DE102011007708A1

DE102011007708A1 - Tiegelanordnung

Info

Publication number: DE102011007708A1
Application number: DE102011007708A
Authority: DE
Inventors: Martin Cadek; Johann Daimer; Bodo Frings; Hartwig Rauleder
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE; Evonik Industries AG
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-25
Also published as: WO2012143350A1

Abstract

Eine Tiegelanordnung zum Schmelzen und Kristallisieren eines Stoffes, insbesondere eines Metalls, wie beispielsweise von Silicium, umfasst einen Tiegel zum Aufnehmen einer Schmelze, ein äußeres Stützgestell zum Halten des Tiegels und eine Graphit enthaltende Folie, welche zumindest bereichsweise zwischen der Außenwand des Tiegels und dem Stützgestell angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tiegelanordnung zum Schmelzen und Kristallisieren eines Stoffes, insbesondere eines Metalls, wie von Silicium, sowie deren Verwendung zum Schmelzen und Kristallisieren von bevorzugt Silicium.
Bei der Herstellung von kristallinem Silicium, wie es beispielsweise für die Halbleiterindustrie oder die Photovoltaik benötigt wird, kommen spezielle Tiegel zum Einsatz, um die Siliciumschmelze aufzunehmen und darin zu kristallisieren. Bei den gängigen Verfahren wird geschmolzenes Silicium in einem nach oben offenen Tiegel durch kontrollierte Wärmeabfuhr in gerichteter Weise kristallisiert, wobei die Kristallisation von dem Tiegelboden ausgehend nach oben erfolgt. Dabei wird der Tiegel von einem äußeren Stützgestell in der korrekten Position gehalten. Während des Schmelz- und Erstarrungsvorgangs ist der Tiegel einschließlich des zugehörigen Stützgestells üblicherweise in einem Kristallisationsofen angeordnet. Um einen Einschluss unerwünschter Verunreinigungen in den entstehenden kristallinen Siliciumblock zu verhindern, muss die mit der Siliciumschmelze in Kontakt gelangende Innenwand eines derartigen Tiegels einen hohen Reinheitsgrad aufweisen.
Da einstückige Tiegel mit zunehmender Größe empfindlicher gegenüber thermischen Spannungen werden, können Tiegel der vorgenannten Art auch durch Zusammenfügen mehrerer Einzelteile gefertigt werden. Entsprechende Tiegel aus mehreren gefügten Graphitplatten sind z. B. aus der US 2006/0219162 A1 bekannt.
Ein Problem bei der beschriebenen Art der Siliciumherstellung besteht in der stets vorhandenen Gefahr eines Austritts von geschmolzenem Silicium aus dem zugehörigen Aufnahmehohlraum des Tiegels. Ein derartiger Austritt kann z. B. durch Risse in der Tiegelwand erfolgen, die sich während des Schmelz- oder Erstarrungsprozesses üblicherweise bilden, weil Silicium beim Erstarren eine Volumenzunahme um etwa 11% erfährt, infolge dessen enorme Kräfte auf die Tiegelwand ausgeübt werden. Bei einem aus mehreren Einzelteilen gefügten Tiegel kann geschmolzenes Silicium insbesondere an den Fügestellen austreten. Da geschmolzenes Silicium hochreaktiv ist, kann es im Falle des Auslaufens das Stützgestell sowie Komponenten des Kristallisationsofens, z. B. dessen Isolierung, angreifen und beschädigen, was längere Ausfallzeiten der zugehörigen Herstellungsanlage nach sich zieht. Weiterhin nimmt ausgetretenes Silicium bei einem Kontakt mit dem Stützgestell Verunreinigungen aus dem Material des Stützgestells auf. Sofern das ausgetretene Silicium noch in Verbindung mit dem im Tiegel befindlichen Silicium steht, können derartige Verunreinigungen durch Diffusion bis in das Innere des Tiegels zurückwandern und so die zu kristallisierende Siliciumschmelze verunreinigen. In diesem Zusammenhang ist es zu beachten, dass bei den relativ hohen Temperaturen, unter welchen sich die Siliciumschmelze in dem Tiegel befindet, ein beträchtliches Ausmaß an Diffusion vorhanden ist. Die von dem Stützgestell in den Tiegel zurückgetragenen Verunreinigungen dringen ausgehend von den Randbereichen der Siliciumschmelze fortschreitend nach innen vor.
Diese Schwierigkeiten haben dazu geführt, dass bei manchen Anwendungen ein vergleichsweise dicker Randbereich des fertig kristallisierten Siliciumblocks oder Siliciumkuchens abgeschnitten und verworfen werden muss, wodurch der Materialverbrauch und die Fertigungskosten steigen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einen Tiegel umfassende Tiegelanordnung bereitzustellen, mit welcher bei dem Kristallisieren einer Metallschmelze und insbesondere einer Siliciumschmelze in dem Tiegel das Eindringen von Verunreinigungen durch Risse in den Tiegel, eine Beschädigung des den Tiegel haltenden Gestells sowie eine Beschädigung von anderen Bauteilen des Ofens, in dem der Tiegel angeordnet ist, zuverlässig verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Tiegelanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und insbesondere durch eine Tiegelanordnung zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, insbesondere von Silicium, gelöst, wobei die Tiegelanordnung umfasst:

– einen Tiegel zum Aufnehmen einer Schmelze,
– ein äußeres Stützgestell zum Halten des Tiegels und
– eine Graphit enthaltende Folie, welche zumindest bereichsweise zwischen der Außenwand des Tiegels und dem Stützgestell angeordnet ist.

Erfindungsgemäß umfasst die Tiegelanordnung somit eine Graphit enthaltende Folie, welche zumindest bereichsweise zwischen der Außenwand des Tiegels und dem Stützgestell angeordnet ist. Dabei wirkt die Folie als flexible Schutzhülle für den Tiegel, welche aus dem Tiegel austretende Metallschmelze auffängt und zurückhält. Durch die Folie wird insbesondere verhindert, dass aus dem Tiegel austretende Metallschmelze in Kontakt mit dem Stützgestell oder mit Teilen des zugehörigen Kristallisationsofens gelangt. Dadurch können Beschädigungen der Bestandteile des Ofens und insbesondere der Ofen-Isolierung und somit Ausfallzeiten der Herstellungsanlage vermieden werden. Da die Folie flexibel ist und auch bei thermischen Spannungen nicht bricht, kann sie mehrfach verwendet werden. Auch das Stützgestell kann grundsätzlich mehrfach verwendet werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäße Tiegelanordnung ergibt sich dadurch, dass aus dem Tiegel austretende Metallschmelze mit dem in der Folie enthaltenen Graphit zu einem Metallcarbid reagiert, wodurch sich eine Sperrschicht ausbildet. Im Falle von Silicium als geschmolzenem Material besteht die Sperrschicht aus Silicium und Siliciumcarbid und ist typischerweise weniger als 1 mm dick. Diese Sperrschicht wirkt als Diffusionsbarriere, d. h. sie behindert den diffusionsbedingten Durchtritt von Verunreinigungen und blockiert somit das Wandern von Verunreinigungen, wie Siliciumcarbid, in den Tiegel während des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs. Auf diese Weise können Verunreinigungen des hergestellten Siliciumblocks zuverlässig verhindert oder zumindest beträchtlich gesenkt werden, wodurch insbesondere ein Abschneiden der Randbereiche des erstarrten Siliciumblocks entfallen kann. Eine Graphitfolie zeichnet sich ferner durch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aus und trägt daher zu einer gleichmäßigeren Erwärmung und Abkühlung des Tiegels bei. Somit werden durch die Tiegelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl der Materialaufwand als auch die Ausfallzeiten bei der Kristallisation von Silicium verringert und daher wird insgesamt eine wirtschaftlichere Herstellung von kristallinem Silicium ermöglicht.
Vorzugsweise besteht die Folie vollständig aus Graphit. Auf diese Weise werden Verunreinigungen der Siliciumschmelze durch andere Folienmaterialien vermieden. Im Prinzip können alle gängigen Graphitsorten zur Herstellung der Folie verwendet werden. Um die Folie an die äußere Form des Tiegels anzupassen, kann ein Vorformen der Folie mittels eines – grundsätzlich bekannten – Werkzeugs durchgeführt werden.
Unabhängig davon, ob die Folie vollständig aus Graphit besteht oder Graphit neben anderen Bestandteilen enthält, ist der Graphit bevorzugt expandierter Graphit.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Folie aus sehr reinem Graphit, nämlich bevorzugt aus Graphit, welcher durch eine Halogenbehandlung gereinigt worden ist, besteht. Ein durch eine Halogenbehandlung gereinigtes Graphitmaterial weist einen ausreichend hohen Reinheitsgrad auf, um eine Verunreinigung von aus dem Tiegel austretender Schmelze durch die Folie selbst, wie z. B. eine Verunreinigung mit Sauerstoff, zu verhindern. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, wenn dies auch weniger bevorzugt ist, eine ungereinigte Graphitfolie zu verwenden.
Die Halogenbehandlung kann beispielsweise so erfolgen, dass die Graphitfolie mit einem Halogen oder mit einem Halogengemisch beaufschlagt wird und bei einer vorbestimmten Reinigungstemperatur von beispielsweise 2.300 bis 3.000°C für eine gewisse Zeitspanne so belassen wird. In dem Graphit vorhandene Verunreinigungen reagieren bei der erhöhten Temperatur mit dem bzw. den Halogen(en) und verflüchtigen sich, weswegen das zurückbleibende Graphitmaterial einen besonders hohen Reinheitsgrad aufweist. Die Halogene können bei dem beschriebenen Reinigungsvorgang vergleichsweise tief, d. h. bis zu 30 cm, in die Graphitschichten eindringen, so dass die Folie in ihrem gesamten Volumen zuverlässig gereinigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Folie einstückig ausgebildet. Dadurch wird ein sicheres Auffangen von auslaufender Schmelze durch die Folie gewährleistet, da keine Nähte oder Übergänge als potentielle Undichtigkeitsstellen vorhanden sind.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Folie durch das Stützgestell gehalten ist. D. h. das Stützgestell kann sowohl den Tiegel als auch die Folie halten, so dass keine Befestigung der Folie an der Tiegelwand notwendig ist.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die einstückige Folie in der Form mehrerer überlappender Folienlagen gefaltet ist. Dadurch kann eine weiter verbesserte Schutzwirkung erzielt werden. Um hierbei einen Bruch des weichen Graphitmaterials zu vermeiden, kann die Folie entlang von Faltbereichen mit abgerundeten Ecken gefaltet sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Außenwand des Tiegels zumindest bis zu der Füllhöhe der Schmelze vollständig von der Folie umhüllt. Dadurch wird der Bereich zwischen dem Stützgestell und dem Tiegel vollständig durch die Folie ausgekleidet, so dass jegliche aus dem Tiegel austretende Schmelze unabhängig von dem Austrittsort sicher aufgefangen wird und daher nicht bis zu dem Stützgestell gelangen bzw. dort Verunreinigungen aufnehmen kann.
Die Folie kann zumindest bereichsweise von der Außenwand des Tiegels beabstandet sein. Dies hat den Vorteil, dass etwaige Verformungen des Tiegels infolge von thermischen Ausdehnungen und Kontraktionen keine Beeinträchtigungen der Folie nach sich ziehen. Vielmehr umhüllt die Folie die Tiegelwand kontinuierlich.
Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung bezüglich der Dicke der Folie nicht beschränkt. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere erhalten, wenn die einlagige Folie eine Dicke zwischen 0,2 mm und 5 mm und bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm aufweist. Dies gewährleistet eine ausreichende Stabilität unter Berücksichtigung der geforderten Flexibilität der Folie.
Ferner ist es bevorzugt, wenn die Folie eine Dichte von 0,7 g/cm³ bis 1,0 g/cm³ aufweist. Dies ist im Allgemeinen hinsichtlich einer zuverlässigen Dichtwirkung ausreichend. Prinzipiell kann eine vergleichsweise geringe Dichte und damit eine höhere Komprimierbarkeit dazu beitragen, eine Auswölbung des Tiegels während des Schmelz- oder Kristallisationsvorgangs zu kompensieren. Dies verhindert schädliche Spannungen im Stützgestell und erhöht somit dessen Lebensdauer bzw. die Anzahl an durchführbaren Schmelz-/Kristallisationszyklen, bevor ein Austausch des Stützgestells erforderlich ist.
Die Folie kann zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung versehen sein, welche Siliciumnitrid umfasst. Eine derartige Beschichtung erhöht die Beständigkeit der Folie und schafft ferner eine zusätzliche Diffusionsbarriere. Weiterhin wirkt eine Siliciumnitrid-Beschichtung als Trennmittel, welches ein leichteres Ablösen der Folie von der Außenwand des Tiegels nach Beendigung des Kristallisationsvorgangs ermöglicht. Aufgrund der leichten Ablösbarkeit ist die Folie mehrfach verwendbar, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses verbessert ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Tiegel aus mehreren, insbesondere plattenförmigen, Einzelteilen zusammengefügt. Dadurch kann die Größe des Tiegels und somit die Größe des herstellbaren Siliciumblocks in weiten Bereichen an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Insbesondere ermöglicht eine derartige Fügebauweise eine problemlose Erweiterung eines bestehenden Tiegels. Bei einteiligen Tiegeln – welche herkömmlicherweise z. B. im Schlickergussverfahren unter Verwendung entsprechender Gießformen gefertigt werden – ist dies mit einem erheblichen Mehraufwand verbunden, da zur Herstellung eines größeren oder anders geformten Tiegels erst eine entsprechende Gießform erzeugt werden muss. Ferner sind durch die Fügebauweise auch relativ flach ausgebildete Tiegel leicht herstellbar. Wenn bei einem aus Einzelteilen zusammengefügten Tiegel eine zu starke Ausdehnung oder Verformung des im Tiegel enthaltenen Kristallisationsmaterials auftritt, kommt es zu einem definierten Reißen der Tiegelwand an den Fügestellen, was im Vergleich zu einem unkontrollierten Reißen prozesstechnisch von Vorteil ist.
Da bei der vorgenannten Ausführungsform ein Austreten der Schmelze, wenn überhaupt, definiert an den Fügestellen erfolgt, wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, dass bei dieser Ausführungsform die Folie zumindest alle Fügestellen überdeckt, an welchen die Einzelteile zusammengefügt sind. In Abhängigkeit von der Anwendung kann also Folienmaterial eingespart werden, indem die Folie derart dimensioniert und angeordnet wird, dass lediglich die Fügestellen geschützt sind.
Bezüglich der Art der Verbindung der einzelnen Teile bei der vorgenannten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Beispielsweise können die Einzelteile insbesondere mittels wenigstens eines Verbindungselements aus temperaturbeständigem Material zusammengefügt sein. Als Verbindungselemente können beispielsweise Zapfen, Bolzen, Schrauben, Klammern, Dübel, Lamellos oder dergleichen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich dazu können formschlüssig ineinandergreifende Verbindungsabschnitte direkt an den Einzelteilen ausgebildet sein, wie z. B. Kombinationen aus Nut und Feder oder Schwalbenschwanzverbindungen. Als temperaturbeständiges Material kommen insbesondere Quarz, Graphit, carbonfaserverstärkte Verbundstoffe (CFC), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄), Zirkonoxide sowie Metalle, wie Titan, Wolfram oder Molybdän, in Betracht. Vor dem Fügen der Einzelteile können diese durch mechanische Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Fräsen, Bohren, Honen und dergleichen auf die korrekten Maße gebracht werden.
Der Tiegel ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung quaderförmig ausgestaltet. Dies ist insbesondere bei einer Tiegelherstellung in Fügebauweise vorteilhaft, da ein quaderförmiger Tiegel leicht aus vorgefertigten Platten zusammengesetzt werden kann. Sollte die Anwendung dies erfordern, können auch andere Tiegelformen realisiert werden, indem z. B. in bekannter Weise zwei sich ergänzende Halbformen zusammengefügt werden.
Grundsätzlich kann der Tiegel aus jedem dem Fachmann zu diesem Zweck bekannten Material bestehen, wie beispielsweise aus Graphit, Siliciumdioxid oder einer Mischung aus Siliciumdioxid mit einem oder mehreren anderen Materialien, wie beispielsweise Siliciumnitrid. Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn der Tiegel aus Siliciumdioxid und bevorzugt aus hochreinem Siliciumdioxid besteht. Unter hochreinem Siliciumdioxid wird in diesem Zusammenhang Siliciumdioxid mit einem SiO₂-Gehalt von wenigstens 99% verstanden. Bevorzugt übersteigen in dem hochreinen Siliciumdioxid die Mengen an Verunreinigungen nicht diejenigen Mengen, welche in dem Patentanspruch 11 der WO 2010/037702 A1 oder in dem Patentanspruch 12 der WO 2010/037705 A1 , deren Offenbarungen hiermit als Referenz eingeführt werden, beschrieben sind. Ein Tiegel aus derart hochreinem Siliciumdioxid ist ausreichend widerstandsfähig gegenüber geschmolzenem Silicium und verhindert ein Eindringen unerwünschter Verunreinigungen in die Schmelze. Als Ausgangsmaterialien für das zur Tiegelherstellung bereitzustellende Siliciumdioxid können insbesondere Naturquarz, pyrogen erzeugte oder gefällte Kieselsäure bzw. im Lichtbogenofen geschmolzener Quarz (”fused silica”) herangezogen werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden aus den genannten Ausgangsmaterialien Siliciumdioxid-Formkörper gegossen, welche gegebenenfalls gesintert werden. Auf diese Weise können insbesondere spannungsarme Siliciumdioxid-Platten für den Zusammenbau eines Tiegel-Grundkörpers gefertigt werden.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, eine Innenwand des Tiegels mit einer Schlichte zu beschichten, welche insbesondere Siliciumnitrid enthält. Eine derartige Schlichte kann einen glättenden Überzug der Innenwand bilden und insbesondere als Dichtmittel und/oder als Trennmittel wirken. Eine Siliciumnitrid-Schlichte kann insbesondere einen zusätzlichen Schutz vor auslaufendem Silicium bieten. Zudem kann ein Anhaften des entstehenden Siliciumkristalls an der Tiegelwand unterbunden werden. Es bleibt der jeweiligen Anwendung überlassen, ob die Beschichtung der Innenwand des Tiegels mit der Schlichte bereits vor einem etwaigen Zusammenbau des Tiegels aus mehreren Einzelteilen oder erst unmittelbar vor der Verwendung des Tiegels zum Schmelzen und Kristallisieren erfolgt. Zweckmäßigerweise wird eine siliciumnitridhaltige Schlichte als streichfähige Masse aus einem in einem Bindemittel verteilten siliciumnitridhaltigen Pulver auf die Innenwand des Tiegels aufgebracht, beispielsweise durch Streichen oder Rakeln, und nachfolgend eingebrannt. Das Einbrennen kann im Falle eines aus mehreren Einzelteilen zusammengefügten Tiegels je nach Anwendung unmittelbar vor dem Zusammenbau oder bereits vor einem Sintern der Einzelteile erfolgen. Die siliciumnitridhaltige Schicht könnte auch auf die fertig gesinterten Einzelteile aufgebracht werden.
Bei einem Tiegel aus gefügten Einzelteilen kann die Schlichte lediglich auf die Fügestellen aufgebracht werden, um so Material zu sparen. Sollte es die Anwendung jedoch erfordern, so kann auch die gesamte Innenwand des Tiegels mit der Schlichte beschichtet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Stützgestell aus Graphit. Ein Graphitgestell weist eine ausreichende thermische Beständigkeit zum Durchführen des Schmelz- und Kristallisationsprozesses in einem Kristallisationsofen auf und ist zudem widerstandsfähig gegenüber einem möglichen Kontakt mit geschmolzenem Silicium.
In der erfindungsgemäßen Tiegelanordnung kann der Tiegel eine Größe (B × L × H) von wenigstens 400 mm × 400 mm × 250 mm, bevorzugt von wenigstens 600 mm × 600 mm × 350 mm und besonders bevorzugt von wenigstens 700 mm × 700 mm × 380 mm aufweisen. Die Größenangaben beziehen sich dabei auf die äußeren Maße für die Länge, die Breite und die Höhe eines quaderförmigen Tiegels. Im Falle eines Tiegels mit nicht quaderförmigen Außenmaßen beziehen sich die genannten Angaben auf den kleinsten den Tiegel umschreibenden Quader. Derart große Tiegel können herkömmlicherweise nur mit inakzeptabel hohem Aufwand hergestellt werden und weisen zudem ein relativ hohes Versagensrisiko auf. Durch den erfindungsgemäßen Auslaufschutz mittels der Graphit enthaltenden Folie – gegebenenfalls kombiniert mit einer Fügebauweise wie vorstehend beschrieben – können jedoch trotz der hohen Bruchwahrscheinlichkeit Tiegel zum Einsatz kommen, welche die genannten Minimalgrößen überschreiten. Dies ermöglicht eine beträchtliche Prozess- und Wirtschaftlichkeitsoptimierung bei der Herstellung von Stoffen, wie Silicium, durch Schmelzen und Kristallisieren in Tiegeln.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer zuvor beschriebenen Tiegelanordnung zum Schmelzen und Kristallisieren von Metallen und bevorzugt von Silicium.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine seitliche Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Tiegelanordnung, welche einen Tiegel, ein Stützgestell und eine Folie umfasst,
2 eine perspektivische Ansicht von zwei zusammenzufügenden Einzelteilen eines Stützgestells für die Tiegelanordnung gemäß der 1,
3 eine Draufsicht auf die Einzelteile gemäß der 2, welche diese in zusammengefügtem Zustand zeigt, und
4 eine zu faltende Folie für die Tiegelanordnung gemäß der 1.
Gemäß der 1 ist eine erfindungsgemäße Tiegelanordnung als Schichtverbund aufgebaut und umfasst, von außen nach innen gesehen, ein Stützgestell 11 aus Graphit, eine flexible Graphitfolie 13, einen Tiegel 15 aus Siliciumdioxid und eine Tiegelbeschichtung 17 in Form einer Siliciumnitrid-Schlichte.
Der Tiegel 15 ist quaderförmig und weist eine obere Öffnung 23 auf. Die einen Aufnahmehohlraum für eine Siliciumschmelze definierende Innenwand 16 des Tiegels 15 ist vollständig von der Tiegelbeschichtung 17 überzogen. Die Außenwand 18 des Tiegels 15 ist vollständig von der Graphitfolie 13 umhüllt, welche zwischen dem Tiegel 15 und dem Stützgestell 11 angeordnet ist und ihrerseits vollständig von dem Stützgestell 11 umhüllt ist. Das Stützgestell 11 bildet somit eine Halterung sowohl für den Tiegel 15 als auch für die Graphitfolie 13.
Die Graphitfolie 13 ist vollständig aus expandiertem Graphit hergestellt, welches durch eine Halogenbehandlung gereinigt ist und einen dementsprechend hohen Reinheitsgrad aufweist. Vorzugswelse weist die Graphitfolie eine einheitliche Dicke zwischen 0,5 mm und 2 mm auf. Eine in 1 nicht dargestellte Siliciumnitrid-Beschichtung überzieht in einer besonderen Ausführungsform die gesamte Graphitfolie 13.
Wie in der 1 nicht erkennbar ist, jedoch aus den 2 und 3 hervorgeht, ist das Stützgestell 11 mehrteilig ausgeführt. Im Einzelnen ist eine Bodenplatte 19 mittels einer Gewindestiftverbindung 25 mit mehreren Seitenplatten 21 – von denen in 2 und 3 lediglich eine dargestellt ist – verbunden.
In ähnlicher Weise ist auch der Tiegel 15 gemäß der 1 aus mehreren plattenförmigen Einzelteilen zusammengefügt, welche aus hochreinem Siliciumdioxid durch Gießen und nachfolgendes Sintern hergestellt werden und unter Verwendung von hochtemperaturbeständigen Verbindungsmitteln zusammengefügt werden.
Gemäß der 4 ist die Graphitfolie 13 aus einem Stück gefertigt und wird entlang von vorgegebenen Faltlinien 30 zu einer den Tiegel 15 umschließenden, einseitig offenen Quaderform gefaltet. Dabei ergeben sich außer einem Bodenbereich 31 und vier Seitenbereichen 33 jeweilige zwischen den Seitenbereichen 33 befindliche Überlappungsbereiche 35, welche jeweils als zusätzliche Folienlagen unter oder über einen der benachbarten Seitenbereiche 33 gefaltet werden.
Zur Herstellung von kristallinem Silicium wird die Tiegelanordnung gemäß der 1 in einen Kristallisationsofen gestellt und in dem Tiegel 15 vorhandenes Silicium wird geschmolzen und nachfolgend erstarrt, wie es auf dem Fachgebiet grundsätzlich bekannt ist. Sollte es dabei zu einem Austritt von geschmolzenem Silicium aus dem Tiegel 15 kommen, beispielsweise durch einen entstandenen Riss oder einen Fügespalt, so wird die auslaufende Schmelze durch die Graphitfolie 13 sicher aufgefangen und kann somit nicht bis zu dem Stützgestell 11 durchdringen. Durch eine Reaktion des ausgetretenen Siliciums mit der Graphitfolie 13 kommt es dabei zur Ausbildung einer Sperrschicht aus Siliciumcarbid (SiC), welche ein Zurückdiffundieren von Verunreinigungen in den Tiegel 15 verhindert. Nach Abschluss des Kristallisationsvorgangs wird das kristallisierte Silicium aus dem Tiegel 15 entnommen und der üblicherweise gerissene Tiegel 15 wird durch einen neuen ersetzt. Die Graphitfolie 13 kann hingegen für den nächsten Herstellungsprozess wiederverwendet werden. Sofern die Graphitfolie 13 jedoch übermäßig angegriffen ist und z. B. aufblättert, wird auch sie ausgetauscht. Ein solcher Austausch ist üblicherweise nach etwa 5 Herstellungsvorgängen erforderlich. Auch das Stützgestell 11 kann prinzipiell wiederverwendet werden.
Durch die den Tiegel 15 schützende Graphitfolie 13 können Verunreinigungen des entstehenden Siliciumkristalls wesentlich verringert werden, wodurch ein nachträgliches Entfernen von verunreinigten Randbereichen unterbleiben kann. Weiterhin werden Beschädigungen des Stützgestells 11 oder des Kristallisationsofens durch die hochreaktive Schmelze vermieden. Die Wirtschaftlichkeit der Siliciumherstellung durch den Prozess des Schmelzens und gerichteten Erstarrens kann somit wesentlich verbessert werden.
Bezugszeichenliste

11: Stützgestell
13: Graphitfolie
15: Tiegel
16: Innenwand
17: Tiegelbeschichtung
18: Außenwand
19: Bodenplatte
21: Seitenplatte
23: obere Öffnung
25: Gewindestiftverbindung
30: Faltlinie
31: Bodenbereich
33: Seitenbereich
35: Überlappungsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0219162 A1 [0003]
WO 2010/037702 A1 [0026]
WO 2010/037705 A1 [0026]

Claims

Tiegelanordnung zum Schmelzen und Kristallisieren eines Metalls, insbesondere von Silicium, umfassend: – einen Tiegel (15) zum Aufnehmen einer Schmelze, – ein äußeres Stützgestell (11) zum Halten des Tiegels (15) und. – eine Graphit enthaltende Folie (13), welche zumindest bereichsweise zwischen der Außenwand (18) des Tiegels (15) und dem Stützgestell (11) angeordnet ist.
Tiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) vollständig aus Graphit besteht.
Tiegelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) expandierten Graphit enthält oder vollständig aus expandiertem Graphit besteht.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit der Graphit enthaltenden oder daraus bestehenden Folie (13) durch eine Halogenbehandlung gereinigter Graphit ist.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) einstückig ausgebildet ist.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) durch das Stützgestell (11) gehalten ist.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (18) des Tiegels (15) zumindest bis zu der Füllhöhe der Schmelze vollständig von der Folie (13) umhüllt ist.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) einlagig ist und eine Dicke zwischen 0,2 mm und 5 mm und bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm aufweist.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) zumindest bereichsweise mit einer Beschichtung versehen ist, welche vorzugsweise Siliciumnitrid enthält.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (15) aus mehreren, insbesondere plattenförmigen, Einzelteilen zusammengefügt ist.
Tiegelanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (13) alle Fügestellen überdeckt, an welchen die Einzelteile zusammengefügt sind.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (15) aus Siliciumdioxid und vorzugsweise aus hochreinem Siliciumdioxid besteht.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (16) des Tiegels (15) zumindest bereichsweise mit einer Schlichte (17) beschichtet ist, welche bevorzugt Siliciumnitrid enthält.
Tiegelanordnung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (15) eine Größe (B × L × H) von wenigstens 400 mm × 400 mm × 250 mm, bevorzugt von wenigstens 600 mm × 600 mm × 350 mm und besonders bevorzugt von wenigstens 700 mm × 700 mm × 380 mm aufweist.
Verwendung einer Tiegelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Schmelzen und Kristallisieren von Metallen und bevorzugt von Silicium.