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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von auf Siliziumnitrid basierten Formtrennformeln.
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Stand der Technik
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Siliziumnitrid hat in der Gussblockformherstellung Anwendung gefunden. In der
US Patentveröffentlichung 2010/0237225 , veröffentlicht am 23. September 2010 mit dem ersten Erfinder Gotoh, deren Offenbarung durch Bezugnahme eingebunden wird, beinhaltet das Verfahren der Formherstellung ein Siliziumnitridpulver und Binderlösung.
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Schwertfeger in
US 2007/0013098 beschreibt den Prozess des Sinterns des Siliziumnitridpulvers und der Binderlösung zur Form unter Verwendung eines Laserroboters, veröffentlicht am 18. Januar 2007, deren Offenbarung, durch Bezugnahme eingebunden wird. Es scheint so, dass ein Verfahren des Lasersinterns in der Patentveröffentlichung als ”Der Tiegel wurde mit einer Bestrahlungsleistung von 3 kW durch einen ABB Roboter (IRB 2400 Modell) unter dem Fokus eines CO
2 Lasers (TLF 3000 Turbo Modell) bestrahlt.” beschrieben wird. Der Laserroboter kann, gemäß der Lehre des Patents 4,379,111 der Vereinigten Staaten, erteilt am 5. April 1983 an Greskovich, dessen Offenbarung durch Bezugnahme eingebunden wird, für die Sinterleistung innerhalb eines optimalen Bereichs eingestellt werden. Greskovich lehrt den Einsatz des Sinterns mit einem Stickstoffschutzgas unter Hochtemperatur und Hitze.
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Engler beschreibt in
US 2007/0089642 , veröffentlicht am 26. April 2007, eine dauerhafte Hartstoffbeschichtung, die Siliziumnitride enthält und die Probleme, die sich auf die Haftung an den Formwänden beziehen. Deren Offenbarung wird durch Bezugnahme eingebunden. Es ist interessant anzumerken, dass die Engler-Schrift einen anderen Stand der Technik beschreibt, ”
DE 103 26 769 B3 beschreibt dauerhafte Bornitrid-Formtrennschichten für das Druckgießen von Nichteisenmetallen und auch Ablaufbahnen, um diese zu produzieren, mit temperaturbeständigen, nanoskaligen Bindemitteln, die als Bindephase für Bornitrid verwendet werden. Speziell werden Suspensionen von SiO
2-basiertem Solgelbinder und Bornitridpulver auf Metalloberflächen oder anorganische Nichtmetallflächen aufgetragen, und die Beschichtungen, die man auf diese Weise erhält, werden getrocknet und thermisch verdichtet. Bei Temperaturen über 500°C wird die Binderzusammenstellung in eine glasartige Matrix konvertiert, die der dichten, gebildeten Keramikschicht mechanische Stabilität verleiht. Allerdings können diese Schichten, die Bornitrid enthalten, nicht im Bereich von Solarsilizium verwendet werden, da Bornitrid in Solarsilizium als Verunreinigung unerwünscht ist.
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DE 103 26 815 A1 beschreibt ein Substrat mit einer antiadhäsiven Beschichtung, die durch das Auftragen einer Beschichtungszusammensetzung auf ein Substrat und Aushärtung erhalten wird, wobei die Beschichtungszusammensetzung a) Feststoffteilchen eines Trennmittels mit Ausnahme von Bornitrid und b) ein Bindemittel mit oberflächenmodifizierten, nanoskaligen Feststoffteilchen enthält. Die Trennmittelteilchen werden aus Graphit, Graphitverbindungen, Metallsulfiden, Metallseleniden und Metalltelluriden ausgewählt. Diese Beschichtungen sind auch nicht zur Verwendung in Verbindung mit Solarsilizium geeignet, da die dort erwähnten Trennmittel, wie z. B. Graphit oder Metallsulfide, -selenide und -telluride als Verunreinigungen in Solarsilizium unerwünscht sind.
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Parthasarathy in
US Patent 7,540,919 , erteilt am 2. Juni, 2009, beschreibt das Erstarren von kristallinem Silizium aus wiederverwendbaren Schmelztiegelformen und beschreibt einen großen Bereich des Stands der Technik, der sich auf Siliziumnitrid auf einem Quarztiegel bezieht.
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”Ein anderer Stand der Technik beschreibt die Verwendung von Siliziumnitrid auf einem Quarztiegel. Es gibt ebenfalls einen Stand der Technik, der einen Siliziumnitridbeschichtungsprozess auf einem Quarztiegel beschreibt. Ein anderer Teil des Stands der Technik offenbart ein CVD beschichtetes Siliziumkarbit zum Wachsen von Siliziumkristallen durch ein Ziehverfahren. Wieder anderer Stand der Technik gibt die Verwendung von Hartbeschichtung von Zirkonaten zur Siliziumkristallisation an.
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Die Verwendung von Siliziumnitridbeschichtung allein hat schädliche Auswirkungen, da sich die Schicht selbst unter höheren Temperaturen wieder zersetzen wird, so dass Stickstoff auf diese Weise in die Siliziumschmelze eingebracht wird. Zweitens wird die Beschichtung, da sie so porös ist, es der Siliziumschmelze ermöglichen, in Kontakt mit den Schmelztiegelwänden, die aus Quarz gefertigt sind, zu treten und dabei Verunreinigungen von der Schmelztiegelwand abzulösen. Bei der Verwendung eines Quarztiegels wird Sauerstoff durch die Reaktion von Silizium mit der Quarzoberfläche in die Siliziumschmelze eingebracht. Das Vorhandensein von zuviel Sauerstoff wird in der Produktion von Solarzellen nicht empfohlen, während Sauerstoff für die Herstellung von integrierten Geräten benötigt wird.
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Rudiger et al. (J. Elektrochem. Soc. Vol. 142, 1995) haben von der Reaktion von geschmolzenem Silizium mit Siliziumnitrid und anderen hitzedauerhaften Materialien berichtet. Die Untersuchungen zeigen klar, dass, wenn Silizium in mit Siliziumnitrid überzogenen Schmelztiegeln geschmolzen wird, die Siliziumschmelze das Siliziumnitrid in den ersten 20 Minuten nicht benetzt. Bei längeren Reaktionszeiten dringt die Schmelze durch die Siliziumnitridbeschichtung.
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Obwohl Siliziumnitrid und Siliziumoxynitrid im großen Rahmen als Beschichtungen in Kristallwachstumsverfahren verwendet werden, wie in Prakash et al. (J. Cryst. Growth 144 (1994)) beansprucht, sind diese Beschichtungen allein im Erzielen von chemischer Reinheit für die Bauelementanwendung nicht wirksam. Die Suche nach neuen Beschichtungstechnologien erhält weiterhin signifikante Aufmerksamkeit. Um zu verhindern, dass die Siliziumschmelze mit dem Siliziumnitrid direkt in Kontakt tritt, haben Forscher auch über die Verwendung von Schmelzsalzen mit nichtbenetzenden Eigenschaften berichtet.
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Die Verwendung von Graphit als einer Alternative zu Quarz wurde weithin versucht. Ciszek et al. haben in ihrem Artikel in IBM J. Res. Dev. ein Verfahren zum Züchten von für Solaranwendungen geeignetem Silizium durch gerichtete Erstarrung in Kohlenstoffschmelztiegeln veranschaulicht. Hier ist der Graphitschmelztiegel ein Opferschmelztiegel, d. h. dass ein Schmelztiegel aufgrund der Anhaftung des Siliziums an den Schmelztiegelwänden einen Ablauf lang hält. Eine ukrainische Forschungsgruppe hat ebenfalls einen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Schmelztiegel zur Siliziumerstarrung veranschaulicht.
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Saito et al. (Solar Energy Materials, Vol. 9, 1983) entwickelten eine Mehrwegform aus SiC-beschichtetem Kohlenstoff oder aus gesintertem Siliziumnitrid mit einer Siliziumnitridbeschichtung als Formtrennmittel. Ein CVD-beschichtetes Siliziumkarbit auf einer Graphitform in Verbindung mit Silziumnitridbeschichtung als Formtrennung für die Siliziumkristallzüchtung wird ebenfalls im Stand der Technik beschrieben.”
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Unglücklicherweise führt der aktuelle Stand der Technik der Formtrennformel zur übermäßigen Kontaminierung des Gussblocks, was am Ende zu schlechteren elektrischen Eigenschaften führt.
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Überblick über die Erfindung
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Eine photovoltaische Schmelztiegelformtrennmischung beinhaltet eine Pulvermischung, die Siliziumnitridpulver mit 1 ppm oder weniger Verunreinigungen und Siliziumdioxid mit 1 ppm oder weniger Verunreinigungen enthält, das unter das Siliziumnitridpulver gemischt wird, bis das Grau des Siliziumnitridpulvers farblich heller wird, was von 1 Gewicht-% Siliziumdioxid bis zu 50 Gewicht-% Siliziumdioxid der Fall ist. Außerdem ist ein Bindemittel mit einer Flüssigkeit enthalten. Die Pulvermischung wird mit dem Bindemittel vermischt. Das Bindemittel kann Ethanol, Wasser oder Alkohol sein. Eine photovoltaische Schmelztiegelformtrennmischung kann auch eine photovoltaische Schmelztiegelform enthalten, so dass die Formtrennmischung auf einer inneren Oberfläche der photovoltaischen Schmelztiegelform bis zu einer Dicke von 75 bis 1500 Mikrometern aufgetragen wird.
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Die Formtrennmischung ist auf die innere Oberfläche durch Laser gesintert. Die Formtrennmischung kann auf die innere Oberfläche durch Ofenhitze und durch Laser gesintert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Diagramm der Verteilung der Siliziumnitrid Teilchengröße auf der horizontalen Achse im Vergleich zum Gesamtprozentanteil des Volumens auf einer vertikalen Achse.
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2 ist eine Darstellung der Form.
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3 ist eine Ansicht der Siliziumnitridpulverteilchen.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die Formtrennformel ist aus einer Siliziumnitridpulvermischung mit 1 ppm Verunreinigungen bis 10 ppm Verunreinigungen hergestellt. Die beste Art Siliziumnitridpulvermischung enthält ungefähr 1 ppm Siliziumnitridpulver, das aus einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,6–0,8 μm mit trigonalem oder alphakristallinem Si3N4 gebildet wird. Dies führt zu einer spezifischen Oberfläche von 11 m2/g. Im Allgemeinen sollte der Reinheitsgrad der Siliziumnitridpulvermischung 99,99% mit einem Gewichtsanteil von chemischen Verunreinigungen von Cu: < 0,0001; Fe: 0,0001; Cr: 0,0001; Ni: 0,0002; Co: < 0,0001; Zn: 0,0001; Al: 0,0002; Mg: 0,0001; Ca: -----; V: 0,0001; Na: < 0,0001; W: < 0,0001 betragen. Die primäre Verteilung der Teilchengröße liegt vorzugsweise bei einem Median von 1 μm. Siliziumdioxid hat eine ähnliche Teilchengrößenverteilung mit weniger als 1 ppm Verunreinigungen bis 10 ppm Verunreinigungen und wird mit der Siliziumnitridpulvermischung vermischt, bis die Mischung die Farbe von hellgrau zu weiß verändert. Das Feststoffgemisch, das das Siliziumnitridpulver und die Siliziumdioxidmischung enthält, wird dann mit einem flüssigen Bindemittel, wie Ethanol oder Wasser vermischt. Das Feststoffgemisch wird in Wasser- oder Alkoholaufschlämmung als Bindemittellösung aufgelöst.
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Das Siliziumnitridpulver mit weniger als 2 ppm wird mit dem Siliziumdioxidpulver mit weniger als 2 ppm bis zu gleichen Gewichtsteilen bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Farbe der Pulvermischung die Farbe von einem Hellgrau zu Weiß verändert, vermischt.
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Die Form 12 weist eine innere Oberfläche der Formwand 14 auf. Die Formtrennformel wird auf die innere Oberfläche der Formwand durch Farbspritzen oder durch Pinseln aufgetragen. Sie kann durch Abziehen ausgehärtet oder gesintert werden. Das Siliziumnitridpulver ist vorzugsweise von regelmäßiger Gestalt und nicht kugelförmig. Jegliche Klumpen von Siliziumnitridpulver werden zerkleinert, bevor sie mit einer Bindemittellösung vermischt werden.
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Die Form hat einen Innenraum zum Aufnehmen einer Siliziumschmelze. Der Innenraum ist rechteckig und sieht im Allgemeinen wie ein Würfel aus. Siliziummaterial kann in die Form eingebracht und erhitzt werden, so dass das Siliziummaterial die Form verändert.
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Das Sintern des Siliziumnitrids kann durch Lasern oder Ofenhitze erfolgen. Die Siliziumnitridpulvermischung kann in Ethanol aufgelöst werden.
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Bezugszeichenliste
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- Formwand
- 14
- innere Oberfläche der Formwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0237225 [0002]
- US 2007/0013098 [0003]
- US 2007/0089642 [0004]
- DE 10326769 B3 [0004]
- DE 10326815 A1 [0005]
- US 7540919 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Rudiger et al. (J. Elektrochem. Soc. Vol. 142, 1995) [0009]
- Prakash et al. (J. Cryst. Growth 144 (1994)) [0010]
- Ciszek et al. haben in ihrem Artikel in IBM J. Res. Dev. [0011]
- Saito et al. (Solar Energy Materials, Vol. 9, 1983) [0012]
