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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen und/oder Kristallisieren
von Nicht-Eisen-Metallen, insbesondere von Silicium. Des Weiteren
betrifft die Erfindung eine Kühlplatte zur Wärmeabfuhr
aus einer Schmelze, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen
Kühlplatte. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung
von multikristallinem Silicium nach dem vertical gradient freeze-Verfahren,
insbesondere für Anwendungen in der Photovoltaik.
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Es
ist bekannt, Nicht-Eisen-Metalle, wie Silicium, in Quarzkokillen
einzuschmelzen und kristallisieren zu lassen, um multikristalline
Siliciumblöcke für die Weiterverarbeitung in der
Photovoltaik herzustellen. Während des Kristallisierens
und Abkühlens des Nicht-Eisen-Metalls erfolgt eine Wärmeabfuhr durch
Abstrahlung von Wärme an den Außenwänden der
Kokille und der Oberfläche des Siliciums. Bei diesem Verfahren
ist das Silicium möglichst gleichmäßig abzukühlen,
da ansonsten starke thermische Spannungen entstehen können,
die eine Versetzungsbildung und Versetzungsmultiplikation begünstigen
und Risse in dem erstarrten, blockförmigen Silicium verursachen.
Des Weiteren würde eine ungleichmäßige Abkühlung
eine Rückdiffusion von Fremdstoffen, insbesondere Metallen,
aus Randbereichen in das Innere des blockförmigen Siliciums
begünstigen. Sowohl die Versetzung als auch die rückdiffundierten
Fremdstoffe wirken als Rekombinationszentren und reduzieren den
photovoltaischen Wirkungsgrad von Solarzellen.
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Aus
dem deutschen Patent
DE
10 2005 013 410 B4 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum gerichteten Erstarren von Halbleitermaterialien bekannt. Der
Behälter zur Aufnahme des flüssigen Halbleitermaterials
weist einen Boden auf, wobei ein steuerbares Kühlelement
zur Abfuhr von Wärme von dem Boden vorgesehen ist. Zusätzlich
ist ein steuerbares Heizelement zur Zufuhr von Wärme zu
dem Boden vorgesehen, um ein homogenes Temperaturprofil am Boden
zu erhalten. Nachteilig ist, dass ein wesentlicher Teil der durch
den Bodenheizer erzeugten Wärme an das Kühlfluid
abgegeben wird.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühlplatte so
auszugestalten, dass ein vergleichbares Temperaturprofil im Boden
bei deutlich verringerter Heizleistung erreicht werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der
unabhängigen Patentansprüche. In den jeweiligen
Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen
angegeben. Die erfindungsgemäße Kühlplatte
dient zur Wärmeabfuhr aus einer Schmelze, insbesondere
einer Schmelze von Nicht-Eisen-Metall, wie beispielsweise Silicium.
In der Kühlplatte sind Kühlkanäle angeordnet,
welche zur Durchleitung eines Kühlfluids dienen. Die Kühlkanäle sind
dabei in mindestens einer ersten Erstreckungsrichtung der Kühlplatte
verlaufend angeordnet, im Wesentlichen parallel zueinander. Jeder
Kühlkanal weist dabei einen Kanalquerschnitt auf, wobei
unter dem Kanalquerschnitt der von dem Kühlfluid in Strömungsrichtung
senkrecht durchströmte Querschnitt zu verstehen ist. Die
Kanalquerschnitte der Kühlkanäle addieren sich
zu einem Gesamtquerschnitt der Kühlplatte. Erfindungsgemäß ist
der Gesamtquerschnitt ungleichmäßig über
mindestens eine zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte
verteilt. Die Verteilung des Gesamtquerschnitts der Kühlkanäle über die
zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte hinweg könnte
in diesem Sinne auch als inhomogen bezeichnet werden. Soweit hier
auf Nicht-Eisen-Metallen Bezug genommen wird, soll dies auch Halbleiter mit
einschließen.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlplatte
liegt darin, dass mit der ungleichmäßigen Verteilung
des Gesamtquerschnitts auch die Fähigkeit zur Ableitung
von Wärmeenergie aus der Schmelze nicht gleichmäßig über
die Fläche der Kühlplatte verteilt ist. Die erfindungsgemäße
Kühlplatte ist somit vorteilhaft an die Verhältnisse
einer zu kristallisierenden Schmelze anpassbar, deren Wärmeabstrahlung ebenso
wenig homogen über einen Boden einer Schmelzkokille verteilt
ist. Insgesamt ist so ein vergleichsweise homogenes Temperaturprofil über
den Boden erreichbar. Die Schmelzkokille wird auch als Quarzkokille
oder Quarzguttiegel bezeichnet.
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Die
Kühlplatte im Sinne der Erfindung weist eine flache Grundform
auf, d. h. sie erstreckt sich im Wesentlichen in einer Ebene, welche
durch zwei Haupterstreckungsrichtungen der Kühlplatte definiert ist.
Die erste Erstreckungsrichtung der Kühlplatte und die zweite
Erstreckungsrichtung der Kühlplatte entsprechen im Wesentlichen
den Haupterstreckungsrichtungen, d. h. die erste Erstreckungsrichtung
ist vorzugsweise senkrecht zu der zweiten Erstreckungsrichtung ausgerichtet.
Eine Fläche der Kühlplatte erstreckt sich in der
Ebene der zwei Haupterstreckungsrichtungen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in einem
zentralen Bereich der Kühlplatte ein größerer
An teil des Gesamtquerschnitts angeordnet, als in einem Randbereich
der Kühlplatte. Unter dem zentralen Bereich der Kühlplatte
ist der um einen Mittelpunkt bzw. einen Flächenschwerpunkt
der Kühlplatte herum angeordnete Bereich zu verstehen,
welcher insbesondere von dem Rand der Kühlplatte beabstandet
ist. Der Randbereich im Sinne der Erfindung ist gerade derjenige
Bereich der Kühlplattenfläche, welche außerhalb
des zentralen Bereichs liegt und sich in der Regel bis an die Ränder der
Kühlplatte erstreckt. Der zentrale Bereich und der Randbereich
weisen vorzugsweise in etwa vergleichbar große Teiloberflächen
der Kühlplattenoberfläche auf. So wird eine verstärkte
Wärmeabfuhr in dem zentralen Bereich erreicht, was in der
Regel bei der Kristallisation von Schmelzen vorteilhaft ist. Die
geometrische Form des zentralen Bereichs ist gegebenenfalls abhängig
von der Grundform der jeweiligen Kokille.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Gesamtquerschnitt
ungleichmäßig über die erste Erstreckungsrichtung
der Kühlplatte verteilt. Durch eine ungleichmäßige
oder inhomogene Verteilung des Gesamtquerschnitts in der ersten
und der zweiten Erstreckungsrichtung ergibt sich vorteilhaft eine
zweidimensionale, inhomogene Verteilung des Querschnitts und damit
der Fähigkeit zur Ableitung von Wärme aus de Schmelze.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
Kühlkanäle auch in der zweiten Erstreckungsrichtung
der Kühlplatte verlaufend angeordnet. Diese dienen ebenfalls
zur Durchleitung des Kühlfluids, wobei sich zwischen den
Kühlkanälen der ersten Erstreckungsrichtung und
den Kühlkanälen der zweiten Erstreckungsrichtung
eine vorzugsweise dünne, den Wärmeübergang wenig
behindernde Mate rialbarriere befindet, deren Stärke ausreichend
ist, um die jeweiligen Kühlkanäle fluiddicht voneinander
zu trennen. Vorzugsweise addieren sich die Kanalquerschnitte der
in der zweiten Erstreckungsrichtung verlaufenden Kühlkanäle
zu einem Gesamtquerschnitt der zweiten Erstreckungsrichtung, wobei
dieser Gesamtquerschnitt der zweiten Erstreckungsrichtung ungleichmäßig über
die erste Erstreckungsrichtung der Kühlplatte verteilt
ist. Vorteilhafterweise besteht so eine ungleichförmige Verteilung
der Kanalquerschnitte in der ersten und in der zweiten Erstreckungsrichtung,
also über die Fläche der Kühlplatte.
Es wird so vorteilhaft eine Kühlplatte zur Verfügung
gestellt, welche eine gezielte ungleichmäßige
Verteilung der über sie ableitbaren Wärmemenge
aufweist. Die Kühlplatte kann so an die Temperaturverhältnisse
einer kristallisierenden Schmelze hinsichtlich deren Flächenverteilung
angepasst werden, so dass letztlich ein vergleichsweise homogenes
Temperaturprofil im Boden der Schmelzkokille erreicht werden kann.
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Eine
zweidimensionale Verteilung des Gesamtquerschnitts lässt
sich alternativ gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung realisieren, worin die Kanalquerschnitte
mindestens eines Teils der Kühlkanäle in Strömungsrichtung
des Kühlfluids zumindest von dem Randbereich zu dem zentralen
Bereich hin anwachsend ausgebildet sind. Auf quer verlaufende, also
in der zweiten Erstreckungsrichtung verlaufende Kühlkanäle
kann so gegebenenfalls verzichtet werden. Durch eine Veränderung
des Kanalquerschnitts entlang seiner Länge kann vorteilhaft
auch in dieser Richtung die Wärmeabfuhr eingestellt werden.
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Eine
Verteilung des Gesamtquerschnitts über die erste und/oder
die zweite Erstreckungsrichtung der Kühlplatte lässt
sich mittels mathematischer Ausdrücke angeben. Im Folgenden
wird der Begriff Verteilung des Gesamtquerschnitts und Verteilung der
Kanalquerschnitte gleichbedeutend verwendet, da die Verteilung des
Gesamtquerschnitts sich aus der Verteilung der Kanalquerschnitte
ergibt. Die Verteilung besteht in der ersten Erstreckungsrichtung und/oder
in der zweiten Erstreckungsrichtung, ohne dass darauf jeweils im
Einzelnen eingegangen wird.
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Bevorzugt
ist ein streng monoton abfallender Verlauf der Verteilung des Kanalquerschnitts
von Mitte der Kühlplatte zum Rand der Kühlplatte,
besonders bevorzugt ein linearer Verlauf. Der Fachmann erkennt,
dass diese Idealisierung mit einer endlichen Mehrzahl von Kühlkanälen
nur angenähert erreichbar ist. Tatsächlich wird
der Kanalquerschnitt von der Mitte der Kühlplatte zu einem
Rand der Kühlplatte hin stets schrittweise abnehmen, vorzugsweise
kontinuierlich.
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Insbesondere
ist es bevorzugt, dass die Querschnitte der Kühlkanäle,
welche in dem zentralen Bereich angeordnet sind, bzw. durch diesen
verlaufen, größer sind, als die Querschnitte derjenigen Kühlkanäle,
welche in dem Randbereich angeordnet sind. Besonders bevorzugt nimmt
der Querschnitt der Kühlkanäle von der Mitte der
Kühlplatte zu ihren Rändern hin schrittweise,
bevorzugt kontinuierlich ab. Gemäß einer weiteren
bevorzugten Ausführungsform, sind die Querschnitte der
Kühlkanäle im Wesentlichen gleich, wobei in dem
zentralen Bereich mehr Kühlkanäle angeordnet sind,
als in dem Randbereich. Besonders bevorzugt steigt ein Abstand zwischen
den Kühlkanälen von der Mitte der Kühlplatte zu
den Rändern der Kühlplatte hin schrittweise, bevorzugt
kontinuierlich an.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Kühlkanäle in einem Gegenstromverfahren durchströmbar.
Das bedeutet, dass zumindest ein Teil der Kühlkanäle
so ausgebildet ist, dass das Kühlfluid diese in einer entgegengesetzten
Richtung durchströmt als andere Kühlkanäle.
Dadurch wird die Fähigkeit zur Wärmeaufnahme entlang
der Strömungsrichtung des Fluids, bzw. in der Erstreckungsrichtung
der Kühlkanäle homogenisiert. Bevorzugt ist eine
erste Gruppe der Kühlkanäle in der ersten Erstreckungsrichtung
durchströmbar und eine zweite Gruppe der Kühlkanäle
entgegen der ersten Erstreckungsrichtung durchströmbar.
Zusätzlich oder alternativ ist vorzugsweise eine erste
Gruppe der Kühlkanäle in der zweiten Erstreckungsrichtung
durchströmbar und eine zweite Gruppe der Kühlkanäle
entgegen der zweiten Erstreckungsrichtung durchströmbar.
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Bevorzugt
werden jeweils zwei benachbarte Kühlkanäle in
jeweils unterschiedlicher Richtung durchströmt. In der
zweiten Erstreckungsrichtung und/oder in der ersten Erstreckungsrichtung
ist vorzugsweise jeweils abwechselnd ein Kanal der ersten Gruppe
und ein Kanal der zweiten Gruppe angeordnet. Dies kann beispielsweise
realisiert werden, indem die einzelnen Kühlkanäle
zu einem mäandrierenden Kanal zusammengeschlossen sind.
Es ist jedoch bevorzugt, dass das Kühlfluid die Kühlplatte
nur einmal durchströmt. Dazu weist die Kühlplatte
vorzugsweise geeignete Zuführvorrichtungen an der Eingangsseite
der Kühlkanäle und entsprechende Abführvorrichtungen
an der Abflussseite der Kühlkanäle auf. Bei Realisierung
des Gegenstromverfahrens muss auf jeder Seite der Kühlplatte
sowohl eine Zufuhr- als auch eine Abführvorrichtung vorgesehen sein.
Als Zuführeinrichtung ist bevorzugt jeweils ein Sammelkanal
vorgesehen, wobei der Sammelkanal besonders bevorzugt so groß ausgelegt
ist, dass Druckschwankungen ausgeglichen werden und nach Möglichkeit
alle an den Sammelkanal angeschlossenen Kühlkanäle
gleichermaßen mit Kühlfluid unter entsprechendem
Betriebsdruck versorgt werden. Weiterhin bevorzugt erfolgt eine
Zuleitung des Kühlfluids zu dem Sammelkanal in dessen mittlerem
Bereich, so dass vorteilhaft ein nicht vollständig vermeidbarer
Druckabfall über die Länge des Sammelkanals dazu
führt, dass die in dem zentralen Bereich angeordneten,
bzw. diesen durchströmenden Kühlkanäle
mit einem höheren Druck des Kühlfluids versorgt
werden, als die in dem Randbereich verlaufenden Kühlkanäle.
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Das
Kühlfluid kann nach dem Durchströmen der Kühlplatte über
einen Wärmetauscher geführt werden, um anschließend
erneut die Kühlplatte zu durchströmen. Alternativ
dazu ist der Kühlfluidkreislauf offen, d. h. die Kühlplatte
wird laufend mit neuem Kühlfluid durchströmt,
welches nach dem Durchströmen vorzugsweise für
eine spätere Wiederverwendung gesammelt wird.
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Die
Kühlkanäle sind bevorzugt im Wesentlichen rechteckig
ausgeführt, wobei der umgesetzte hydraulische Durchmesser
bestimmt, welche Wärmemenge mit dem bevorzugt gasförmigen
Kühlfluid abführbar ist. Die Kühlkanäle
unterscheiden sich besonders bevorzugt hinsichtlich ihrer Breite
und weisen eine konstante Tiefe auf. Die Kühlplatte ist
vorzugsweise aus Graphit hergestellt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen und/oder
Halbleitermaterial, wobei die Vorrichtung eine erfindungsgemäße
Kühlplatte aufweist. In der Regel weist eine solche Vorrichtung
im Übrigen einen Kessel, eine Isolation, eine Heizeinrichtung
zur Zufuhr von Wärme in das Nicht-Eisen-Metall und/oder
Halbleitermaterial und ein Tiegelsystem auf, wobei die Kühlplatte
unterhalb des Tiegels angeordnet ist.
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Die
Wärmeabfuhr über die Kühlplatte ist bevorzugt
steuerbar. Dazu ist bevorzugt der Druck des Kühlfluids
bzw. die Durchflussmenge regelbar, beispielsweise mit Hilfe entsprechender
Pumpen und/oder Ventile. Das verwendete Kühlfluid ist vorzugsweise
gasförmig. Vorzugsweise wird Stickstoff, Argon oder Helium
oder ein Gemisch von mindestens zweien dieser Gase verwendet. Während
eines Schmelzvorgangs in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist die Kühlplatte vorzugsweise nicht aktiv,
d. h. es wird kein Kühlfluid durch die Kühlkanäle
zirkuliert. Die Heizeinrichtung weist vorzugsweise keinen sogenannten
Bodenheizer unter dem Tiegel auf. Die erfindungsgemäße
Kühlplatte kann jedoch durchaus auch mit einem vorhandenen
Bodenheizer betrieben werden. Bereits dabei kommt es vorteilhaft
zu einer Energieeinsparung.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren
für eine erfindungsgemäße Kühlplatte,
wobei die Kühlplatte aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt
wird und wobei die Kühlkanäle in eine erste Platte
in der ersten Erstreckungsrichtung eingebracht werden. Das konkrete Herstellungsverfahren
ist im Wesentlichen von der Kühlkanalquerschnittsform abhängig.
Denkbar sind unter anderem rechteckige, quadratische und runde Kühlkanalquerschnitte,
wobei Kühlkanäle mit rundem Querschnitt in der
Regel durch Bohren in die Platte eingebracht werden. Unabhängig
von der Form der Kühlkanalquerschnitte werden an die erste
Platte ein oder mehrere Sammel- und/oder Verteilerkanäle
ange setzt, welche zumindest jeweils Gruppen der Kühlkanäle
miteinander verbinden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
werden Kanäle aus einer Oberfläche der ersten
Platte in der ersten Erstreckungsrichtung herausgearbeitet, vorzugsweise
gefräst. Die erste Platte wird mit einer zweiten Platte dann
so verbunden, dass die Kanäle bedeckt werden. Durch den
beschriebenen Vorgang entstehen bevorzugt Kühlkanäle
mit rechteckigem Querschnitt. Die Herstellung ist beispielsweise
gegenüber dem Bohren von Kühlkanälen
deutlich vereinfacht. Dagegen entfällt bei gebohrten Kühlkanälen
der Aufbau mit mehreren, übereinander angeordneten Platten.
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Die
Verbindung der Platten untereinander bzw. mit den Sammel- und/oder
Verteilerkanälen kann lösbar oder unlösbar
ausgeführt sein. Die Platten werden bevorzugt durch Kraft-
und/oder Formschlüssige Verbindungen durch Klebemittel
oder mittels Dichtungen und Zug- oder Spannankern fluiddicht zusammengehalten.
Auch können Nut- und Federsysteme oder Verschraubungen
vorgesehen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden aus einer
weiteren Oberfläche der ersten Platte und/oder aus einer
Oberfläche der zweiten Platte in der zweiten Erstreckungsrichtung
Kanäle herausgearbeitet, vorzugsweise gefräst und
anschließend die erste Platte und/oder die zweite Platte
mit mindestens einer dritten Platte verbunden. Die erste Erstreckungsrichtung
ist dabei vorzugsweise senkrecht zu der zweiten Erstreckungsrichtung
angeordnet. Die so hergestellte Kühlplatte weist vorteilhaft
quer zueinander verlaufende Kühlkanäle in mindestens zwei
verschiedenen Ebenen auf. Der Fachmann erkennt, dass im Sinne der
Erfindung eine Vielzahl von Ebenen mit Kühlkanälen
in einer Kühlplatte realisiert sein kann.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Herstellung von multikristallinem Silicium nach
dem Vertical Gradient Freeze-Verfahren, insbesondere für Anwendungen
in der Photovoltaik.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Die Ausführungen betreffen alle Gegenstände der
Erfindung. Die dargestellten Ausführungsformen sind beispielhaft
und grenzen den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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Es
zeigen
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1 einen
grundsätzlichen schematischen Aufbau einer Vorrichtung
zum Schmelzen und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen;
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2 und 3 Diagramme
zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß 1;
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3 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Kühlplatte;
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5a, 5b und 5c schematische Schnittdarstellungen
verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Kühlplatte.
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Anhand
der 1 wird eine Vorrichtung (10) zum Schmelzen
und/oder Kristallisieren von Nicht-Eisen-Metallen beschrieben. Im
Wesentlichen besteht die Anlage aus einem Kessel (13),
einer Isolation (nicht dargestellt), einer Heizeinrichtung (11),
einem Tiegel (12) und einer Kühlplatte (1).
Der Kessel (13) ist in der Regel aus Edelstahl gefertigt.
Es ist jedoch auch möglich, ihn aus Normalstahl herzustellen.
Der Kessel besteht aus einem Mittelteil, einem Boden und einem Deckel
(nicht dargestellt). Der Kessel kann beispielsweise doppelwandig
ausgeführt und wassergekühlt sein. Ein Be- und
Entladen des Kessels erfolgt in der Regel über den Boden,
welcher abgelassen und herausgefahren werden kann. Innerhalb des
Kessels (13) befindet sich eine nicht dargestellte Isolation
aus Graphitharzfilz, welche die Kesselwand von der Wärme,
die beim Aufschmelzen entsteht, abschirmt und dafür sorgt,
dass die eingebrachte Energie während des Aufschmelzens
innerhalb der Anlage bleibt. Innerhalb der Isolation sind ein bis
drei Heizer der Heizeinrichtung (11) angeordnet, hier beispielsweise
ein Decken-, ein Boden- und ein Umfangheizer. Bei den Heizern handelt
es sich um widerstandsbeheizte Graphitheizelemente. Die Heizer dienen
sowohl zum Aufschmelzen von Nicht-Eisen-Metallen, als auch zur Steuerung
der Kristallisation. Die Heizer sind so angeordnet, dass eine möglichst
große Gleichmäßigkeit der Temperatur
beim Aufschmelzen erreicht werden kann. Gleichzeitig sind die Heizelemente
(11) so angeordnet, dass es möglich ist, die Erstarrung
durch Herunterfahren der Heizer zu steuern. Die Temperatur wird dabei
vorzugsweise linear abgesenkt. Beim Aufschmelzen wird der größte
Anteil durch den oben angeordneten Deckenheizer geleistet, da dieser
unmittelbar auf das Nicht-Eisen-Metall strahlt. Der Umfangheizer
besteht bei viereckigen Tiegeln beispielsweise aus vier Einzelteilen,
welche an den Ecken miteinander ver bunden sind. Diese Verbindung
ist so ausgeführt, dass es in den Ecken nicht zu einer
Verschlechterung des Temperaturprofils kommt.
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Bei
der Erstarrung der Schmelze dient der Umfangheizer dazu, die Kristallisationsfront
des Nicht-Eisen-Metalls möglichst eben zu halten. Eine konkave
oder konvexe Kristallisationsfront soll vermieden werden, da diese
Blockformen zu mehr Abfall bei der Weiterverarbeitung des kristallisierten
Blocks führen. Der Bodenheizer ist hier zwischen der Kühlplatte
(1) und dem Tiegelboden angeordnet. Beim Aufschmelzen führt
der Bodenheizer Wärme durch den Tiegelboden zu und unterstützt
damit den Schmelzvorgang. Eine Kühlplatte nach dem Stand der
Technik ist beispielsweise eine wassergekühlte Kupferkühlplatte,
welche während des gesamten Prozesses Wärme abführt.
Dies ist bei der Kristallisation erwünscht, beim Aufschmelzen
dagegen sehr nachteilhaft. Die Kristallisationsphase wird eingeleitet,
indem der Bodenheizer auf eine Temperatur unterhalb der Erstarrungstemperatur
des Nicht-Eisen-Metalls gebracht wird. Silicium beispielsweise beginnt
bei 1410°C zu kristallisieren. Bei der Herstellung von
Solarsiliciumblöcken ist es entscheidend, diese Temperatur
möglichst gleichmäßig über den gesamten
Tiegelboden zu erreichen. Im Anschluss an diesen sogenannten Ankeimvorgang
wird mit Hilfe des Bodenheizers die Temperatur weiter heruntergefahren.
Die bei dem Kristallwachstum frei werdende Wärme wird mit
Hilfe der Kühlplatte abgeführt.
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Das
Tiegelsystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht aus einem mehrteiligen Stütztiegel und einem Schmelztiegel.
Der Schmelztiegel besteht vorzugsweise aus beschichtetem Quarzgut, wodurch
ein Anbacken des Siliciums vermieden wird. Der Stütztiegel
aus Graphitplatten ist notwendig, da der Schmelztiegel beim Aufschmelzen
weich wird.
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Bei
einem Prozess zur Herstellung von Siliciumblöcken für
die Herstellung von Solarwafern nach dem sogenannten ”vertical
gradient freeze” (VGF) Verfahren handelt es sich prinzipiell
um einen Umschmelzprozess, bei dem zunächst der Schmelztiegel
mit Rohsilicium befüllt wird. Dieses kann beispielsweise
als Granulat oder als Stückgut vorliegen. Nach dem Befüllen
des Tiegels wird der Kessel (13) evakuiert und anschließend
mit einem Prozessgas beaufschlagt, beispielsweise mit Argon. Das
Rohsilicium wird bei einer Temperatur von 1450°C aufgeschmolzen
und die Schmelze noch einige Zeit bei dieser Temperatur gehalten,
um vorhandene Verunreinigungen an die Oberfläche der Schmelze
zu bringen. Um die Kristallisation einzuleiten, wird die Temperatur
des Bodenheizers auf 1390°C eingestellt. Es kommt zur Ankeimung
und Kristallisation der Schmelze am Boden des Tiegels. Die Temperaturen aller
Heizer werden abgesenkt, bis das gesamte Silicium erstarrt ist.
Anschließend wird in der Regel die Temperatur noch einmal
in einem Temperschritt angehoben.
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In
der 2 ist in einem Diagramm ein Energiefluss der Heizeinrichtung
(11, 1) dargestellt. In Schritt (100)
wird elektrische Energie in die Heizeinrichtung geleitet. In Schritt
(101) wird diese Energie in der Heizeinrichtung induktiv
in Wärme umgewandelt. Das Aufschmelzen des Siliciums ist
Schritt (102). Anschließend wird in Schritt (103)
die Erstarrung eingeleitet. Über die Kühlplatte
wird in Schritt (104) die Kristallisationswärme
abgeführt, indem die Wärmeenergie auf das Kühlfluid übertragen
wird, Schritt (105).
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In
der 3 ist derselbe Energiefluss durch die einzelnen
Bauteile aufgezeigt. Die elektrische Energie von einem Netzgerät
(106) gelangt über einen Transformator (107)
in die Heizeinrichtung (11). Die widerstandsbeheizten Heizer
werden dann durch den elektrischen Strom erwärmt und schmelzen
das gesamte Silicium auf. Nach dem Aufschmelzen wird durch das Herunterfahren
der Heizer die Kristallisation gesteuert, die Kühlplatte
(1) führt dann zuletzt die Energie ab.
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In
der 4 ist eine erfindungsgemäße Kühlplatte
(1) schematisch dargestellt. Es handelt sich dabei vorzugsweise
um eine gasgekühlte Graphitplatte. Die Kühlplatte
(1) erstreckt sich in einer Ebene, welche durch eine erste
Erstreckungsrichtung x und eine zweite Erstreckungsrichtung y der Kühlplatte
(1) aufgespannt wird. In der ersten Erstreckungsrichtung
x verlaufen Kühlkanäle (2) durch die Kühlplatte
(1), wobei die mit dem Bezugszeichen (21) gekennzeichneten
Kühlkanäle in einer entgegengesetzten Richtung
durchströmt werden, wie die mit dem Bezugszeichen (20)
gekennzeichneten Kühlkanäle. Vorzugsweise weist
die Kühlplatte (1) auch in ihrer zweiten Erstreckungsrichtung
y Kühlkanäle (2) auf. Hierbei werden
die mit dem Bezugszeichen (23) gekennzeichneten Kühlkanäle
in entgegengesetzter Richtung durchströmt, wie die mit
dem Bezugszeichen (22) gekennzeichneten Kühlkanäle.
In der dargestellten Ausführungsform der Kühlplatte
(1) ist also sowohl das Gegenstromprinzip zum Wärmetausch verwirklicht,
wie auch überkreuzende Kühlkanäle.
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Die
Kanalquerschnitte der einzelnen Kühlkanäle (2)
addieren sich zu einem Gesamtquerschnitt, welcher erfindungsgemäß ungleichmäßig über
die zweite Erstreckungsrichtung y, bzw. über die zweite Erstreckungsrichtung
y und die erste Erstreckungsrichtung x verteilt ist. Der Gesamtquerschnitt
bzw. die Kanalquerschnitte haben einen wesentlichen Einfluss auf
die mittels der Kühlplatte (1) abführbare Wärmemenge.
Die Fähigkeit zur Abführung von Wärme
ist daher über die Fläche der Kühlplatte
(1) ebenfalls ungleichmäßig verteilt.
Auf diese Art und Weise lässt sich die ebenfalls ungleichförmig über
die Bodenfläche des Tiegels verteilte Kristallisationswärme so
ausgleichen, dass ein homogenes Temperaturprofil entsteht. Durch
die erfindungsgemäße Kühlplatte lassen
sich Temperaturdifferenzen in der Keimzone von weniger als 10° Kelvin
erreichen. Vorzugsweise wird dazu kein Bodenheizer eingesetzt. So
lassen sich vorteilhaft höhere Wachstumsraten des Siliciumkristalls
von beispielsweise 35 Millimeter pro Stunde erreichen.
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In
einem zentralen Bereich (3), welcher hier durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist, fällt eine höhere Wärmemenge
an, als in einem Randbereich (4). Die erfindungsgemäße
Kühlplatte (1) kann daher in dem zentralen Bereich
(3) eine größere Wärmemenge
ableiten, als in dem Randbereich (4). Dazu ist ein größerer
Anteil des Gesamtquerschnitts in dem zentralen Bereich (3)
angeordnet, als in dem Randbereich (4). Bevorzugt ist dies
dadurch realisiert, dass der mit dem Bezugszeichen (24)
gekennzeichnete Kühlkanal einen größeren
Kanalquerschnitt aufweist, als der mit dem Bezugszeichen (25)
bezeichnete Kanal, welcher in dem Randbereich (4) liegt.
Die zwischen den, mit (24) und (25) bezeichneten
Kühlkanälen liegenden Kühlkanäle
können beispielsweise den gleichen Kanalquerschnitt wie
der Kühlkanal (24) oder der Kühlkanal
(25) aufweisen. Bevorzugt wird der Kanalquerschnitt jedoch
von innen nach außen schrittweise kleiner, vergleiche 5a.
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In
den 5a, 5b und 5c sind schematisch
Querschnitte durch zwei verschiedene Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Kühlplatte (1)
dargestellt. Wie zuvor beschrieben, nimmt der Querschnitt der Kühlkanäle
(2) gemäß 5a von
dem mittleren, größten Kühlkanal mit
der Breite (26) schrittweise nach außen hin ab,
wobei der äußerste Kühlkanal (2)
die Breite (27) aufweist, welche deutlich geringer ist,
als die Breite (26) des größten Kühlkanals.
Die Tiefe der Kühlkanäle wird vorzugsweise nicht
variiert. In 5b ist eine alternative Ausführungsform
dargestellt, bei der alle Kühlkanäle (2) den
gleichen Kanalquerschnitt aufweisen. Der Gesamtquerschnitt ist dennoch
ungleichmäßig über die erste Erstreckungsrichtung
x bzw. die zweite Erstreckungsrichtung y (siehe 2)
verteilt, da Zwischenräume (32) zwischen den Kühlkanälen
(2) von innen nach außen hin größer
werden. So hat beispielsweise ein in dem zentralen Bereich liegender
Abstand die Breite (28), während der äußerste
Abstand eine deutlich größere Breite (29)
aufweist. In den 5a und 5b ist
erkennbar, dass die erfindungsgemäße Kühlplatte
(1) aus zwei Graphitplatten (30, 31)
besteht, wobei die Kühlkanäle (2) in
die erste Platte (30) hineingefräst sind. Die
zweite Platte (31) dient zum Abdecken der gefrästen
Kühlkanäle (2). In der 5c ist
eine Kühlplatte (1) mit Kühlkanälen
(2) mit Kreisquerschnitt in der ersten Platte (30)
dargestellt, wobei die Kühlkanäle eine vergleichbare
Verteilung aufweisen, wie in der
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5b.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005013410
B4 [0003]