, I2c) eine zweite Amplitude oder mehrere zweite Amplituden aufweisen, und dass die die erste Frequenz (fl) aufweisenden Wechselströme (IIa, IIb, Ilc) eine erste Amplitude oder mehrere erste Amplituden aufweisen, die größer, insbesondere um mindestens 20% größer, als die zweite Amplitude ist bzw. als die zweiten Amplituden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (110) an dem Tiegel (120) in einer sich vertikal erstreckenden Anordnung angeordnet werden, wobei ein oberer Induktor (110a) an einem oberen Bereich der Schmelze (130) , zumindest ein mittlerer Induktor (110b) an einem mittleren Bereich der Schmelze (130) und ein unterer Induktor (110a) an einem unteren Bereich der Schmelze
(130) angeordnet ist, wobei die Induktoren (110) mit den Wechselströmen (IIa, IIb, Ilc; I2a, I2b, I2c) , die die erste Frequenz (fl) oder die zweite Frequenz (f2) aufweisen, so beaufschlagt werden, dass die Amplituden der in den oberen, mittleren und unteren Induktoren
(110a, 110b, 110c) fließenden Wechselströme
unterschiedlich groß sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (110) mit den die zweite Frequenz (f2) aufweisenden Wechselströmen (I2a, I2b, I2c) so
beaufschlagt werden, dass die Amplitude des in dem oberen Induktor (110a) fließenden Wechselstroms größer ist als die Amplitude des in dem mittleren und/oder unteren Induktor (110b; 110c) fließenden Wechselstroms.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplituden der die zweite Frequenz (f2) aufweisenden Wechselströme ( I2a, I2b, I2c) zwischen 10 und 800 Ampere liegen und dass die
Amplituden der die erste Frequenz (fl) aufweisenden Wechselströme ( IIa, IIb, Ilc) zwischen 10 und 1000 Ampere liegen .
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sätze von Induktoren an dem Tiegel angeordnet werden, von denen der eine Satz einer mit den die erste Frequenz aufweisenden Wechselströmen gespeist wird und der andere Satz mit den die zweite Frequenz aufweisenden Wechselströmen gespeist wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktoren (110) auch mit einem aus Wechselstrom- und Gleichstromanteilen bestehenden Heizstrom zum Heizen der Schmelze (130) versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom einen Wechselstromanteil von mindestens einem vorgebbaren Prozentsatz, insbesondere von mindestens 10%, aufweist, wobei der
Wechselstromanteil die mindestens eine Frequenz, insbesondere die zwei Frequenzen (fl, f2), zur
Erzeugung des mindestens einen Wander-Feldes (Wl, W2) aufweist .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder zweite Satz phasenverschobener Wechselströme mehrere
zueinander nicht-äquidistant phasenverschobene
Wechselströme aufweist.
Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer
Nichtmetall-Schmelze (130), wobei die Vorrichtung einen die Schmelze (130) aufnehmenden Tiegel (120) aufweist und wobei am Boden des Tiegels mindestens ein
monokristallines Keimelement (140) angeordnet ist, von dem ausgehend die Schmelze (130) fortschreitend erstarrt, wobei sich eine in Erstarrungs-Richtung (Y) vertikal bewegende Phasengrenze (PG, PG Λ ) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung eine an dem Tiegel (120) angeordnete Vielzahl von Induktoren (110) aufweist, die in der Schmelze (130) mindestens ein magnetisches Wander-Feld (Wl) erzeugen, indem die Induktoren (110) mit mindestens einem Satz phasenverschobener und eine vorgebbare Frequenz (fl) aufweisender Wechselströme (IIa, IIb, Ilc) beaufschlagt sind, wodurch zumindest Randbereich des Tiegels (120) eine Krümmung der
Phasengrenze (PG, PG λ ) bewirkt wird, die sich in Form einer in Erstarrungsrichtung (Y) konvex gewölbten
Fläche darstellt, dass
das mindestens eine erzeugte magnetische Wander-Feld (Wl) die Schmelze (130) in einer der Erstarrungs- Richtung (Y) entgegengesetzten Richtung (-Y)
durchläuft, und dass die vorgebare Frequenz (fl) mindestens 50 Hz beträgt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für die Durchführung des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 14 beschaffen
PCT/EP2012/063036 2011-07-06 2012-07-04 Verfahren und vorrichtung zum gerichteten erstarren einer nichtmetall-schmelze WO2013004745A1 (de)

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