DE102007015814A1

DE102007015814A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Schmelzen, insbesondere von Siliziumschmelzen

Info

Publication number: DE102007015814A1
Application number: DE200710015814
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Fath; Albrecht Dr. Mozer; Maximilian Dr. Stadler
Original assignee: SOLMIC GmbH
Current assignee: SOLMIC GmbH
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-09
Also published as: WO2008119329A3; WO2008119329A2

Abstract

Verfahren zur Schmelzereinigung mit Verfahrensschritten des Zuführens (10) mindestens eines Reaktionspartners, welcher mit wenigstens einer in der Schmelze (36) vorhandenen Verunreinigung derart reagiert, dass diese in eine gasförmige Verbindung (44) überführt wird, und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren sowie Vorrichtungen zur Reinigung von Schmelzen.
Die Schmelzereinigung ist bei der Materialherstellung wie auch bei der Materialaufbereitung ein häufig erforderlicher Prozess. Unter anderem bedürfen anorganische Halbleitermaterialien üblicherweise der Reinigung, ehe sie zur Herstellung von elektronischen Bauelementen verwendet werden können. Deren Reinigung erfolgt häufig durch Aufschmelzen des Halbleitermaterials und Reinigen der Schmelze von den unerwünschten Verunreinigungen.
Silizium stellt das am häufigsten in elektronischen Bauelementen eingesetzte Halbleitermaterial dar. Insbesondere im Bereich der Mikroelektronik bedarf es Silizium hohen Reinheitsgrades, um funktionsfähige mikroelektronische Bauelemente herstellen zu können.
In Form von Quarz ist Silizium in großen Mengen vorhanden, so dass kein prinzipielles Versorgungsproblem besteht. Die Isolierung und Reinigung des aus dem Quarzsand gewonnenen Siliziums gestaltet sich jedoch aufwändig. So ist dieser zunächst mit Kohle zu metallurgischem Silizium umzusetzen, welches üblicherweise eine Reinheit von ca. 97 bis 99,9% aufweist. Diese ist jedoch für die Fertigung zuverlässiger elektronischer Bauteile nicht ausreichend. Insbesondere Elemente der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente sind als Verunreinigungen unerwünscht, da sie in der elektronischen Bandstruktur des Halbleiters Akzeptoren- bzw. Donatorenniveaux ausbilden, wodurch dessen elektronische Eigenschaften maßgeb lich beeinträchtigt werden. Weiterhin wirken sich metallische Verunreinigungen negativ aus.
Daher erfolgt eine weitere Aufbereitung des metallurgischen Siliziums, beispielsweise mittels des sogenannten Siemens-Prozesses. Hierbei wird das metallurgische Silizium in einem aufwändigen und energieintensiven Prozess unter Bildung von Trichlorsilan chemisch umgesetzt. Dieses Trichlorsilan wird von den Verunreinigungen abgetrennt und in einem chemischen Dampfabscheideprozess an Siliziumstäben in hoher Reinheit abgeschieden. Silizium dieser Reinheitsstufe eignet sich für die Weiterbearbeitung in der Mikroelektronik- bzw. Photovoltaikindustrie, wobei je nach zu fertigendem Bauelement weitere Reinigungsschritte erforderlich sein können.
Die derzeit bestehenden Kapazitäten zur Reinigung von metallurgischem Silizium mittels des Siemens-Prozesses sind begrenzt. Dem steht ein nach wie vor stark wachsender Mikroelektronikmarkt und eine noch viel stärker expandierende Photovoltaikbranche gegenüber. Infolgedessen ist in den kommenden Jahren mit einer Verknappung des für beide Branchen als Ausgangsmaterial dienenden polykristallinen Siliziums ausreichender Reinheit zu rechnen. Gegenwärtig wird von einem Versorgungsloch von ca. 20.000 t pro Jahr im Jahre 2010 ausgegangen.
Für den Photovoltaikmarkt ist verglichen mit der Mikroelektronikbranche Silizium eines geringeren Reinheitsgrades ausreichend, der jedoch ebenfalls über der Reinheit metallurgischen Siliziums liegt. Aus diesem Grund wurden bereits Technologien entwickelt, mit welchen das metallurgische Silizium derart aufbereitet werden kann, dass es für die Fertigung von Solarzellen verwendbar ist. Insbesondere die Technologie der gerichteten Erstarrung hat bei der Herstellung von solartaugli chem bzw. „solar grade"-Silizium Bedeutung erlangt. Hierbei werden die thermischen Parameter der Schmelze derart kontrolliert, dass eine Kristallisationsfront als Phasengrenze zwischen flüssigem und festem Silizium sich gerichtet durch die Siliziumschmelze hindurchbewegt. Aufgrund der unterschiedlichen Löslichkeit der Verunreinigungen in flüssigem und festem Silizium reichern sich auf diese Weise die Verunreinigungen in der flüssigen Phase an und können am Ende des Kristallisationsprozesses mit dem zuletzt erstarrten Bereich entfernt werden. Diese Technologie bedarf einer aufwändigen Prozessführung und -kontrolle und ist entsprechend anfällig.
Daneben wird zur Reinigung von metallurgischem Silizium die Methode der Schlackenbildung verwendet. Hierbei werden hochreine Oxide der Siliziumschmelze zugesetzt, wodurch sich Silikat-Strukturen ausbilden, in welchen einige Verunreinigungen gebunden werden können. Mit Entfernung der auf der Oberfläche der Siliziumschmelze aufschwimmenden Silikat-Strukturen erzielt man daher einen Reinigungseffekt.
Weiterhin ist die Methode des Ausgasens bekannt, bei welcher über die Oberfläche geschmolzenen Siliziums ein Argonstrom geleitet wird, welcher Fremdatome erfasst, die zufällig durch thermische Bewegung aus der Siliziumoberfläche austreten und diese mitreißt. In dieser Weise wird ein Reinigungseffekt erzielt, der jedoch vergleichsweise gering ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem Schmelzen, insbesondere Halbleiterschmelzen, aufwandsgünstig und effizient gereinigt werden können.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Das Problem wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zweiter Art mit den Merkmalen des Anspruchs 39.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind wiederum Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Weiterhin liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit welcher Schmelzen, insbesondere Halbleiterschmelzen, aufwandsgünstig und effizient gereinigt werden können.
Dieses Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 27 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 36.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind wiederum jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schmelze mindestens ein Reaktionspartner zugeführt, welcher mit wenigstens einer in der Schmelze vorhandenen Verunreinigung derart reagiert, dass diese in eine gasförmige Verbindung überführt wird. Hierunter wird vorliegend auch ein Gasphasenkomplex verstanden (Gasphasenkomplexbildung findet vor allem bei metallischen Verunreinigungen statt). Die gasförmige Verbindung steigt im Weiteren selbständig an die Oberfläche der Schmelze und tritt dort aus der Schmelze aus, so dass ein Reinigungseffekt erzielt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante wird über der Oberfläche der Schmelze eine Inertgasströmung derart ausgebildet, dass die austretenden gasförmigen Verbindungen von der Inertgasströmung mitgerissen werden.
Bei einer vorteilhaften Verwendung eines Reaktionsgases als Reaktionspartner kann überdies die gebildete gasförmige Verbindung durch Gasbläschen des Reaktionsgases mitgerissen und schneller an die Siliziumoberfläche transportiert werden.
Als besonders vorteilhafte Reaktionsgase haben sich Chlorgas (Cl₂), Chlorwasserstoff (HCl) und Wasserstoff (H₂) erwiesen. Diese Reaktionsgase bilden insbesondere mit in Halbleitermaterialien unerwünschten Verbindungen flüchtige gasförmige Verbindungen, sodass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine effiziente Reinigung möglich ist. Beispielhaft sind im Folgenden Reaktionsgleichungen für die insbesondere in Halbleitermaterialien unerwünschten Elemente Bor (B), Phosphor (P), Arsen (As) und Aluminium (Al) aufgeführt: 2B + 3H₂ → B₂H₆ 4B + 6HCl → B₂H₆ + 2BCl₃ P + 1,5 Cl₂ → PCl₃ 2As + 3H₂ → 2AsH₃ Al + 1,5Cl₂ → AlCl₃
Die Reaktionsgase wie auch andere Reaktionspartner können in einer Ausgestaltungsvariante der Erfindung nacheinander oder auch als Mischung gemeinsam der Schmelze zugeführt werden.
Vorteilhafterweise kann einem oder mehreren Reaktionspartnern ein Trägergas beigemischt sein, welches zusammen mit dem einen oder mehreren Reaktionspartnern der Schmelze zugeführt wird. Unter einem Trägergas sind vorliegend auch Gasmischungen zu verstehen. Mit Hilfe eines solchen Trägergases können einerseits mit Verunreinigungen gebildete gasförmige Verbindungen mitgerissen und schnell an die Oberfläche der Schmelze transportiert werden, andererseits besteht die Möglichkeit, mit Hilfe des Trägergases Reaktionspartner in Pulver- oder Granulatform der Schmelze zuzuführen. Bevorzugt wird dabei als Trägergas ein Inertgas, insbesondere ein Edelgas, verwendet.
In einzelnen Ausgestaltungsvarianten der Erfindung können mehrere Reaktionspartner, insbesondere die oben genannten Reaktionsgase, dem Trägergas zeitlich versetzt oder gleichzeitig beigemischt werden.
Weiterhin wird in einer anderen Ausgestaltungsvariante der Erfindung wenigstens eine Verunreinigung durch eine chemische Oxidation oder eine thermische Reaktion in eine gasförmige Verbindung überführt.
Bei der Reinigung einer Siliziumschmelze hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Siliziumschmelze während der Zuführung des mindestens einen Reaktionspartners auf einer Temperatur zwischen 1400°C und 1800°C gehalten wird, vorzugsweise auf einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C.
Bei möglichst homogener Verteilung der Reaktionspartner in der Schmelze, ergibt sich eine bessere Reinigungseffizienz. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung werden daher durch das Zuführen des einen Reaktionspartners oder mehrerer Reaktionspartner, gegebenenfalls zusammen mit einem Trä gergas, Schmelzeströmungen ausgebildet. Die strömende Schmelze bewirkt eine verbesserte Verteilung der Reaktionspartner in der Schmelze und hat somit eine effizientere Reinigung zur Folge.
Zur weiteren Verbesserung der homogenen Verteilung der Reaktionspartner in der Schmelze werden vorteilhafterweise zur Ausbildung von Schmelzeströmungen Reaktionspartner oder Reaktionspartner mit beigemischtem Trägergas an verschiedenen Stellen der Schmelze zugeführt. Daneben können Sie in verschiedenen Richtungen in die Schmelze abgegeben werden.
Zudem sieht eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung vor, dass mehrere lokale Schmelzeströmungen ausgebildet werden. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht überdies vor, dass in zeitlicher Abfolge verschiedene Schmelzeströmungen ausgebildet werden.
Eine erfindungsgemäße Schmelzereinigungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen Tiegel auf und wenigstens eine Tauchlanze, über welche ein Reaktionspartner-Trägergasgemisch einer in dem Tiegel befindlichen Schmelze zuführbar ist. Der Begriff „Reaktionspartner-Trägergasgemisch" ist hierbei sehr allgemein zu verstehen und umfasst sowohl einen oder mehrere Reaktionspartner ohne Trägergas wie auch eine Mischung von einem oder mehreren Reaktionspartnern mit einem Trägergas.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in zumindest einer Tauchlanze mindestens zwei Rohre angeordnet, über deren Öffnungen das Reaktionspartner-Trägergasgemisch der Schmelze in verschiedenen Richtungen zuführbar ist. Die Öffnungen der mindestens zwei Rohre sind demzufolge nicht einheitlich ausgerichtet, sodass das dem einen Rohr entströmende Reaktionspartner-Trägergasgemisch innerhalb der Schmelze in eine andere Richtung strömt als das dem anderen Rohr entstammende Reaktionspartner-Trägergasgemisch.
Eine weitere Schmelzereinigungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist wiederum einen Tiegel auf, wobei dessen Tiegelwandung wenigstens eine löchrige Struktur aufweist, über welche ein Reaktionspartner-Trägergasgemisch der Schmelze zuführbar ist. Unter einer löchrigen Struktur wird vorliegend grundsätzlich jede durchgehende Öffnung verstanden, welche vom Reaktionspartner-Trägergasgemisch oder anderen eingesetzten Gasen passierbar ist. So kann die löchrige Struktur beispielsweise aus nur einem Loch oder mehreren regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Löchern von beliebiger Form bestehen. Eine löchrige Struktur kann ferner vorteilhafterweise durch ein Lochgitter oder eine Netzstruktur oder ein Frittengewebe gebildet sein.
Die Durchmesser der Löcher sind dabei vorteilhafterweise so gewählt, dass aufgrund der Oberflächenspannung der Schmelze keine Schmelze durch die Löcher hindurch aus dem Tiegel entweichen kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Schmelzereinigungsverfahren lässt sich im Vergleich zu dem eingangs beschriebenen Ausgasen ein um den Faktor 100 bis 1000 verbesserter Reinigungseffekt erzielen. Überdies ist das erfindungsgemäße Verfahren offensichtlich mit anderen Reinigungsverfahren, insbesondere den eingangs genannten, kombinierbar. Unter anderem kann vorteilhafterweise an das erfindungsgemäße Reinigungsverfahren eine gerichtete Kristallisation angeschlossen werden, wodurch ein weiterer Reinigungseffekt erzielt wird.
Die Schmelzereinigungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist vorteilhaft zur Reinigung einer Halbleiterschmelze verwendbar. Insbesondere ermöglicht sie eine effiziente und aufwandsgünstige Reinigung einer Siliziumschmelze, vorzugsweise einer Schmelze aus metallurgischem Silizium.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zweiter Art wird der Schmelze ein Inertgas derart zugeführt, dass dies eine Durchmischung der Schmelze bewirkt. Da in der Schmelze verschiedene Verunreinigungen enthalten sind, die teilweise miteinander reagieren, wird hierdurch die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass derartige Verunreinigungen sich so nahe kommen, dass eine Reaktion erfolgt. Bei zumindest einem Teil dieser Reaktionen geht wenigstens eine der beteiligten Verunreinigungen in eine gasförmige Verbindung über, welche in der Schmelze aufsteigt und an deren Oberfläche austritt. Somit stellt sich ein Reinigungseffekt ein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Funktional im Wesentlichen gleichwirkende Bestandteile sind darin mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 Schematische Darstellung einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 Eine Tauchlanze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
4 Tauchlanzenanordnung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
5 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer einfachen Tauchlanze.
6 Verschiedene Ausgestaltungsvarianten von Tauchlanzen zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
7 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Tauchlanze und einer Verteilerplatte.
8 Eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer löchrigen Struktur in der Tiegelwandung.
9 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Verteilerplatte und ohne Tauchlanze.
10 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem doppelwandigen Tiegel.
11 Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem durchgehenden doppelten Boden.
12 Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer löchrigen Struktur.
1 zeigt schematisch eine Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem eine Schmelze aus metallurgischem Silizium gereinigt wird. Ohne auf die Verwendung einer Schmelzereinigungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 beschränkt zu sein, wird das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren der leichteren Verständlichkeit halber im Folgenden unter Rückgriff auf die in der 2 dargestellte Schmelzereinigungsvorrichtung näher erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in anderen Vorrichtungen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der 1 werden verschiedene Reaktionspartner-Trägergasgemische einer Schmelze 36 zugeführt. In der Ausgestaltungsvariante des Verfahrens nach 1 handelt es sich dabei um eine Schmelze aus metallurgischem Silizium. Das Verfahren kann jedoch ebenso zur Reinigung anderer Schmelzen, insbesondere Halbleiterschmelzen, eingesetzt werden. In der Vorrichtung der 2 erfolgt das Zuführen 10 der verschiedenen Reaktionspartner-Trägergasgemische 34 über Tauchlanzen 32a, 32b. Die Schmelze befindet sich dabei in einem Tiegel 30.
Im Ausführungsbeispiel der 1 wird durch ein gerichtetes Zuführen des Reaktionspartner-Trägergasgemisches eine oder mehrere Schmelzeströmungen 20 in der Schmelze 36 ausgebildet. Dies wird unter anderem im Zusammenhang mit der 3 näher erläutert werden.
Weiterhin wird eine Inertgasströmung 38 über der Oberfläche der Schmelze 36 ausgebildet 12. Diese Inertgasströmung 38 dient dazu, die an der Oberfläche der Schmelze 36 austretenden gasförmigen Verbindungen sowie das beigemengte Trägergas zu erfassen und von der Oberfläche der Schmelze 36 zu entfernen. Zur Verbesserung des Abtransports vor allem der gasförmigen Verbindungen, in welchen unerwünschte Verunreinigungen aus der Schmelze 36 gebunden sind, werden im Ausführungsbeispiel der 1 die Inertgasströmungen bildenden Gase und die von dieser erfassten gasförmigen Verbindungen und gegebenenfalls auch erfassten Partikel 44 abgesaugt 14. Zu diesem Zweck ist in der Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Schmelzereinigungsvorrichtung nach 2 eine Absaugvorrichtung 40 vorgesehen.
Betreffend alle Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Inertgasströmung unter Verwendung wenigstens eines Edelgases auszubilden, da diese zum einen in hoher Reinheit zur Verfügung stehen, sodass ein Verunreinigungseintrag in die Schmelze 36 sehr gering ist und überdies nur bei wenigen Reaktionspartnern oder gebildeten gasförmigen Verbindungen oder Trägergasen eine chemische Reaktion zu befürchten ist, wenn diese mit der Inertgasströmung in Kontakt kommen.
Zum Zwecke der Einsparung von Gasen zur Bildung der Inertgasströmung 38 sowie von Trägergas werden im Verfahren nach der 1 die die Inertgasströmung 38 bildenden Gase und das Trägergas von erfassten gasförmigen Verbindungen und Partikeln 44 abgetrennt 16 und in der Inertgasströmung 38 und dem Trägergas wiederverwendet 18. Eine solche Wiederverwertung der die Inertgasströmung bildenden Gase und des Trägergases ist prinzipiell in allen Ausgestaltungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als Trägergas und als Inertgasströmung 38 bildendes Gas das gleiche Gas verwendet wird. Bevorzugt kommen hier wiederum Edelgase, insbesondere Argon, aus den bereits oben geschilderten Gründen zum Einsatz. Generell kann dabei die Abtrennung der die Inertgasströmung 38 bildenden Gase bzw. des Trägergases vollständig oder teilweise erfolgen. Bei Verwendung eines einheitlichen Gases für die Inertgasströmung 38 sowie für das Trägergas besteht überdies die Wahlmöglichkeit, die abgetrennten Gasbestandteile in der Inertgasströmung 38 oder als Trägergas wiederzuverwenden. Bei Verwendung verschiedener Gase kann es überdies aufwandsgünstiger sein, nicht alle, sondern lediglich einen Teil der eingesetzten Gase abzutrennen und der Wiederverwendung zuzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere das in der 1 schematisch wiedergegebene, ist nicht auf eine bestimmte Zuführungsart der Reaktionspartner bzw. des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 beschränkt. Unter anderem kann das Reaktionspartner-Trägergasgemisch, wie in der 2 dargestellt, über wenigstens eine Tauchlanze 32a, 32b zugeführt werden. Derartige Tauchlanzen reichen durch die Oberfläche der Schmelze 36 hindurch und enden in einer vorteilhaften Ausgestaltungsvariante möglichst nahe über dem Boden des Tiegels 30. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das Reaktionspartner-Trägergasgemisch einen möglichst langen Weg durch die Schmelze 36 nimmt und auf diese Weise mit möglichst vielen der in der Schmelze vorhandenen Verunreinigungen reagieren kann. Dasselbe gilt, wenn das Reaktionspartner-Trägergasgemisch nur aus Reaktionsgasen besteht.
Zum Zwecke der besseren Handhabbarkeit reaktiver Gase und einer effizienten Führung von Inertgasströmung ist die Ausgestaltungsvariante einer erfindungsgemäßen Schmelzereinigungsvorrichtung nach 2 mit einer Reaktionskammer 42 versehen, in welcher die Reinigungsprozesse ablaufen.
Wie bereits erwähnt, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht von grundsätzlicher Bedeutung, in welcher Weise das Reaktionspartner-Trägergasgemisch, bzw. Reaktionsgase allein, der Schmelze zugeführt werden. Insbesondere kann eine Zufuhr über einfache Tauchlanzen 350a erfolgen, welche lediglich aus einer Röhre 350a gebildet sind, wie dies schematisch in 5 dargestellt ist. Die Tauchlanze 350a ragt in den Tiegel 370 hinein, in welchem sich die Schmelze 36 befindet.
Das untere Ende der Tauchlanze 350a ist vergrößert in 6a dargestellt. Hierin ist erkennbar, dass die Tauchlanze 350a als einfache Röhre ausgeführt ist, welche an ihrem unteren Ende eine offene Stirnseite aufweist. Die 6b bis 6e illustrieren weitere Ausgestaltungsvarianten von Tauchlanzen. Die Variante der 6b weist an ihrem unteren Ende eine geschlossene Stirnseite auf, ist jedoch an ihrer Röhrenfläche nahe dem unteren Ende mit einer Öffnung 352 versehen, durch welche das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 in die Schmelze 36 abgegeben werden kann. In anderen Ausgestaltungsvarianten können zusätzliche Öffnungen vorgesehen sein, wie dies anhand der 6c und den dort dargestellten Öffnungen 354a, 354b und 354c illustriert ist. Die Öffnungen können darüber hinaus über die Länge des Rohres verteilt sein und müssen nicht zwingend am unteren Ende der Tauchlanze angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung sind diese einfachen Tauchlanzen derart verbessert, dass in ihren in die Schmelze ragenden Öffnungen poröse Elemente vorgesehen sind, über welche ein den Tauchlanzen zugeführtes Reaktionspartner-Trägergasgemisch der Schmelze zuführbar ist. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen Stopfen oder Pfropfen aus porösem Material, insbesondere aus porösem gesintertem Material. 6d zeigt schematisch ein Beispiel für eine Tauchlanze dieser Ausgestaltungsart. Die Tauchlanze 350d ist aus einer Röhre 356 mit stirnseitiger Öffnung am unteren Ende gebildet, in welcher als poröses Element ein Stopfen 358 aus porösem Material angeordnet ist. Das der Tauchlanze 350d zugeführte Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 gelangt hier durch in dem porösen Element bzw. Stopfen 358 gebildete feine Kanäle in die Schmelze. Da ein poröses Element eine Vielzahl solcher Kanäle enthält, wird das Reaktionspartner-Trägergasgemisch in unterschiedlichen Richtungen in die Schmelze abgegeben. Dies hat eine bessere Durchsetzung der Schmelze mit dem Reaktionspartner-Trägergasgemisch zur Folge.
Der Einsatz von porösen Elementen ist selbstverständlich nicht auf die beschriebenen einfachen Tauchlanzen beschränkt, welche lediglich aus einer Röhre gebildet sind. Beispielsweise können auch Tauchlanzen zum Einsatz kommen, welche mindestens zwei Öffnungen aufweisen, die in der Schmelze angeordnet werden können (vgl. 6c). Insbesondere können eine oder mehrere Öffnungen an einer Stirnseite der Tauchlanze angebracht sein, während eine oder mehrere Öffnungen an der Röhrenfläche einer oder mehrerer Tauchlanzen angeordnet sind. Wenigstens in einem Teil dieser Öffnungen können poröse Elemente vorgesehen sein.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante einer Tauchlanze 350e für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt 6e. Im Innern der Tauchlanze 350e sind zwei Rohre 360, 362 vorgesehen, durch welche das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 an das untere Ende der Tauchlanze 350e geführt werden kann. Die unteren Öffnungen der Rohre 360 und 362 sind derart gestaltet, dass sie durch ihr Zusammenwirken einen kegelförmigen Strahl des Reaktionspartner-Trägergasgemisches ausbilden können, dessen Öffnungswinkel φ in einem Bereich zwischen 30° und 120° liegt. Dies ermöglicht bei möglichst großem Öffnungswinkel eine verbesserte Verteilung des Reaktionspartner-Trägergasgemisches in der Schmelze. Zudem besteht die Möglichkeit in den Öffnungen der Rohre 360 und 362 poröse Elemente vorzusehen.
Jede der beschriebenen Ausgestaltungsvarianten von Tauchlanzen kann in dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmelzereinigungsvorrichtung gemäß der 2 Verwendung finden. Darüber hinaus können die Tauchlanzen 32a, 32b oder zumindest eine von ihnen, mehr als zwei Rohre in ihrem Innern aufweisen, über deren Öffnungen das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 der Schmelze 36 in verschiedenen Richtungen zuführbar ist.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante einer Tauchlanze 52, welche insbesondere in dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schmelzereinigungsvorrichtung gemäß der 4 einsetzbar ist.
In dieser sind ein erstes 54 und ein zweites Rohr 56 angeordnet. Über diese können gleiche oder verschiedene Reaktionspartner-Trägergasgemische 34 der Schmelze 36 zugeführt werden. Jedes der Rohre 54, 56 weist an seinem unteren Ende eine Öffnung 60, 62 auf. Über diese werden die jeweiligen Reaktionspartner-Trägergasgemische der Schmelze 36 zugeführt. Diese Öffnungen 60, 62 sind dabei derart unterschiedlich ausgestal tet, dass die jeweiligen Reaktionspartner-Trägergasgemische in verschiedenen Richtungen 55, 57 der Schmelze 36 zugeführt werden können. So ist in der Ausgestaltungsvariante der 3 die Öffnung 60 des ersten Rohres 54 so ausgebildet, dass die Zufuhrrichtung 55 für das Reaktionspartner-Trägergasgemisch mit einem gewissen Öffnungswinkel nach links unten weist, wogegen die Zufuhrrichtung 57, welche sich aus der Öffnung 62 des zweiten Rohres 56 ergibt, im Wesentlichen nach rechts unten weist.
Auf diese Weise kann eine bessere Durchsetzung der Schmelze 36 mit dem zugeführten Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 erzielt werden. Dies um so mehr, wenn wenigstens ein Rohr 54 oder 56 mit einem schaltbaren Ventil versehen ist. Dies ermöglicht eine zeitlich veränderliche Zufuhrrichtung des Reaktionspartner-Trägergasgemisches, sodass in zeitlicher Abfolge unterschiedliche Schmelzeströmungen in der Schmelze 36 ausbildbar sind, was zu einer homogeneren Verteilung des Reaktionspartner-Trägergasgemisches in der Schmelze 36 führt.
Zur weiteren Verbesserung der homogenen Verteilung des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 in der Schmelze 36 können mehrere Tauchlanzen mit schaltbaren Rohren vorgesehen sein, deren jeweilige Zufuhrrichtungen so ausgerichtet sind, dass sich durch Schaltung der Ventile einzelner Rohre verschiedener Tauchlanzen verschiedene Schmelzeströmungen ausbilden lassen.
4 zeigt schematisch für eine vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Anordnung der Tauchlanzen 52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f. Jede dieser Tauchlanzen besitzt ein erstes und ein zweites Rohr. Die Zufuhrrichtungen des jeweiligen ersten Rohres 55a, 55b, 55c, 55d, 55e, 55f sowie die jeweiligen Zufuhrrichtungen des zwei ten Rohres 57a, 57b, 57c, 57d, 57e, 57f sind ebenfalls schematisch dargestellt. All diese Zufuhrrichtungen 55a, 55b, 55c, 55d, 55e, 55f, 57a, 57b, 57c, 57d, 57e, 57f liegen im Wesentlichen in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Schmelze 36. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Je nach Tiefe des eingesetzten Tiegels können Tauchlanzen und Öffnungen der Rohre in diesen Tauchlanzen derart angeordnet sein, dass zumindest teilweise Schmelzeströmungen mit vertikalen Bewegungsanteilen ausbildbar sind.
Die Öffnungen aller Rohre des Ausführungsbeispiels der 4 sind schaltbar, insbesondere durch Ventile. Hierdurch sind unterschiedliche Schmelzeströmungen ausbildbar, insbesondere können in zeitlicher Abfolge unterschiedliche Strömungen zur Durchmischung der Schmelze mit dem zugeführten Reaktionspartner-Trägergasgemischen ausgebildet werden. Werden beispielsweise die Öffnungen der ersten Rohre der Tauchlanzen 52a, 52b, 52c, 52d geöffnet und die Öffnungen aller anderen Rohre-geschlossen, so bildet sich eine in etwa kreisförmige Schmelzenströmung entgegen dem Uhrzeigersinn aus, wie anhand der Zufuhrrichtungen 55a, 55b, 55c, 55d der betroffen Rohre nachvollziehbar ist. Durch geeignete Schaltung der Öffnungen der Rohre in den Tauchlanzen 52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f sind offensichtlich eine Vielzahl anderer Schmelzeströmungen ausbildbar, insbesondere Dreiecksströmungen. Diese können teilweise auch lokal im Tiegel begrenzt ausgebildet werden. Weiter sind an verschiedenen Orten innerhalb der Schmelze unterschiedliche Strömungen ausbildbar.
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Tauchlanze 232. Die Tauchlanze 232 ist mit einer mit einer löchrigen Struktur 236 versehenen Verteilerplatte 234 derart verbunden, dass ein der Tauchlanze 232 zugeführtes Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 über die Verteilerplatte 234 einer in dem Tiegel 230 befindlichen Schmelze 36 zugeführt werden kann. In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist lediglich eine Verteilerplatte 234 vorgesehen, welche nur mit einer Tauchlanze 232 verbunden ist. Daneben kann eine Verteilerplatte auch mit mehreren Tauchlanzen verbunden sein. Des weiteren besteht die Möglichkeit, mehrere Tauchlanzen vorzusehen, von welchen eine oder mehrere jeweils mit einer gesonderten Verteilerplatte verbunden sind. Der Übersichtlichkeit halber ist der Austritt des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 aus der löchrigen Struktur 236 der Verteilerplatte 234 nur an deren linkem Ende dargestellt, so dass die löchrige Struktur 236 deutlich erkennbar ist. Die löchrige Struktur 236 braucht sich nicht notwendigerweise über die ganze Verteilerplatte 234 hinweg zu erstrecken, sondern kann auf einen Abschnitt der oberseitigen Oberfläche der Verteilerplatte 234 beschränkt sein. Daneben können mehrere löchrige Strukturen an der Verteilerplatte angeordnet sein, insbesondere auch an deren Unterseite.
8 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung. Diese weist nunmehr keine Tauchlanzen auf, sondern ist stattdessen mit einem Tiegel 70 versehen, dessen Tiegelwandung eine löchrige Struktur 72 in Form eines Lochgitters 72 aufweist. Über diese ist ein Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 wiederum der Schmelze 36 zuführbar. Die Öffnung in dem Lochgitter 72, bzw. der löchrigen Struktur allgemein, sind dabei vorteilhafterweise derart dimensioniert, dass aufgrund der Oberflächenspannung der Schmelze 36 die Schmelze 36 nicht aus dem Tiegel 70 austreten kann. Alternativ kann ein Austritt der Schmelze 36 durch die löchrige Struktur bzw. das Lochgitter 72 durch einen hohen Fluss des Reaktionspartner-Trägergasgemi sches bzw. einen hohen Druck des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 verhindert werden.
Die beschriebene vorteilhafte Dimensionierung der Öffnungen der löchrigen Struktur sowie das alternative Verhindern des Austretens der Schmelze durch die löchrige Struktur durch einen hohen Fluss des Reaktionspartner-Trägergasgemisches bzw. einen hohen Druck desselben kann in vorteilhafterweise bei sämtlichen Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in welchen eine löchrige Struktur vorgesehen ist, Verwendung finden, insbesondere auch bei der Verteilerplatte 234 aus 7 und dessen löchriger Struktur 236.
Nach Zufuhr des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 zur Schmelze reagieren wiederum die Reaktionspartner mit dort vorhandenen Verunreinigungen zu gasförmigen Verbindungen, welche selbständig oder durch Mitführung im Trägergas an die Oberfläche der Schmelze 36 transportiert werden. Dort treten sie aus der Schmelze aus und werden wiederum von einer Inertgasströmung 38 erfasst, zu deren Ausbildung eine Vorrichtung 76 vorgesehen ist. Diese kann beispielsweise durch eine Düse gebildet sein, durch welche ein Edelgas ausströmt.
Obwohl zur Durchführung des erfindungemäßen Verfahrens nicht zwingend erforderlich, wird auch in dem Ausführungsbeispiel der 8 die Ausbildung der Intertgasströmung 38 durch eine Absaugvorrichtung 40 unterstützt. Durch die resultierende Inertgasströmung werden die gasförmigen Verbindungen, das Trägergas sowie etwaige mitgeführte Partikel einer Wiederaufbereitungsvorrichtung 74 zugeführt, mittels welcher die Inertgasströmung bildenden Gase und/oder das Trägergas von den erfassten gasförmigen Verbindungen und Partikeln 44 zumindest teilweise abtrennbar sind. Zu diesem Zwecke können beispiels weise eine oder mehrere Kühlfallen in der Wiederaufbereitungsvorrichtung 74 vorgesehen sein. Eine Wiederaufbereitungsvorrichtung ist offensichtlich bei allen erfindungsgemäßen Schmelzereinigungsvorrichtungen in vorteilhafter Weise vorsehbar.
Wie im Ausführungsbeispiel der 8 schematisch angedeutet, sind die mittels der Wiederaufbereitungsvorrichtung 74 abgetrennten die Inertgasströmung bildenden Gase 138 und das abgetrennte Trägergas 134 der Inertgasströmung 38 bzw. dem Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 wieder zuführbar. Die abgetrennten gasförmigen Verbindungen und Partikel 144 hingegen werden aus der Schmelzereinigungsvorrichtung ausgeschleust.
9 gibt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wieder. Dieses kann gleichsam als Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus der 7 verstanden werden. So ist wiederum ein Tiegel 230 mit darin befindlicher Schmelze 236 sowie eine Verteilerplatte 235 vorgesehen. Die Verteilerplatte 235 verfügt wiederum über eine löchrige Struktur 236, welche in den oben beschriebenen Weisen ausgestaltet sein kann. Das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 wird hier jedoch nicht über eine Tauchlanze der Verteilerplatte 235 bzw. der löchrigen Struktur 236 zugeführt, sondern über Zufuhrleitungen 233a und 233b, welche durch die Wandung des Tiegels hindurch nach außen geführt sind. Der Austritt des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 erfolgt wiederum durch die Öffnungen der löchrigen Struktur 236 hindurch, was der leichteren Erkennbarkeit der löchrigen Struktur 236 wegen in 9 nur im linken Bereich grafisch angedeutet ist.
Im Ausführungsbeispiel der 9 ist die Verteilerplatte 235 nahe des Tiegelbodens angeordnet, doch ist dies nicht zwingend erforderlich. Die Zufuhrleitungen 233a, 233b können die Wandung des Tiegels grundsätzlich an beliebigen Stellen durchstoßen und nach außen hindurchreichen, doch sind die Zufuhrleitungen bevorzugt derart ausgestaltet, dass sie die Wandung des Tiegels 230 nahe der Verteilerplatte 235 durchstoßen. Auf diese Weise bleibt ein möglichst großes Schmelzevolumen frei von Elementen der Schmelzereinigungsvorrichtung, so dass ein Großteil der Schmelze nach ihrer Erstarrung entnommen werden kann, ohne dass hierbei auf darin vorhandene Elemente der Schmelzereinigungsvorrichtung Rücksicht genommen werden müsste. Auf diese Weise kann das Risiko der Beschädigung der Schmelzereinigungsvorrichtung verringert werden.
In der Darstellung der 9 sind zwei Zufuhrleitungen 233a, 233b vorgesehen. Die Anzahl der Zufuhrleitungen kann jedoch variieren, insbesondere kann eine Zufuhrleitung ausreichenden Durchmessers bereits ausreichend sein.
10 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer löchrigen Struktur. In dieser ist ein doppelwandiger Tiegel 270 vorgesehen, welcher eine innere Tiegelwandung 274 sowie eine äußere Tiegelwandung 276 aufweist. Zusammen bilden diese Tiegelwandungen 274, 276 einen Hohlraum 278 aus. In der inneren Tiegelwandung 274 ist eine löchrige Struktur 272 angeordnet, die in der Ausgestaltungsvariante der 7 wiederum als Lochgitter ausgeführt ist. Es kann sich prinzipiell jedoch auch um ein einzelnes oder einige Löcher in der inneren Tiegelwandung 274 handeln. Das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 kann über eine in der 7 lediglich schematisch dargestellte Gaszuführung 280 in den Hohlraum 278 geleitet und an die löchrige Struktur 272, bzw. das Lochgitter 272, herangeführt werden. Von hier aus kann das Reaktionspartner-Trägergasgemisch durch die löchrige Struktur des Lochgitters 272 hindurch der Schmelze 36 zugeführt werden, wie dies im Grundsatz bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der 5 erörtert wurde.
11 illustriert eine alternative Ausgestaltungsvariante zu dem doppelwandigen Tiegel der 10. Hierin ist der Tiegel 430 grundsätzlich einwandig ausgeführt, doch weist er einen doppelten Boden 434 auf. Während die untere Bodenplatte im Wesentlichen durchgängig ist und das Innere des Tiegels 430 von der Umgebung isoliert, weist die obere Bodenplatte eine löchrige Struktur 436 auf, welche in einer der oben beschriebenen Weisen ausgestaltet sein kann. Im Bereich zwischen der unteren und oberen Bodenplatte des doppelten Bodens 434 sind in der Wandung des Tiegels 430 Gaszuführungen 433a, 433b vorgesehen, über welche das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 in einen von dem doppelten Boden ausgebildeten Hohlraum 438 eingeleitet werden kann. Von hier aus gelangt es an die löchrige Struktur 436 und wird der Schmelze 36 zugeführt, wie dies in der linken Bildhälfte der 11 schematisch angedeutet ist. Die Zuführung des Reaktionspartner-Trägergasgemisches erfolgt bevorzugt über die ganze Fläche der oberen Bodenplatte des doppelten Bodens 434 hinweg, der Gasaustritt ist der besseren Erkennbarkeit der löchrigen Struktur 436 wegen allerdings nur in der linken Bildhälfte dargestellt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind erneut zwei Gaszuführungen 433a, 433b vorgesehen, deren Zahl ist jedoch variierbar. Insbesondere kann eine Gaszuführung ausreichend sein.
Die Darstellung in 12 gibt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wieder. Hierin ist, ähnlich wie im Ausführungsbeispiel der 11, ein Tiegel 470 vorgesehen, welcher einen doppelten Boden 478 aufweist. Dieser doppelte Boden 478 erstreckt sich im Gegensatz zu der Ausgestaltungsvariante der 11 jedoch nicht über die gesamte Bodenfläche des Tiegels 470 hinweg. Statt dessen ist nur ein Teil der Bodenfläche als doppelter Boden 478 ausgeführt. Analog zu der Ausgestaltungsvariante der 11 bildet auch hier der doppelte Boden 478 einen Hohlraum 479 aus, welcher nach oben zur Schmelze hin durch eine löchrige Struktur bzw. ein Lochgitter 427 begrenzt wird. In den Hohlraum 479 kann über die Gaszuführung 480 das Reaktionspartner-Trägergasgemisch eingeleitet werden, welches von dort durch die Öffnungen des Lochgitters 472 der Schmelze 36 zugeführt werden kann. Von dort aus breitet sich das Reaktionspartner-Trägergasgemisch 34 in der Schmelze 36 aus. In der Darstellung der 12 ist dies durch die Pfeile 476 dargestellt, wobei diese Pfeile 476 lediglich als grobe Richtungsangabe zu verstehen sind, da das Reaktionspartner-Trägergasgemisch in verwirbelten Bewegungen an die Oberfläche der Schmelze gelangt und nicht, wie dies die Pfeile 476 möglicherweise nahe legen könnten, auf direktem Wege. In gleicher Weise gelangen die entstandenen gasförmigen Verbindungen und etwaige mitgerissene Partikel an die Oberfläche der Schmelze.
Dadurch, dass der doppelte Boden 478 sich nur über einen Teil der Bodenfläche des Tiegels 470 erstreckt, findet durch das Einströmen des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 durch die Öffnungen des Lochgitters 472 in die Schmelze 36 ein Impulsübertrag auf die Schmelze statt, infolgedessen eine Schmelzeströmung 474 ausgebildet werden kann, welche in der 12 schematisch angedeutet ist. Diese Schmelzeströmung 474 bewirkt eine homogenere Verteilung des Reaktionspartner-Trägergasgemisches in der Schmelze, wodurch der Reinigungsef fekt aufgrund einer erhöhten Reaktionswahrscheinlichkeit mit in der Schmelze vorhandenen Verunreinigungen verbessert wird.
Zum Zwecke der Entfernung ausgetretener gasförmiger Verbindungen und etwaiger mitgerissener Partikel von der Oberfläche der Schmelze ist über dieser Oberfläche eine Inertgasströmung 38 ausgebildet. Auf eine Darstellung der hierzu vorzusehenden Vorrichtungen wurde der Übersicht halber in 12 verzichtet, da diese im Prinzip bekannt sind. Überdies wird auf die entsprechende Vorrichtung in der 8 verwiesen.
Die Schmelzeströmung 474 kann auch auf andere Art als durch den teilweise vorhandenen doppelten Boden ausgebildet werden. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, bei Vorrichtungen analog denen der 7 und 9 Verteilerplatten vorzusehen, welche sich lediglich über einen Teilbereich der Bodenfläche des Tiegels erstrecken. Daneben ist auch denkbar, dass sich die Verteilerplatten im Wesentlichen über die gesamte Bodenfläche des Tiegels hinweg erstrecken, aber nur in einem Teilbereich der Verteilerplatten eine löchrige Struktur bzw. Öffnungen vorgesehen sind. Neben weiteren gestalterischen Möglichkeiten ist auch denkbar, einen sich über die gesamte Bodenfläche des Tiegels hinweg erstreckenden doppelten Boden mit dem doppelten Boden 434 der 11 vorzusehen, bei dem allerdings in der oberen Platte nur in einem Teilbereich eine löchrige Struktur bzw. Öffnungen vorgesehen sind.
Die Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen der 5, 7 und 9 bis 12 können selbstverständlich in analoger Weise wie die Vorrichtungen gemäß den 2 und 8 mit Vorrichtungen zur Ausbildung einer Inertgasströmung, einer Wiederaufbereitungsvorrichtung und/oder einer Kühlfalle ausgestattet sein.
Bislang wurden unter anderem anhand der 1 bis 12 Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens erläutert. Diese Ausführungen können darüber hinaus auf das erfindungsgemäße Verfahren zweiter Art übertragen werden. Hierzu ist lediglich erforderlich, dass anstelle des Reaktionspartner-Trägergasgemisches 34 wenigstens ein Inertgas verwendet wird, welches der Schmelze an dessen statt zugeführt wird. Auf diese Weise wird der oben beschriebene Reinigungseffekt des Verfahrens zweiter Art ohne die Zufuhr von Reaktionspartnern erzielt. Unter dieser Voraussetzung können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und insbesondere die in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zweiter Art eingesetzt werden.
Sollen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausschließlich dazu verwendet werden, gemäß dem erfindungsgemäßen verfahren zweiter Art Inertgas der Schmelze zuzuführen, so können für die gasleitenden Elemente, beispielsweise die Gaszuführung 280, die innere und äußere Tiegelwandung 274, 276, Tauchlanzen oder in den Tauchlanzen angeordnete Rohre, zumindest teilweise andere Materialien verwendet werden, da Intergase bei weitem weniger reaktiv sind als ein Reaktionspartner-Trägergasgemisch und sie somit die gaseführenden Elemente weitaus weniger stark angreifen.

10: Zuführen Reaktionspartner-Trägergasgemisch
12: Ausbilden Inertgasströmung
14: Absaugen
16: Abtrennen Inertgasströmung bildende Gase und Trägergas
18: Wiederverwendung Inertgasströmung bildende Gase und Trägergas
20: Ausbilden Schmelzeströmung
30: Tiegel
32: Tauchlanze
32a: Tauchlanze
32b: Tauchlanze
34: Reaktionspartner-Trägergasgemisch
36: Schmelze
38: Intergasströmung
40: Absaugvorrichtung
42: Reaktionskammer
44: Partikel, gasförmige Verbindungen, Trägergas
45: Partikel, gasförmige Verbindungen, Trägergas
52: Tauchlanze
52a: Tauchlanze
52b: Tauchlanze
52c: Tauchlanze
52d: Tauchlanze
52e: Tauchlanze
52f: Tauchlanze
54: erstes Rohr
55: Zufuhrrichtung erstes Rohr
55a: Zufuhrrichtung erstes Rohr
55b: Zufuhrrichtung erstes Rohr
55c: Zufuhrrichtung erstes Rohr
55d: Zufuhrrichtung erstes Rohr
55e: Zufuhrrichtung erstes Rohr
55f: Zufuhrrichtung erstes Rohr
56: zweites Rohr
57: Zufuhrrichtung zweites Rohr
57a: Zufuhrrichtung zweites Rohr
57b: Zufuhrrichtung zweites Rohr
57c: Zufuhrrichtung zweites Rohr
57d: Zufuhrrichtung zweites Rohr
57e: Zufuhrrichtung zweites Rohr
57f: Zufuhrrichtung zweites Rohr
60: Öffnung erstes Rohr
62: Öffnung zweites Rohr
70: Tiegel
72: Lochgitter
74: Wiederaufbereitungsvorrichtung
75: Wiederaufbereitungsvorrichtung
76: Vorrichtung zur Ausbildung Inertgasströmung
77: Vorrichtung zur Ausbildung Inertgasströmung
134: abgetrenntes Trägergas
138: abgetrennte Inertgasströmung bildende Gase
144: abgetrennte gasförmige Verbindungen und Partikel
230: Tiegel
232: Tauchlanze
233a: Zufuhrleitung
233b: Zufuhrleitung
234: Verteilerplatte
235: Verteilerplatte
236: löchrige Struktur
270: Tiegel
272: Lochgitter
274: innere Tiegelwandung
276: äußere Tiegelwandung
278: Hohlraum
280: Gaszuführung
350a: Tauchlanze
350b: Tauchlanze
350c: Tauchlanze
350d: Tauchlanze
350e: Tauchlanze
352: Öffnung
354a: Öffnung
354b: Öffnung
354c: Öffnung
356: Röhre
358: poröses Element
360: Rohr
362: Rohr
370: Tiegel
430: Tiegel
433a: Gaszuführung
433b: Gaszuführung
434: doppelter Boden
436: löchrige Struktur
438: Hohlraum
470: Tiegel
472: Lochgitter
474: Schmelzeströmung
476: Ausbreitung Reaktionspartner-Trägergasgemisch
478: doppelter Boden
479: Hohlraum
480: Gaszuführung
φ: Öffnungswinkel

Claims

Verfahren zur Schmelzereinigung mit folgendem Verfahrensschritt: Zuführen (10) mindestens eines Reaktionspartners, welcher mit wenigstens einer in der Schmelze (36) vorhandenen Verunreinigung derart reagiert, dass diese in eine gasförmige Verbindung (44) überführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Inertgasströmung (38) über der Oberfläche der Schmelze ausgebildet wird (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reaktionsgas als Reaktionspartner eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als das wenigstens eine Reaktionsgas Chlorgas, Chlorwasserstoff oder Wasserstoff verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Reaktionsgas über wenigstens eine Tauchlanze (32a, 32b, 52, 52a) und/oder wenigstens eine löchrige Struktur (72) in einer Tiegelwandung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reaktionspartner nacheinander zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung (34) aus mehreren Reaktionspartnern zugeführt wird (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Reaktionspartner einem Trägergas beigemischt und zusammen mit diesem der Schmelze zugeführt wird (10).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas ein inertes Gas, vorzugsweise Argon, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Reaktionspartner dem Trägergas zeitlich versetzt beigemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reaktionspartner gleichzeitig dem Trägergas beigemischt werden oder eine Mischung mehrerer Reaktionspartner dem Trägergas beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsgase Chlorgas, Chlorwasserstoff und Wasserstoff dem Trägergas zeitlich versetzt beigemischt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas und die beigemischten Reaktionspartner über wenigstens eine Tauchlanze (32a, 32b, 52, 52a) und/oder eine löchrige Struktur (72) in einer Tiegelwandung zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Verunreinigung durch eine chemische Oxidation oder eine thermische Reaktion in eine gasförmige Verbindung (44) überführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbleiterschmelze (36), insbesondere eine Siliziumschmelze (36), gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschmelze (36) während der Zuführung (10) des mindestens einen Reaktionspartners auf einer Temperatur zwischen 1400°C und 1800°C gehalten wird, vorzugsweise auf einer Temperatur zwischen 1400°C und 1500°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgasströmung (38) unter Verwendung wenigstens eines Edelgases, vorzugsweise Argon, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die die Inertgasströmung (38) bildenden Gase und/oder die gasförmigen Verbindungen (44) abgesaugt (14) werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die abgesaugten Gase und/oder gasförmigen Verbindungen einer Kühlfalle (74) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas und die Inertgasströmung (38) bildendes Gas das gleiche Gas, vorzugsweise Argon, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die die Inertgasströmung (38) bildenden Gase von den erfassten gasförmigen Verbindungen (44) und/oder erfassten Partikeln (44) zumindest teilweise abgetrennt (16) und in der Inertgasströmung (138) oder als Trägergas (134) wiederverwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas von den erfassten gasförmigen Verbindungen (44) und/oder erfassten Partikeln (44) zumindest teilweise abgetrennt (16) und in der Inertgasströmung (138) oder als Trägergas (134) wiederverwendet wird (18).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zuführen (10) des Reaktionspartners oder eines Reaktionspartners mit beigemischtem Trägergas Schmelzeströmungen ausgebildet werden (20).
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung (20) von Schmelzeströmungen Reaktionspartner oder Reaktionspartner mit beigemischtem Trägergas an verschiedenen Stellen der Schmelze (36) zugeführt werden und/oder in verschiedenen Richtungen (55, 55a, 55b, 57, 57a, 57b) in die Schmelze (36) abgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere lokale Schmelzeströmungen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in zeitlicher Abfolge verschiedene Schmelzeströmungen ausgebildet werden.
Schmelzereinigungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 aufweisend: – einen Tiegel (30); – wenigstens eine Tauchlanze (32a, 32b, 52, 52a), über welche ein Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) einer in dem Tiegel (30) befindlichen Schmelze (36) zuführbar ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Tauchlanze (32a, 32b; 232) mindestens zwei innerhalb des Tiegels (30) angeordnete Öffnungen aufweist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Tauchlanze (32a, 32b; 232) ein poröses Element aufweist, über welches ein der wenigstens einen Tauchlanze zugeführtes Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) der Schmelze (36) zuführbar ist, vorzugsweise einen Stopfen aus porösem Material.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Tauchlanze (232) mit einer mit einer löchrigen Struktur (236) versehenen Verteilerplatte (234) derart verbunden ist, dass ein der Tauchlanze (232) zugeführtes Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) über die Verteilerplatte (234) der Schmelze (36) zuführbar ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Tauchlanze (52, 52a, 52b) mindestens zwei Rohre (54, 56) angeordnet sind, über deren Öffnungen (60, 62) das Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) der Schmelze (36) in verschiedenen Richtungen (55, 57) zuführbar ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Rohr (55, 55a, 57, 57a) mit einem schaltbaren Ventil versehen ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 oder 31 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass – sechs Tauchlanzen (52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f) vorgesehen sind; – in jeder Tauchlanze (52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f) zwei Rohre (55a, 55b, 55c, 55d, 55e, 55f) angeordnet sind; – vier Tauchlanzen (52a, 52b, 52c, 52d) in dem Tiegel auf den Eckpunkten eines Rechtecks und zwei (52e, 52f) im Innern des durch diese vier Tauchlanzen (52a, 52b, 52c, 52d) gebildeten Rechtecks angeordnet sind.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre einer ersten (52a) der auf den Ecken des Rechtecks angeordneten Tauchlanzen derart eingerichtet sind, dass über die Öffnung eines Rohres der ersten Tauchlanze (52a) das Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) der Schmelze (36) in einer Richtung (55a) zuführbar ist, die sich von der Richtung (57a), unter welcher über das andere Rohr das Reaktionspartner-Trägergemisch (34) zuführbar ist, in einer Horizontalebene um einen Winkel von ca. 90° unterscheidet.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre einer zweiten Tauchlanze (52d), welche ebenfalls auf einer Ecke des Rechtecks angeordnet und der ersten diagonal gegenüberliegend angeordnet ist, derart eingerichtet sind, dass über die Öffnung eines Rohres der zweiten Tauchlanze (52d) das Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) der Schmelze (36) in einer Richtung zuführbar ist, die sich von der Richtung, unter welcher über das andere Rohr das Reaktionspartner-Trägergemisch (34) zuführbar ist, in einer Horizontalebene um einen Winkel von ca. 90° unterscheidet.
Schmelzereinigungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 26 mit einem Tiegel (70; 270), dadurch gekennzeichnet, dass die Tiegelwandung (274) wenigstens eine löchrige Struktur (72; 272) aufweist, über welche ein Reaktionspartner-Trägergasgemisch (34) der Schmelze (36) zuführbar ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die löchrige Struktur (72; 272) durch ein Lochgitter (72; 272) oder eine Netzstruktur oder ein Frittengewe be gebildet ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (76) zur Ausbildung einer Inertgasströmung (38) über der Oberfläche der Schmelze (36) vorgesehen ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass eine Absaugvorrichtung (40) vorgesehen ist.
Schmelzereinigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wiederaufbereitungsvorrichtung (74) vorgesehen ist, mittels welcher die Inertgasströmung (38) bildenden Gase und/oder das Trägergas von erfassten gasförmigen Verbindungen und Partikeln (44) zumindest teilweise abtrennbar ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 42 zur Reinigung einer Halbleiterschmelze.
Verwendung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Reinigung einer Siliziumschmelze, vorzugsweise einer Schmelze aus metallurgischem Silizium, verwendet wird.
Verfahren zur Schmelzereinigung, bei welchem der Schmelze (36) wenigstens ein Inertgas derart zugeführt wird, dass dies eine Durchmischung der Schmelze (36) bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Inertgas über wenigstens eine Tauchlanze (32a, 32b, 52, 52a) und/oder wenigstens eine löchrige Struktur (72) in einer Tiegelwandung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass eine Inertgasströmung (38) über der Oberfläche der Schmelze (36) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbleiterschmelze (36), insbesondere eine Siliziumschmelze (36), gereinigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass die Inertgasströmung (38) unter Verwendung wenigstens eines Edelgases, vorzugsweise Argon, ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die die Inertgasströmung (38) bildenden Gase und/oder aus der Schmelze (36) ausgetretene gasförmige Verbindungen (44) abgesaugt werden.
Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass die abgesaugten Gase und/oder gasförmigen Verbindungen einer Kühlfalle (74) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die die Inertgasströmung (38) bildenden Gase von den erfassten gasförmigen Verbindungen (44) und/oder erfassten Partikeln (44) zumindest teilweise abgetrennt und in der Inertgasströmung (138) wiederverwendet oder der Schmelze (36) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass das der Schmelze (1) zugeführte wenigstens eine Inertgas von erfassten gasförmigen Verbindungen (44) und/oder erfassten Partikeln (44) zumindest teilweise abgetrennt und der Schmelze (36) erneut zugeführt oder in der Inertgasströmung (138) wiederverwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 43 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Zuführen des wenigstens einen Inertgases in die Schmelze (36) Schmelzeströmungen ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung von Schmelzeströmungen das wenigstens eine Inertgas an verschiedenen Stellen der Schmelze (36) zugeführt und/oder in verschiedenen Richtungen (55, 55a, 55b, 57, 57a, 57b) in die (36) abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 52 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere lokale Schmelzeströmungen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 52 bis 54, dadurch gekennzeichnet, dass in zeitlicher Abfolge verschiedene Schmelzeströmungen ausgebildet werden.