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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von polykristallinen Siliziumblöcken.
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In der Halbleitertechnik und der Solarzellentechnik ist es bekannt polykristalline Siliziumblöcke durch Aufschmelzen von hochreinem Siliziummaierial in einem Schmelztiegel herzustellen. Die
DE 199 34 940 C2 beschreibt zum Beispiel eine entsprechende Vorrichtung zu diesem Zweck. Die Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Isolationskasten mit innen liegenden Heizelementen, einem Schmelztiegel und einer Nachchargiereinheit innerhalb des Isolationskastens.
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Bei der Herstellung des Siliziumblocks wird zunächst der Schmelztiegel bei geöffnetem Isolationskasten bis zu seiner maximalen Füllhöhe mit Siliziumgranulat beladen. Anschließend wird der Isolationskasten geschlossen und das Siliziumgranulat im Schmelztiegel über die Heizelemente aufgeschmolzen. Bei der Befüllung des Schmelztiegels mit Granulatmaterial entstehen immer Lufttaschen, sodass die Füllhöhe der entstehenden Siliziumschmelze im Schmelztiegel wesentlich geringer ist als die Füllhöhe des Siliziumgranulats. Da ein Schmelztiegel aber in der Regel nur einmal verwendbar ist, ist bei der oben genannten Vorrichtung eine Nachchargiereinheit vorgesehen, die geeignet ist, getrocknetes, rieselfähiges Siliziummaterial in die Siliziumschmelze im Schmelztiegel einzuleiten, um dadurch die Füllhöhe im Schmelztiegel zu erhöhen.
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Wenn die gewünschte Füllhöhe an Siliziumschmelze im Schmelztiegel erreicht ist, wird diese dann für eine gerichtete Erstarrung kontrolliert abgekühlt. Hierbei hat die Art der Abkühlung und die Atmosphäre einen wesentlichen Einfluss auf die Größe und Orientierung der Kristallite, die bei der gerichteten Erstarrung entstehen. Die oben genannte Vorrichtung bietet jedoch nur wenige Möglichkeiten auf die Abkühlung und die Atmosphäre Einfluss zu nehmen. Darüber hinaus ist auch die Nachchargiereinheit bei der oben genannten Vorrichtung aufwendig. Die Herstellung des getrockneten, rieselfähigen Siliziummaterials ist aufwendig und mit hohen Kosten verbunden. Hierzu werden in der Regel Siliziumstäbe, wie sie beispielsweise durch das Siemens-Verfahren hergestellt werde, mechanisch zerkleinert. Dabei ist es bekannt, die Siliziumstäbe zum Beispiel mit Hämmern, Meißeln oder auch einem Mahlwerk zu bearbeiten, um Siliziumbruchstücke zu erhalten. Diese werden nach der Zerkleinerung üblicherweise in einer HF/HNO3 Mischung geätzt, wodurch ein Teilbereich der Oberfläche (typischerweise 20 μm) der Siliziumbruchstücke abgetragen wird. Je kleiner und rieselfähiger das Siliziummaterial, desto größer ist hierbei der Materialverlust. Grund für die Ätzung ist die Reinigung der Bruchstücke, und insbesondere das Entfernen von Kontaminationen von der Oberfläche, welche durch die verwendeten Werkzeuge hervorgerufen werden können, sowie die Notwendigkeit der Entfernung der Siliziumoxidschicht auf der Siliziumoberfläche. Insbesondere sind metallische Verunreinigungen, die durch die Werkzeuge erzeugt werden, wie beispielsweise Eisen, Chrom, Nickel, Kupfer von den Siliziumbruchstücken zu entfernen. Darüber hinaus können weitere Kontaminationen, die durch die Umgebungsatmosphäre (Luft, Sauerstoff, Staub und Partikel in der Luft) entstehen, entfernt werden. Solche Kontaminationen können unter anderem auch native Oxide umfassen. Der Oberflächenabtrag an jedem Bruchstück beträgt dabei üblicherweise minimal etwa 7,5 μm. Anschließend werden die Bruchstücke üblicherweise mit deionisiertem Wasser gespült und dann in einem gereinigten Luftstrom (N2-Strom) getrocknet.
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Die
WO 2009/100 694 A1 und die
EP 1 384 538 A1 zeigen jeweils eine Vorrichtung zur Herstellung von kristallinen Körpern mittels gerichteter Erstarrung, die einen Schmelzofen mit einer Heizkammer umfasst. In der Heizkammer ist eine Auflagefläche für einen Schmelztiegel und wenigstens eine oberhalb der Auflagefläche angeordnete, dem Schmelztiegel zugewandte Gasspülungseinrichtung vorgesehen. Der Gasauslass wird durch eine oder mehrere Öffnungen in einer unteren Stempelfläche eines stempelförmigen Körpers gebildet, der eine an eine Innenform des Schmelztiegels angepasste Geometrie aufweist, die ein zumindest teilweises Einführen des stempelförmigen Körpers in den Schmelztiegel mit einem seitlichen Abstand zur Seitenwand des Schmelztiegels ermöglicht. Die Gasspülungseinrichtung und/oder die Auflagefläche sind in axialer Richtung verstellbar, um eine Änderung eines senkrechten Abstandes zwischen der Auflagefläche und dem stempelförmigen Körper zu ermöglichen.
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Ausgehend von der bekannten Vorrichtung liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von polykristallinen Siliziumblöcken vorzusehen, bei dem die Prozessführung variabler gestaltet werden kann. Ferner ist als weitere Aufgabe vorgesehen, auf einfache und kostengünstige Weise eine gewünschte Füllhöhe einer Siliziumschmelze bei der Herstellung von polykristallinen Siliziumblöcken in einem Schmelztiegel vorzusehen.
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Erfindungsgemaß sind Verfahren zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks nach Anspruch 4 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem Verfahren wird ein Schmelztiegel innerhalb einer Prozesskammer angeordnet, wobei der Schmelztiegel mit festem Siliziummaterial gefüllt ist oder in der Prozesskammer mit Siliziummaterial befüllt wird. Anschließend wird das Siliziummaterial im Schmelztiegel bei geschlossener Prozesskammer über seine Schmelztemperatur aufgeheizt, um eine Siliziumschmelze im Schmelztiegel zu bilden und anschließend wird die Siliziumschmelze im Schmelztiegel unter ihre Erstarrungstemperatur abgekühlt. Ein in der Prozesskammer befindliches Plattenelement, das wenigstens eine Durchgangsöffnung für eine Gaszuführung aufweist, wird über dem Schmelztiegel abgesenkt und während wenigstens eines zeitlichen Abschnitts innerhalb des Zeitraums der Erstarrung der Siliziumschmelze wird eine Gasströmung auf die Oberfläche der Siliziumschmelze geleitet, wobei die Gasströmung wenigstens teilweise über die wenigstens eine Durchgangsöffnung in dem Plattenelement auf die Oberfläche der Siliziumschmelze gerichtet wird. Selbstverständlich kann die Gasströmung zusätzlich auch während des Aufheizvorgangs und/oder während des Abkühlvorgangs auf die Oberfläche des sich im Schmelztiegel befindenden Siliziums gerichtet werden. Das Leiten von Gas auf die Oberfläche der Siliziumschmelze in dem Raum, der zwischen der Oberfläche und dem Plattenelement gebildet wird, erlaubt eine gute Einstellung von Abkühlparametern und auch der Atmosphäre an der Oberfläche der Schmelze. Unter dem Begriff Zeitraum der Erstarrung der Siliziumschmelze soll der Zeitraum verstanden werden, in welchem der Wechsel des Siliziums vom flüssigen Aggregatszustand in den festen Aggregatszustand stattfindet. Vor dem Schließen der Prozesskammer wird zusätzliches Siliziummaterial derart an dem Plattenelement befestigt, dass wenigstens ein Teil des zusätzlichen Siliziummaterials beim Absenken des Plattenelements in die Siliziumschmelze im Schmelztiegel eintaucht und aufschmilzt, wodurch der Füllgrad der Siliziumschmelze im Schmelztiegel erhöht wird. Hierdurch dient das Plattenelement sowohl als Gasleitelement als auch als Nachchargiereinheit.
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Das zusätzliche Siliziummaterial wird vorzugsweise durch Siliziumstangenmaterial und/oder Siliziumscheibenmaterial gebildet, was eine entsprechende Verarbeitung erleichtert. Darüber hinaus ist solches Material aufgrund seiner Größe leicht an dem Plattenelement zu befestigen.
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Für eine gute Einstellung der Füllhöhe der Siliziumschmelze im Schmelztiegel werden die Menge des festen Siliziummaterials im Schmelztiegel und die Menge an zusätzlichem Siliziummaterial aufeinander abgestimmt. Dies kann zum Beispiel einfach über das Gewicht des Materials erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist folgendes auf: eine Prozesskammer, mit einer Schmelztiegelaufnahme zur Aufnahme eines Schmelztiegels, ein innerhalb der Prozesskammer über der Schmelztiegelaufnahme angeordnetes Plattenelement, das wenigstens eine Durchgangsöffnung für eine Gaszuführung aufweist, einen Hubmechanismus für das Plattenelement, wenigstens ein Gaszuführungsrohr, das sich in oder durch die wenigstens eine Durchgangsöffnung in dem Plattenelement erstreckt, und wenigstens eine Gaszuführeinheit außerhalb der Prozesskammer zum Leiten einer Gasströmung in und durch das Gaszuführungsrohr in einen Bereich unterhalb des Plattenelements. Das Plattenelement weist Mittel zum Befestigen von Siliziummaterial auf, um auch als Chargiereinheit dienen zu können. Insbesondere kann das zusätzliche Siliziummaterial allein durch eine Hubbewegung des Plattenelements in die Siliziumschmelze eingebracht werden, so dass keine zusätzlichen Führungselemente erforderlich sind. Eine solche Vorrichtung ermöglicht die schon oben unter Bezugnahme auf das erste Verfahren genannten Vorteile.
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Die Vorrichtung kann auch einen in der Prozesskammer angeordneten Haltering aufweisen, der Innenabmessungen entsprechend den Innenabmessungen von Seitenwänden eines Schmelztiegels aufweisen kann, sowie optional einen Hubmechanismus für den Haltering. Der Haltering ist in der Lage ebenfalls Siliziummaterial vor dem Aufschmelzen über dem Schmelztiegel zu halten und somit die Füllhöhe der Siliziumschmelze im Schmelztiegel während des Prozesses zu verbessern. Die optionale Hubeinheit ermöglicht es, den Haltering nach dem Aufschmelzen des Siliziummaterials während des Prozesses vom Schmelztiegel abzuheben, sodass er den Prozess nicht negativ beeinflusst. Vorzugsweise ist der Haltering aus Siliziumnitrid oder besitzt wenigstens eine Siliziumnitridbeschichtung am Innenumfang.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein seitlich zur Schmelztiegelaufnahme beabstandeter Seitenheizer, wenigstens ein Gasauslass und wenigstens ein Folienvorhang vorgesehen, wobei der wenigstens eine Folienvorhang so zwischen dem wenigstens einen Seitenheizer und dem Schmelztiegel angeordnet ist, dass die durch das wenigstens eine Gaszuführungsrohr geleitete Gasströmung in Richtung des wenigstens einen Gasauslasses geführt werden, ohne an dem wenigstens einen Seitenheizer entlang zu strömen. Somit kann eine über die Oberfläche der Siliziumschmelze geleitete Gasströmung nach Überstreichen der Siliziumoberfläche im Wesentlichen entlang der dem Schmelztiegel zugewandten Seite des Folienvorhangs direkt in Richtung des Gasauslasses geführt werden, ohne in den Bereich des wenigstens einen Seitenheizers zu gelangen. Ein solcher Vorhang schützt die Seitenheizer davor, dass Gase aus dem Prozessraum (wie z. B. gasförmiges Silizium das aus der Schmelze mitgenommen wird) direkt an den Heizer gelangen und diesen im Lauf der Zeit beschichten oder zerstören. Der Folienvorhang ist vorzugsweise temperaturbeständig und gasdicht ausgeführt und leicht auswechselbar in der Prozesskammer aufgenommen. Sobald der Folienvorhang nach einer Reihe von Prozesszyklen seine Funktionalität durch die Beanspruchung während des Prozesses einbüßt, kann er leicht ausgetauscht werden.
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Das Plattenelement kann ebenfalls als Heizvorrichtung ausgebildet sein oder eine solche tragen.
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Die erfindungsgemäße Schmelztiegelanordnung weist einen einmal verwendbaren Schmelztiegel mit einem Boden und Seitenwänden, sowie vorzugsweise einen mehrfach verwendbaren Haltering mit Innenabmessungen entsprechend den Innenabmessungen der Seitenwände des Schmelztiegels auf. Der Haltering ist vorzugsweise aus Siliziumnitrid oder weist eine Siliziumnitridbeschichtung wenigstens am Innenumfang auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch näher erläutert; in den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks mit einem mit Siliziumrohmaterial gefüllten Schmelztiegel;
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2 eine schematische Ansicht ähnlich der 1, wobei das Siliziumrohmaterial im Schmelztiegel aufgeschmolzen ist;
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3 eine schematische Ansicht ähnlich der 2, wobei jedoch zusätzliches Siliziumrohmaterial in den Schmelztiegel eingetaucht ist;
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4 eine schematische Ansicht ähnlich der 3 während einer Abkühlphase;
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5 eine schematische Schnittansicht durch eine alternative, nicht erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks mit einem mit Siliziumrohmaterial gefüllten Schmelztiegel;
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6 eine schematische Ansicht ähnlich der 5, bei der das Siliziumrohmaterial im Schmelztiegel aufgeschmolzen ist.
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In der nachfolgenden Beschreibung verwendete Bezeichnungen wie oben, unten, links und rechts und ähnliches, beziehen sich auf die Figuren und sollen in keiner Weise einschränkend sein, obwohl sie sich auf eine bevorzugte Ausführungsform beziehen.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Vorrichtung 1 zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks.
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Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Isolationskasten 3, der einen Prozessraum 4 definiert. Innerhalb des Prozessraums 4 sind eine nicht näher dargestellte Aufnahmeeinheit zum Aufnehmen eines Schmelztiegels 6, eine Bodenheizeinheit 8 sowie Seitenheizeinheiten 9 vorgesehen. Am unteren Ende der Seitenwand des Isolationskastens 3 ist wenigstens ein Gasauslass 10 vorgesehen. Ein Plattenelement 11 ist oberhalb der Aufnahme für den Schmelztiegel 6 vorgesehen, und ferner ist eine Gaszuführleitung 13 vorgesehen, die sich von oben durch den Isolationskasten 3 und durch das Plattenelement 11 hindurch in den Prozessraum 4 erstreckt. Zwischen den Seitenheizern 9 und dem Schmelztiegel 6 sind ferner optionale Folienvorhänge 14 vorgesehen, die oberhalb der obersten Seitenheizereinheit befestigt sind.
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Der Isolationskasten 3 ist aus einem geeigneten isolierenden Material aufgebaut, wie es in der Technik bekannt ist und wird daher nicht näher beschrieben. Der Prozessraum 4 steht über nicht näher dargestellte Mittel mit Gaszuführ- und Auslassleitungen in Verbindung, um darinnen eine bestimmte Prozessatmosphäre einzustellen. Diese sind bis auf die Gaszuführleitung 13 und die Auslässe 10 nicht näher dargestellt.
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Der Schmelztiegel 6 ist aus einem geeigneten bekannten Material, wie beispielsweise Siliziumkarbid, Quarzgut, Siliziumnitrid, oder aus mit Siliziumnitrid beschichteten Quarzgut, das den Herstellungsprozess nicht beeinträchtigt und den hohen Temperaturen beim Schmelzen von Siliziummaterial standhält. Der Schmelztiegel 6 wird in der Regel bereits während des Prozesses durch thermische Expansionsprozesse teilweise zerstört und kann so zur Entnahme des fertigen Siliziumblocks leicht entfernt werden.
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Der Schmelztiegel 6 bildet eine nach oben offene Wanne, die, wie in 1 dargestellt ist, mit Siliziumrohmaterial 20 bis zu seiner Oberkante befüllt werden kann. Für die Befüllung werden beispielsweise Siliziumstangen verwendet, und die Zwischenräume werden mit Siliziumbruch zumindest teilweise verfüllt, wie auf der linken Seite in 1 angedeutet ist. Hierdurch lässt sich ein relativ guter Füllgrad erreichen, es verbleiben jedoch immer noch Lufttaschen innerhalb des befüllten Schmelztiegels. Dies führt dazu, dass das Siliziumrohmaterial 20, wenn es aufgeschmolzen wird, den Schmelztiegel 6 nicht vollständig ausfüllt, wie in 2 angedeutet ist, wobei der kreuzschraffierte Bereich eine Siliziumschmelze 22 darstellt.
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Der Bodenheizer 8 und die Seitenheizer 9 sind geeignete Heizeinheiten, die in der Lage sind, die Prozesskammer 4, und insbesondere den Schmelztiegel 6 und das darin befindliche Siliziumrohmaterial 20 ausreichend so zu erwärmen, dass das Rohmaterial 20 schmilzt und eine Schmelze 22 bildet, wie in 2 dargestellt ist.
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Das oberhalb des Schmelztiegels 6 angeordnete Plattenelement 11 ist aus einem geeigneten Material, das bei den eingesetzten Temperaturen, welche für das Aufschmelzen des Siliziumrohmaterials verwendet werden, nicht schmilzt, und das keine Verunreinigungen in den Prozess einführt. Das Plattenelement 11 ist über einen nicht näher dargestellten Mechanismus innerhalb der Prozesskammer auf und ab bewegbar, wie nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 noch näher erläutert wird. An der Unterseite des Plattenelements 11 sind Halteeinheiten 24 vorgesehen, die in der Lage sind, zusätzliches Siliziumrohmaterial, wie beispielsweise Siliziumstangen 26 unterhalb des Plattenelements 11 zu halten. Bei der Darstellung gemäß 1 sind vier Siliziumstangen 26 dargestellt, die in einer Reihe unterhalb des Plattenelements 11 angeordnet sind. Natürlich sind über die Tiefe (d. h. senkrecht zur Darstellungsebene) noch weitere solcher Halteelemente vorgesehen, um zusätzliche Siliziumstangen 26 zu halten.
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Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, dass die Halteelemente 24 z. B. Siliziumrohmaterial in Form von Scheiben oder unterschiedlich langen Stababschnitten tragen. Die Halteelemente sind nur als einfache Stäbe dargestellt, die beispielsweise in die Siliziumstäbe geschraubt sind. Sie können aber auch Greifer oder sonstige Elemente sein, die geeignet sind die Siliziumstäbe 26 zu tragen. Sie sollten wiederum aus temperaturbeständigem Material sein, das die Siliziumschmelze nicht verunreinigt.
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Das Plattenelement 11 besitzt eine Umfangsform, die ungefähr dem Innenumfang des Schmelztiegels 6 entspricht. Das Plattenelement besitzt ferner eine mittlere Durchführöffnung 30, durch die sich das Gaszufuhrrohr 13 hindurch erstreckt.
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Das Gasdurchführrohr 13 ist aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Graphit. Es erstreckt sich aus der Prozesskammer 4 durch den Isolationskasten 3 nach außen und ist dort mit einer geeigneten Gaszuführung für beispielsweise Argon verbunden. Über das Gaszufuhrrohr 13 kann Gas in die Prozesskammer 4 eingeleitet werden, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Das Gaszufuhrrohr 13 kann eine Führung für das Plattenelement 11 während einer Auf- oder Abbewegung desselben vorsehen.
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Oberhalb der Seitenheizer 9 sind jeweils Befestigungselemente für Folienvorhänge 14 angedeutet (1). Die daran befestigten Folienvorhänge 14 können sich in einem Bereich zwischen Seitenheizer 9 und Schmelztiegel 6 erstrecken, wie in den 1 bis 4 angedeutet ist, und optional auch noch den Deckenbereich des Prozessraums 4 zumindest partiell überdecken (6). Die Folienvorhänge 14 sind aus einem temperaturbeständigen, gasdichten Material.
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Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird nun nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 näher erläutert, wobei die Figuren jeweils dieselbe Vorrichtung während unterschiedlicher Verfahrensschritte zeigen.
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1 zeigt die Vorrichtung 1, vor dem Beginn des eigentlichen Herstellungsprozesses. Der Schmelztiegel 6 ist mit Siliziumrohmaterial 20 bis zu seiner Oberkante gefüllt. In der Darstellung sind Siliziumstäbe und Siliziumgranulat verwendet worden, um den Schmelztiegel 6 zu befüllen. An dem Plattenelement 11 sind über die Halteelemente 24 Siliziumstäbe 26 angebracht.
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Wenn die Vorrichtung 1 so vorbereitet ist, wird nun das Siliziumrohmaterial 20 in dem Schmelztiegel 6 unter Wärmezufuhr durch den Bodenheizer 8 und die Seitenheizer 9 aufgeschmolzen. Dabei werden die Seitenheizer 9 und der Bodenheizer so geregelt, dass eine Wärmezufuhr primär von unten erfolgt, so dass die Siliziumstäbe 26, die oberhalb des Schmelztiegels 6 durch das Plattenelement 11 gehalten werden, zwar mit erwärmt werden, aber nicht aufschmelzen.
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Wenn das Siliziumrohmaterial 20 vollständig aufgeschmolzen ist, bildet sich eine Siliziumschmelze 22 in dem Schmelztiegel 6, wie in 2 dargestellt ist. Die Siliziumstäbe 26 an dem Plattenelement 11 sind zu diesem Zeitpunkt noch nicht aufgeschmolzen. Dann wird das Plattenelement 11 über den nicht näher dargestellten Hubmechanismus abgesenkt, um die Siliziumstangen 26 in die Siliziumschmelze 22 einzutauchen, wie in 3 dargestellt ist. Hierdurch steigt der Füllgrad der Siliziumschmelze 22 innerhalb des Schmelztiegels wesentlich an, wie in 3 zu erkennen ist. Die eingetauchten Siliziumstangen 26 werden durch den Kontakt mit der Siliziumschmelze 22 und gegebenenfalls zusätzliche Wärmezufuhr durch die Bodenheizer 8 und die Seitenheizer 9 vollständig aufgeschmolzen und gehen in die Schmelze 22 ein.
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Anschließend kann das Plattenelement entweder in der Position gemäß 3 belassen werden, sofern die Halteelemente 24 nicht die Siliziumschmelze 22 kontaktieren. Sollte dies der Fall sein, wird das Plattenelement 11 geringfügig angehoben, um die Halteelemente 24 aus der Schmelze 22 heraus zu heben, wie dies in 4 dargestellt ist.
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Der Bodenheizer 8 und die Seitenheizer 9 können zu diesem Zeitpunkt in ihrer Wärmezufuhr wesentlich verringert, oder ausgeschaltet werden, um eine Abkühlung der Siliziumschmelze 22 innerhalb des Schmelztiegels 6 zu erreichen. Hierbei wird die Abkühlung über geeignete nicht näher dargestellte Mechanismen, so gesteuert, dass eine Erstarrung der Schmelze 22 von unten nach oben in gerichteter Weise erfolgt. In 4 ist bei 32 zu erkennen, wie der untere Teil des Siliziummaterials im Schmelztiegel erstarrt ist, während obenauf noch Siliziumschmelze 22 vorhanden ist. Zu einem Zeitpunkt der Erstarrung, und insbesondere gegen Ende der Erstarrung wird über das Gaszuführrohr 13, Gas wie beispielsweise Argon auf die Oberfläche der Siliziumschmelze 22 geleitet. Das Gas strömt über die Oberfläche der Siliziumschmelze 22 nach außen und dann zwischen Schmelztiegel 6 und Folienvorhang 14 zum Gasauslass 10, wie in 4 zu erkennen ist. Der Folienvorhang 14 dient dabei als Schutz der Seitenheizer 9 gegen den Kontakt mit dem über die Oberfläche der Siliziumschmelze geführten, und daher gasförmiges Silizium aufweisenden Gases.
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Optional können die Seitenheizer 9 von einem beispielsweise separat zwischen Folienvorhang 14 und Isolationskasten 3 eingeleiteten zusätzlichen Gas, welches nicht mit dem Material der Seitenheizer oder mit der von der Oberfläche der Siliziumschmelze abgeleiteten Gasströmung chemisch reagiert (beispielsweise mit Argon oder mit einem anderen Edelgas), umgeben werden. Hierdurch wird verhindert, dass das Gas, das über die Siliziumschmelze 22 geleitet wurde und gasförmiges Silizium aufweist, an die Heizer gelangt. Sowohl das über die Seitenheizer 9 geleitete zusätzliche Gas, als auch das über die Siliziumschmelze 22 geleitete Gas können über die Gasauslässe 10 abgeleitet werden.
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Wenn die Siliziumschmelze 22 vollständig erstarrt ist, wird ein Siliziumblock innerhalb des Schmelztiegels 6 gebildet, der das Endprodukt darstellt. Der Block kann innerhalb der Prozesskammer 4 noch weiter auf eine Handhabungstemperatur abgekühlt werden, bevor er hieraus entnommen wird.
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Die 5 und 6 zeigen eine alternative, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zum Herstellen eines polykristallinen Siliziumblocks. In den 5 und 6 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, sofern gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnet werden.
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Die Vorrichtung 1 besteht wiederum im Wesentlichen aus einem Isolationskasten 3, der im Inneren einen Prozessraum 4 bildet. Innerhalb des Prozessraums 4 ist eine Aufnahme für einen Schmelztiegel 6 vorgesehen. Ferner sind wiederum ein Bodenheizer 8 und Seitenheizer 9 im Prozessraum vorgesehen. Weiterhin können, wie beispielsweise in 6 angedeutet, Folienvorhänge 14 im Prozessraum 4 vorgesehen sein, die sich zusätzlich auch zumindest teilweise entlang des Deckenbereichs des Isolationskasten 3 erstrecken können, so dass der Folienvorhang 14 die Seitenwände des Schmelztiegels ähnlich einem Baldachin zumindest teilweise soweit überdeckt, dass sich alle Seitenheizer außerhalb des überdeckten Bereichs befinden. Diese Elemente gleichen den Elementen gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4, sodass eine weitere Beschreibung derselben hier entfällt, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Innerhalb des Prozessraums 4 ist auch wiederum ein Plattenelement 11 oberhalb des Schmelztiegels 6 angeordnet. Das Plattenelement 11 ist wiederum aus einem geeigneten Material, das den Herstellungsprozess des polykristallinen Siliziumblocks nicht beeinträchtigt. Das Plattenelement 11 besitzt bei diesen Ausführungsformen (5 und 6) jedoch keine Halteelemente zur Aufnahme von zusätzlichem Siliziummaterial.
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Das Plattenelement 11 weist eine Vielzahl von Durchlassöffnungen 30 zur Durchführung einer entsprechenden Vielzahl von Gaszuführrohren 13 auf, die sich jeweils aus dem Prozessraum 4 durch den Isolationskasten 3 nach außen erstrecken. Die Gaszuführrohre 13 können in der gleichen Art und Weise aufgebaut sein, wie das Gaszuführrohre 13 gemäß 1. Es ist jedoch eine größere Anzahl derselben vorgesehen. Bei der Darstellung gemäß 5 sind über die Breite der Vorrichtung 3 Gaszuführrohre 13 gezeigt. In entsprechender Weise wären auch über die Tiefe der Vorrichtung jeweils drei Gaszuführrohre 13 in Reihe angeordnet, so dass insgesamt neun Gaszuführrohre 13 vorgesehen wären. Natürlich kann auch eine hiervon abweichend Anzahl vorgesehen sein. Des weiteren könnte das Plattenelement 11 auch eine weitere Vielzahl von Durchlassöffnungen zur Durchführung einer entsprechenden weiteren Vielzahl von Gasabführrohren (nicht dargestellt) aufweisen und mit der entsprechenden Anzahl an Gasabführrohren bestückt sein, durch welche das der Siliziumschmelze zugeführte Gas wieder abgeführt werden könnte. Dies hätte den Vorteil, dass das die Oberfläche der Siliziumschmelze überstreifende Gas gleich wieder nach oben abgeführt würde, ohne an den Seitenheizern vorbei geleitet zu werden.
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Zusätzlich ist innerhalb des Prozessraums 4 ein Haltering 40 angeordnet. Der Haltering 40 besitzt eine Innenumfangsform entsprechend im Wesentlichen dem Innenumfang der Seitenwände des Schmelztiegels 6, wie in 5 dargestellt ist. Der Haltering 40 ist aus einem geeigneten wieder verwendbaren Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid, das während des Schmelzvorgangs für das Siliziumrohmaterial 20 selbst nicht schmilzt. Darüber hinaus ist Siliziumnitrid relativ robust und für geschmolzenes Silizium nicht benetzend. D. h. geschmolzenes Silizium, das den Haltering 40 kontaktiert, würde hiervon abfließen. Der Haltering 40 kann über einen nicht näher dargestellten Mechanismus auf und ab bewegbar sein, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Der Betrieb der Vorrichtung 1 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 5 und 6 näher erläutert.
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Der Schmelztiegel 6 wird in die Prozesskammer 4 geladen, und mit Siliziumrohmaterial 20 beladen, das beispielsweise wiederum aus Siliziumstangen und Siliziumgranulat bestehen kann, wie in 5 dargestellt ist. Dabei kann der Schmelztiegel 6 wiederum bis zu seiner Oberkante beladen werden. Anschließend wird der Haltering 40 in seiner Position auf den Rand des Schmelztiegels 6 aufgelegt, oder eng beabstandet hierzu gehalten. Anschließend kann zusätzliches Siliziumrohmaterial beispielsweise in Form von Siliziumstangen in den Haltering 40 geladen werden. Somit ist eine Beladung des Schmelztiegels 6 über seinen oberen Rand hinaus möglich, wie in 5 dargestellt ist. Eine solche Beladung kann natürlich auch außerhalb der Prozesskammer 4 erfolgen und der Schmelztiegel 6 mit Haltering 40 kann befüllt in die Prozesskammer 4 geladen werden.
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Anschließend wird nun das Siliziumrohmaterial 20 innerhalb des Schmelztiegels 6 sowie das zusätzliche Siliziumrohmaterial im Bereich des Halterings 40 vollständig aufgeschmolzen, um eine Siliziumschmelze 22 innerhalb des Schmelztiegels 6 zu bilden. Dabei ist das Gesamtmaterial so bemessen, dass die Siliziumschmelze 22 vollständig durch den Schmelztiegel 6 aufgenommen werden kann. Dies kann beispielsweise durch Wiegen des verwendeten Siliziumrohmaterials vor der Beladung erreicht werden.
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Zu diesem Zeitpunkt kann dann der Halterring 40 von dem Schmelztiegel 6 abgehoben werden. Das Plattenelement 11 kann in einer Position benachbart zur Oberseite der Schmelze 22 im Schmelztiegel 6 abgesenkt werden, wie in 6 dargestellt ist. Die Folienvorhänge 14 können wiederum in eine Position zwischen Seitenheizer 9 und Schmelztiegel 6 gebracht werden, wie ebenfalls in 6 dargestellt ist. Die Siliziumschmelze 6 wird zu diesem Zeitpunkt wiederum in kontrollierter Weise abgekühlt, um eine gerichtete Erstarrung zur Bildung eines polykristallinen Siliziumblocks zu bewirken.
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6 zeigt wiederum in einem unteren Bereich bei 32 den schon teilweise erstarten Siliziumblock mit darüber befindlicher Siliziumschmelze 22. Während wenigstens eines Teils der Abkühlung wird wiederum über die Gaszuführrohre 13 eine Gasströmung, wie beispielsweise eine Argonströmung auf die Oberfläche der Siliziumschmelze 22 gerichtet, wie in 6 durch die Strömungspfeile angedeutet ist. Wiederum wird zwischen dem Plattenelement 11 und der Oberseite der Siliziumschmelze ein kontrollierter Strömungsraum gebildet. Dadurch dass der Haltering 40 angehoben ist, beeinträchtigt er die entsprechende Gasströmung nicht.
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Nach einer vollständigen Erstarrung ist der polykristalline Siliziumblock fertig und kann innerhalb der Prozesskammer 4 noch weiter auf eine Handhabungstemperatur abgekühlt werden, bevor er aus der Prozesskammer 4 entnommen wird.
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Die Erfindung wurde zuvor anhand bevorzugter Ausführungsformern der Erfindung näher erläutert, ohne auf diese konkreten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Insbesondere ist es auch möglich, Elemente der unterschiedlichen Ausführungsformen miteinander zu kombinieren oder gegenseitig zu ersetzen. Insbesondere kann das Plattenelement als Heizeinheit ausgebildet sein oder eine solche tragen. Das Plattenelement könnte dann als verstellbarer Deckenheizer eingesetzt werden.
