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Die
Erfindung betrifft einen Behälter
zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nichteisenmetallen, insbesondere
von Silizium. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Behälters. Die
Erfindung betrifft des weiteren die Verwendung eines erfindungsgemäßen Behälters zur
Aufnahme von Siliziumschmelzen.
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Aus
der
EP 0 963 464 B1 ist
ein Behälter
zur Aufnahme von flüssigem
Silizium und zur Kristallisation des flüssigen Siliziums bekannt, der
mit einer Beschichtung aus Siliziumnitrid versehen ist. Die Beschichtung
aus Siliziumnitrid soll zur Vermeidung von Anhaftungen der erstarrenden
Siliziumschmelze an der Innenwand des Behälters dienen. Zum Aufbringen
des Siliziumnitrids wird diesem ein organisches Bindehilfsmittel
zugesetzt. Um eine ausreichende Dicke der Beschichtung auf dem Behälter zu
erzielen, wird die Beschichtung zumeist sukzessive in mehreren Lagen
aufgetragen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Behälter zum Schmelzen und/oder
Kristallisieren von Nichteisenmetallen sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines derartigen Behälters
zu schaffen, bei dem die Güte
von aus dem Nichteisenmetall hergestellten elektronischen Bauelementen
verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und
11 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass zumindest auf einem Teil
der Innenwand des Behälters
mindestens eine multifunktionale Beschichtung angeordnet ist. Die
mindestens eine multifunktionale Beschichtung weist mindestens eine
erste Schicht zur Beeinflussung einer Materialeigenschaft des in
dem Behälter aufgenommenen
Nichteisenme talls, insbesondere des Siliziums, und eine von der
ersten Schicht unterschiedliche zweite Schicht auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Zusätzliche
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
mehrerer Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Behälters zum Schmelzen und/oder
Kristallisieren von Nichteisenmetallen mit einer Beschichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine
nicht maßstäbliche Schnittdarstellung
einer Innenwand des Behälters
nach 1 mit der Beschichtung,
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3 eine
nicht maßstäbliche Schnittdarstellung
der Innenwand eines Behälters
mit einer Beschichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel,
und
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4 eine
nicht maßstäbliche Schnittdarstellung
der Innenwand eines Behälters
mit mehreren Beschichtungen gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Ein als Ganzes mit 1 bezeichneter
Behälter
zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nichteisenmetallen 2,
insbesondere von Silizium, weist einen Behälter-Grundkörper 3 und eine darauf
angeordnete multifunktionale Beschichtung 4 auf. Der Behälter-Grundkörper 3 ist
in Form eines offenen Quaders ausgebildet und begrenzt durch eine
Innenwand 5 einen quaderförmigen Innenraum 6 nach
fünf Seiten.
Zur Begrenzung des Innenraums 6 weist die Innenwand 5 eine
Bodenfläche 7,
eine erste Seitenfläche 8 und
eine zweite Seitenfläche 9 sowie
eine erste Stirnfläche 10 und
eine zweite Stirnfläche 11 auf.
Zum Einfüllen
des Siliziums 2 ist der Behälter 1 nach oben hin
offen. Von der Umgebung wird der Behälter-Grundkörper 3 durch eine
Außenwand 12 abgegrenzt.
Der Behälter-Grundkörper 3 besteht
aus Quarz, Graphit oder Keramik. Alternativ ist auch die Verwendung
runder Behälter-Grundkörper 3 möglich.
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Die
multifunktionale Beschichtung 4 weist eine Schicht 13 auf,
die flächig
auf der Innenwand 5 angeordnet ist. Die Schicht 13 weist
mehrere sukzessive aufgetragene Lagen 14 auf, die in 2 gestrichelt
angedeutet sind.
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Die
Schicht 13 weist einen ersten Schicht-Bestandteil 15 und
einen von dem ersten Schicht-Bestandteil 15 unterschiedlichen
zweiten Schicht-Bestandteil 16 auf.
Die Schicht-Bestandteile 15, 16 dienen jeweils
zur Beeinflussung mindestens einer Materialeigenschaft des in dem
Behälter 1 aufgenommenen
Siliziums 2, wobei die Schicht-Bestandteile 15, 16 mindestens
eine Materialeigenschaft beeinflussen, die der jeweils andere Schicht-Bestandteil 15, 16 nicht
beeinflusst.
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Mittels
der Schicht-Bestandteile 15, 16 ist als Beeinflussung
einer Materialeigenschaft eine Reduzierung der Anhaftneigung des
Siliziums 2 an der Schicht 13 und der Innenwand 5,
eine Verbesserung der Reinheit des Siliziums 2, eine Veränderung
der Dotierung des Siliziums 2 und/oder eine Verbesserung
der Kristallstruktur des Siliziums 2 möglich. Unter einer Verbesserung
der Kristallstruktur des Siliziums 2 ist insbesondere eine
Reduzierung der Anzahl von Versetzungen in der Kristallstruktur,
beispielsweise in Folge eines Anhaftens des Siliziums 2 an
die Innenwand 5, und die Ausbildung einer bevorzugten Kristallorientierung
zu verstehen.
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Als
Schicht-Bestandteil 15, 16 kann pulverförmiges Siliziumnitrid
verwendet werden. Das pulverförmige
Siliziumnitrid reduziert die Anhaftneigung des Siliziums 2 und
reduziert gleichzeitig die Anzahl von Versetzungen in der Kristallstruktur
des kristallisierenden Siliziums 2.
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Die
Beschichtung 4 weist mindestens 1 Gew.-%, insbesondere
mindestens 10 Gew.-%, und insbesondere mindestens 50 Gew.-%, hochreines pulverförmiges Siliziumnitrid
auf.
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Das
pulverförmige
Siliziumnitrid besteht zu mindestens 0,1 Gew.-%, insbesondere zu
mindestens 2 Gew.-%, und insbesondere zu mindestens 10 Gew.-%, aus
kristallografischer Beta-Phase. Die Beta-Phase stellt die Hochtemperatur-Modifikation
des Siliziumnitrids dar und ermöglicht
eine hohe thermo-mechanische Stabilität der Beschichtung 4.
Alternativ ist auch die Verwendung von amorphem, pulverförmigem Siliziumnitrid
möglich.
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Das
pulverförmige
Siliziumnitrid weist Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von maximal
50 μm, insbesondere
von maximal 10 μm, und
insbesondere von maximal 5 μm,
auf. Vorzugsweise weist das pulverförmige Siliziumnitrid einen Sauerstoffgehalt
von 0,3 Gew.-% bis maximal 5 Gew.-% und ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Partikel
von kleiner als 10 auf.
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Das
hochreine, pulverförmige
Siliziumnitrid weist einen Siliziumdioxidgehalt von maximal 50 Gew.-%,
einen Alkali- und/oder Erdalkalimetallgehalt von maximal 1000 ppm
und/oder einen Fluoridgehalt von maximal 2000 ppm und/oder einen
Chloridgehalt von maximal 2000 ppm und/oder einen Gesamtkohlenstoffgehalt
von maximal 2000 ppm und/oder einen Gehalt von Übergangsmetallen von jeweils
maximal 500 ppm auf.
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Als
Schicht-Bestandteil 15, 16 kann weiterhin hochreines
Siliziumdioxid verwendet werden. Das Siliziumdioxid, beispielsweise
Aerosil, kann als Haftvermittler zwischen Siliziumnitrid und der
Innenwand 5 dienen, so dass die Anhaftneigung des Siliziums 2 an
die Innenwand 5 und gleichzeitig die Anzahl der Versetzungen
in der Kristallstruktur des kristallisierenden Siliziums 2 reduziert
wird. Weiterhin kann mittels des Siliziumdioxids die Kristallorientierung des
kristallisierenden Siliziums 2 und die Reinheit des Siliziums 2 beeinflusst
werden. Zur Beeinflussung der Reinheit des Siliziums 2 wirkt
das Siliziumdioxid als Diffusionssperre und verhindert die Diffusion
von metallischen Verunreinigungen oder von Sauerstoff in das Silizium 2.
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Die
Beschichtung 4 weist vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%,
insbesondere mindestens 10 Gew.-%, und insbesondere mindestens 50
Gew.-%, hochreines Siliziumdioxid auf.
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Zur
Verbesserung der Reinheit des Siliziums 2 können als
Schicht-Bestandteile 15, 16 ferner
ein als Diffusionssperre wirkendes Silikat, insbesondere ein Aluminiumsilikat,
verwendet werden.
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Weiterhin
können
die Schicht-Bestandteile 15, 16 zur Veränderung
der Dotierung zumindest eines der Dotierelemente Bor, Aluminium,
Gallium, Indium, Phosphor, Arsen und Antimon aufweisen. Beispielsweise
kann zur Dotierung des Siliziums 2 mit Bor als Schicht-Bestandteil 15, 16 Bornitrid
verwendet werden.
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Die
Schicht-Bestandteile 15, 16 können voneinander unterschiedliche
Konzentrationen aufweisen. Ferner kann jeder Schicht-Bestandteil 15, 16 in einer
Konzentrationsrichtung 17 einen Konzentrationsgradienten
aufweisen. Die Konzentrationsrichtung 17 ist für jede Fläche 7, 8, 9, 10, 11 senkrecht
zu der jeweiligen Fläche 7, 8, 9, 10, 11 und
in Richtung des Siliziums 2 definiert.
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Beispielsweise
kann in 2 die Konzentration des ersten
Schicht-Bestandteils 15 in
Form von pulverförmigem
Siliziumnitrid in der Konzentrationsrichtung 17 zunehmen,
wohingegen die Konzentration des zweiten Schicht-Bestandteils 16 in
Form von Siliziumdioxid in der Konzentrationsrichtung 17 abnimmt.
Die Konzentrationsgradienten können
beispielsweise beim Auftragen mehrerer Lagen 14 der Schicht 13 erzeugt
werden, indem die Konzentrationen der Schicht-Bestandteile 15, 16 beim
Auftragen der einzelnen Lagen 14 variiert werden.
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Das
Aufbringen der multifunktionalen Beschichtung 4 erfolgt
durch Streichen, Sprühen,
Spritzen, Tauchen oder durch elektrostatischen Auftrag einer Suspension,
eines Schlickers oder eines Pulvers. Vor dem Aufbringen der multifunktionalen
Beschichtung 4 wird eine Mischung aus mindestens dem ersten
Schicht-Bestandteil 15 und dem zweiten Schicht-Bestandteil 16 erzeugt.
Die erzeugte Mischung wird anschließend auf den bereitgestellten Behälter-Grundkörper 3 zumindest
auf einen Teil der Innenwand 5 aufgebracht. Der Behälter-Grundkörper 3 kann
eine gebrannte Kokille oder ein Kokillen-Grünling, der nach dem Aufbringen
der multifunktionalen Be schichtung 4 gebrannt wird, sein.
Weiterhin ist es möglich,
eine oder mehrere Lagen 14 der Schicht 13 auf
einen Kokillen-Grünling
aufzubringen, diesen zu brennen oder nur zu trocknen und anschließend nochmals
eine oder mehrere Lagen 14 aufzubringen.
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Der
Behälter 1 mit
der multifunktionalen Beschichtung 4 eignet sich besonders
zur Aufnahme von flüssigem
Silizium 2 und/oder zur Kristallisation von flüssigem Silizium 2 zu
Siliziumblöcken,
Siliziumstäben,
Siliziumknüppeln
oder Siliziumgranulaten. Das erzeugte, kristallisierte Silizium 2 kann
zur Herstellung von Siliziumwafern und/oder elektronischen Bauelementen,
insbesondere im Bereich der Photovoltaik, verwendet werden.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 3 ein zweites
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben
Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen
Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche,
jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen
mit einem nachgestellten „a". Der wesentliche
Unterschied gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel
besteht darin, dass die multifunktionale Beschichtung 4a des
Behälters 1a eine
auf der ersten Schicht 13a angeordnete und zu dieser unterschiedlich
ausgebildete zweite Schicht 18a aufweist. Die erste Schicht 13a ist
auf der Innenwand 5 angeordnet und weist eine Lage 14a auf,
wohingegen die zweite Schicht 18a auf der ersten Schicht 13a angeordnet
ist und mehrere Lagen 19a aufweist, die in 3 gestrichelt
angedeutet sind. Sie kann auch nur eine Lage aufweisen. Die Schichten 13a, 18a sind derart
ausgebildet, dass jeweils mindestens eine Materialeigenschaft des
Siliziums 2 beeinflussbar ist. Als Materialeigenschaften
können
beispielsweise die Anhaftneigung des Siliziums 2, die Reinheit
des Siliziums 2, die Dotierung des Siliziums 2 und/oder
die Kristallstruktur des Siliziums 2 beeinflussbar sein.
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Wie
in 3 gezeigt, kann die erste Schicht 13a den
ersten Schicht-Bestandteil 15 und
die zweite Schicht 18a den zweiten Schicht-Bestandteile 16 aufweisen.
Alternativ kann eine Schicht 13a, 18a auch mehrere
Schicht-Bestandteile 15, 16 zur Beeinflussung
einer oder mehrerer Materialeigenschaften des Siliziums 2 aufweisen.
Hinsichtlich der Schicht-Bestandteile 15, 16 wird
auf die Ausführungen
zu dem ersten Ausführungsbeispiel
verwiesen.
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In 3 kann
die erste Schicht 13a als ersten Schicht-Bestandteil 15 beispielsweise
Siliziumdioxid und die zweite Schicht 18a als zweiten Schicht-Bestandteil 16 beispielsweise
pulverförmiges
Siliziumnitrid aufweisen. Die Siliziumdioxid aufweisende erste Schicht 13a wirkt
als Haftvermittler für
das pulverförmige
Siliziumnitrid und als Diffusionssperre. Die Siliziumnitrid aufweisende
zweite Schicht 18a reduziert die Anhaftneigung des Siliziums 2 und
beeinflusst in Folge des verminderten Anhaftens die Bildung von
Versetzungen in dem kristallisierenden Silizium 2 und somit
dessen Kristallstruktur.
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Das
Aufbingen der Schichten 13a, 18a und deren Lagen 14a, 19a erfolgt
sukzessive. Zunächst wird
die erste Schicht 13a flächig zumindest auf einen Teil
der Innenwand 5 in einer oder mehreren Lagen 14a aufgetragen.
Anschließend
wird flächig
zumindest auf einem Teil der ersten Schicht 13a die zweite
Schicht 18a in einer oder mehreren Lagen 19a aufgebracht.
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Der
Behälter-Grundkörper 3 zum
Aufbringen der multifunktionalen Beschichtung 4a kann eine
gebrannte Kokille oder ein Kokillen-Grünling sein, wobei der Kokillen-Grünling zumindest
nach dem Aufbringen einer Schicht 13a, 18a oder
einer Lage 14a, 19a gebrannt wird.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 4 ein drittes
Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben. Konstruktiv identische Teile erhalten dieselben
Bezugszeichen wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, auf deren
Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche,
jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen
mit einem nachgestellten „b". Der wesentliche
Unterschied gegenüber den
vorangegangenen Ausführungsbeispielen
besteht darin, dass eine von der ersten Beschichtung 4b unterschiedliche
zweite Beschichtung 20b vorgesehen ist. Die erste Beschichtung 4b ist
auf der ersten und zweiten Seitenfläche 8, 9 sowie
der ersten und zweiten Stirnfläche 10, 11 angeordnet,
wohingegen die zweite Beschichtung 20b auf der Bodenfläche 7 der
Innenwand 5 angeordnet ist. Die Beschichtungen 4b, 20b sind
gemeinsam und/oder einzeln zur Beeinflussung von Materialeigenschaften
des Siliziums 2 multifunktional ausgebildet. Die Beschichtungen 4b, 20b können derart
ausgebildet sein, dass als Materialeigenschaften beispielsweise
die Anhaftneigung des Siliziums 2, die Reinheit des Siliziums 2,
die Dotierung des Siliziums 2 und/oder die Kristallstruktur
des Siliziums 2 beeinflussbar sind.
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Die
Beschichtungen 4b, 20b können jeweils entsprechend dem
ersten Ausführungsbeispiel
eine Schicht 13b oder entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
mehrere Schichten 13b, 18b aufweisen. Weiterhin
können
die Beschichtungen 4b, 20b jeweils mindestens
einen ersten Schicht-Bestandteil 15 und
einen zweiten Schicht-Bestandteil 16 aufweisen. Hinsichtlich
der Schicht-Bestandteile 15, 16 wird auf die Ausführungen
zu dem ersten Ausführungsbeispiel
verwiesen. Die Schicht-Bestandteile 15, 16 können entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel
gemischt in einer Schicht 13b oder entsprechend dem zweiten
Ausführungsbeispiel
in mehreren Schichten 13a, 18a vorliegen.
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In 4 weist
die erste Beschichtung 4b zwei Schichten 13b, 18b auf,
wobei jede Schicht 13b, 18b aus jeweils einer
Lage 14b, 19b besteht. Der in der ersten Schicht 13b vorliegende
erste Schicht-Bestandteil 15 ist beispielsweise Siliziumnitrid
zur Reduzierung der Anhaftneigung des Siliziums 2. Der
in der zweiten Schicht 18b vorliegende zweite Schicht-Bestandteil 16 ist
beispielsweise Bornitrid zur Veränderung
der Dotierung des Siliziums 2. Die zweite Beschichtung 20b weist
eine Schicht 13b aus zwei Lagen 14b auf. Die Schicht 13b der
zweiten Beschichtung 20b enthält als ersten Schicht-Bestandteil 15 Siliziumnitrid
und als zweiten Schicht-Bestandteil 16 Siliziumdioxid.
Das Siliziumnitrid reduziert die Anhaftneigung des Siliziums 2,
wohingegen das Siliziumdioxid ausgehend von der Bodenfläche 7 die
Kristallorientierung des kristallisierenden Siliziums 2 beeinflusst.
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Das
Aufbringen der Beschichtungen 4b, 20b erfolgt
sukzessive oder zeitlich parallel. Beispielsweise kann zunächst die
erste Schicht 13b der ersten Beschichtung 4b,
anschließend
die Schicht 13b der zweiten Beschichtung 20b und
anschließend
die zweite Schicht 18b der ersten Beschichtung 4b aufgetragen
werden. Alternativ kann eine Beschichtung 4b, 20b vollständig aufgetragen
werden, bevor eine weitere Beschichtung 4b, 20b aufgetragen
wird. In 4 ist der Idealfall dargestellt,
dass sich die Beschichtungen 4b, 20b im Grenzbereich
nicht überlappen.
In der Praxis treten regelmäßig Überlappungen in
diesem Bereich auf, die für
die Erfindung jedoch vernachlässigbar
sind. Der Behälter-Grundkörper 3 kann
eine gebrannte Kokille oder ein Kokillen-Grünling sein, wobei der Kokillen-Grünling zumin dest nach
dem Aufbringen einer Lage 14b, 19b oder einer Schicht 13b, 18b oder
einer Beschichtung 4b, 20b gebrannt wird.
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Durch
das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren
ist es möglich,
Behälter
mit Beschichtungen bereitzustellen, die gemeinsam und/oder einzeln multifunktional
ausgebildet sind. Die Beschichtungen erlauben eine gezielte Beeinflussung
der Materialeigenschaften des in dem Behälter aufgenommenen Nichteisenmetalls,
insbesondere des Siliziums. Durch die gezielte Beeinflussung der
Materialeigenschaften ist es einerseits möglich, Silizium mit einer höheren Güte zu erzeugen
und andererseits nachgelagerte Schritte bei der Herstellung von
elektronischen Bauelementen, beispielsweise die Einbringung von
Dotierelementen, in den Kristallisierungsvorgang des Siliziums einzubeziehen.
Der Herstellungsprozess von elektronischen Bauelementen, beispielsweise
für die
Photovoltaik, wird somit effizienter und kostengünstiger und die Güte der elektronischen Bauelemente
verbessert.
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Für alle Ausführungsbeispiele
gilt: Jede Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten und jede
Schicht wiederum eine oder mehrere Lagen aufweisen. Jede Schicht
kann einen oder mehrere Schicht-Bestandteile enthalten, wobei unterschiedliche
Schichten zumindest einen unterschiedlichen Schicht-Bestandteil
aufweisen und insbesondere optisch mittels bekannter Analyseverfahren
voneinander abgrenzbar sind. Die Schichten können an ihren Grenzen scharf
abgrenzbar sein oder fließend
ineinander übergehen.
Die Lagen einer Schicht weisen gleiche Schicht-Bestandteile auf.
Jeder Schicht-Bestandteil kann in den unterschiedlichen Lagen eine gleichbleibende
oder variierende Konzentration aufweisen. Mittels einer variierenden
Konzentration eines Schicht-Bestandteils in den einzelnen Lagen
ist die Ausbildung eines Konzentrationsgradienten in einer Schicht
möglich.
Die Beschichtungen und/oder die Schichten und/oder die Schicht-Bestandteile
können
chemisch und/oder physikalisch unterschiedlich ausgebildet sein.
Unter chemisch unterschiedlich werden insbesondere unterschiedliche
chemische Elemente und unterschiedliche chemische Verbindungen verstanden.
Unter physikalisch unterschiedlich werden insbesondere unterschiedliche
Phasen, Kristallorientierungen, optisch trennbare Lagen und Kristallstrukturen
verstanden. Der Behälter-Grundkörper kann
eine gebrannte Kokille oder ein Kokillen-Grünling sein, wobei der Kokillen-Grünling zumindest
nach dem Aufbringen einer Lage und/oder einer Schicht und/oder einer
Beschichtung gebrannt wird.