DE102012005069A1

DE102012005069A1 - "Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken"

Info

Publication number: DE102012005069A1
Application number: DE201210005069
Authority: DE
Inventors: Franz Hugo
Original assignee: ETEC GmbH
Current assignee: ETEC GmbH
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner, vorgegebener oder gerichteter Kristallstruktur aus Siliziumschüttgut mit einem vakuumdichten Tiegel, der einen Außenmantel aufweist, der mit einem Innenmantel aus wassergekühlten, elektrisch leitenden Palisaden ausgekleidet ist, wobei der Tiegelmantel durch einen Tiegelboden und einen Tiegeldeckel abgedichtet verschlossen ist, mit mindestens einer Induktionsheizung, die entlang des Außenmantels mit Abstand dazu verfahrbar ist, und mit einer auf der Innenseite des Tiegelbodens angeordneten, gekühlten Wärmesenke. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit einer solchen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner, vorgegebener oder gerichteter Kristallstruktur aus Siliziumschüttgut.
Mit einer solchen Vorrichtung und einem solchen Verfahren werden Siliziumblöcke durch gerichtetes Erstarren einer Siliziumschmelze hergestellt. Derartige Blöcke werden unter anderem als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Solarzellen verwendet, indem man die Blöcke zu Scheiben mit einer Dicke von weniger als 200 μm zerschneidet und entsprechend weiter verarbeitet. Bei der gerichteten Erstarrung können entweder so genannte Stengelkristalle oder Einkristalle erzeugt werden. Die Herstellung von Einkristallen, z. B. nach dem Verfahren von Czochralski, ist entsprechend teuer. Für die Qualität des erzeugten Siliziums ist die Reinheit von wesentlicher Bedeutung.
Über 90% der bei der Herstellung von gerichtet erstarrten Siliziumblöcken verwendeten Schmelz- und Kristallisationsöfen werden mit Graphit zugestellt und unter Argonschutzgas-Atmosphäre betrieben. Der Schmelz- und Kristallisationstiegel ist in diesen Fällen aus SiO₂, wobei die Innenwand des Tiegels mit einer SiN Beschichtung versehen ist.
Aufgrund von Kristallstrukturumwandlungen im Quarz während des Schmelzvorgangs geht der Tiegel zu Bruch und ist nur einmal verwendbar. Die Kosten für die Tiegel sind deshalb ein erheblicher Kostenfaktor bei der Herstellung von multikristallinem Silizium nach diesem Verfahren.
Siliziumnitrid- und Siliziumkarbid-Einschlüsse stellen deshalb bei der Verwendung von konventionellen Graphitöfen und Quarztiegeln ein großes Problem dar. Im Silizium vorhandener Kohlenstoff führt bei einer Konzentration oberhalb der Sättigungsgrenze zur Ausscheidung von sehr harten Siliziumkarbidkristallen im kristallisierten Silizium.
Im Wesentlichen erfolgt diese Kontamination durch verschiedene Reaktionen zwischen der Kohlenstoffzustellung des Ofens mit dem Tiegel aus Quarz und der Siliziumschmelze.
Diese Reaktionen werden in der WO 2010/033885 A1 im Detail beschrieben. Ebenfalls werden ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der diese unerwünschte Kohlenstoffaufnahme zu verhindern ist.
Diese unerwünschten Verunreinigungen durch Kohlenstoff aus der Ofenzustellung oder durch Sauerstoff aus dem Quarztiegel oder durch Stickstoff aus der Tiegelbeschichtung lassen sich mit einem tiegelfreien, elektromagnetischen Schmelzverfahren vermeiden.
Das tiegelfreie Schmelzverfahren ist in der Literatur zum Schmelzen von reaktiven Metallen, wie zum Beispiel Titan oder Zirkon, beschrieben. Bei diesem Schmelzverfahren besteht der Tiegel aus palisadenartig angeordneten, senkrechten, wassergekühlten Seitenwänden, die mit einer Induktionsspule umgeben sind. Die Induktionsspule erzeugt einen Strom in den wassergekühlten, voneinander isolierten Seitenwänden. Dieser Strom wiederum erzeugt im zu schmelzenden Silizium Wirbelstromverluste, durch welche dann der Energieeintrag in die Schmelze erfolgt.
Die US 4 572 812 C schlägt als Alternative zu graphitzugestellten Schmelz- und Kristallisationsöfen mit Quarztiegeln einen bodenlosen, quadratischen, induktiv beheizten Kaltwandtiegel vor.
Bei Verwendung dieser Art Öfen entfällt der sonst verwendete Quarztiegel. Auch kann auf die Verwendung von Graphit, der die Quelle der Kohlenstoffverunreinigungen darstellt, verzichtet werden.
Die Schmelze wird dann durch weitere Energiezufuhr flüssig gehalten und dabei wird der Boden des Tiegels abgesenkt. Durch das Absenken der Tiegelbodenplatte kann man dann nach der Art des Stranggießverfahrens einen gerichtet erstarrten Block herstellen.
Die Tragplatte besteht aus Graphit und wird unter der Wirkung der Induktionsspule aufgeheizt, was unter anderem dazu dienen soll, eine Anfangserwärmung des stückigen Siliziums zu erreichen, um in diesem eine ausreichende Temperatur für einen Stromfluss und damit für die weitere Aufheizung durch Einkoppelung der induktiven Energie bis zum restlosen Aufschmelzen zu erzeugen.
In der US 6027563 wird ebenfalls ein elektromagnetisches Schmelzverfahren mit Bodenabzug zur Herstellung von Siliziumblöcken beschrieben. In dieser Druckschrift werden mehrere Vorschläge zur Vermeidung einer Verunreinigung des Siliziumblockes angegeben. Die erhöhte Siliziumtemperatur als Voraussetzung zur induktiven Ankopplung wird beispielsweise durch Aufgießen einer Siliziumschmelze aus einem in der gleichen Kammer untergebrachten, elektronenstahl-beheizten Herd bewerkstelligt. Ebenfalls wird die Möglichkeit erwähnt, durch eine Strahlungsheizung von oben eine schmelzflüssige Schicht aus Silizium als Startschicht zu erzeugen. Es wird weiterhin erläutert, dass durch Einlegen von Siliziumplatten mit einer vorgegebenen Kristallstruktur die Kristallstruktur des Siliziumblocks bestimmt werden kann.
Das weitere Dokument US 7749324 B2 beschreibt ebenfalls das elektromagnetische Gießverfahren mit Blockabzug, Vorheizer und Nachheizer. In dieser Schrift wird allerdings, in Ergänzung zu dem bereits bekannten Basisverfahren, der Block über eine Öffnung mit einer Gasabdichtung aus dem hermetisch abgeschlossenen Bereich in den atmosphärischen Bereich abgezogen und dann durch eine mitlaufende Säge abgetrennt. Damit werden die Voraussetzungen für einen kontinuierlichen Betrieb ohne Unterbrechung des Schmelzprozesses geschaffen.
Neben den bereits erwähnten Veröffentlichungen ist das elektromagnetische Schmelzen mit anschließender gerichteter Erstarrung über Blockabzug in einer Vielzahl von Veröffentlichungen beschrieben. Bei allen beschriebenen Verfahren befinden sich der kalte Schmelztiegel und die Induktionsspule innerhalb einer hermetisch abgeschlossenen gas- und vakuumdichten Kammer.
Speziell beim Betrieb der Einrichtung unter Vakuum muss deshalb die Induktionsspule elektrisch isoliert sein, um die Bildung von Lichtbogenentladungen zu vermeiden. Solche Entladungen treten bevorzugt in einem Druckbereich von ca. 1 bis 2000 Pa (0,01 bis 20 mbar) und bei Spannungen von mehr als 20 V auf und können zur Zerstörung der Induktionsspule oder des Tiegels führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit denen es möglich ist, unter Vermeidung der mit den bekannten Vorrichtung und Verfahren verbundenen Nachteilen gerichtet erstarrte, multikristalline Blöcke oder Blöcke mit vorgegebener Kristallstruktur ohne Verwendung eines mit SiN beschichteten verlorenen Quarztiegels in einem nicht mit Kohlenstoff (Graphit) isolierten Ofen mit einer einfachen Anlagentechnik auf kostengünstige Weise herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Verfahrensgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner, vorgegebener oder gerichteter Kristallstruktur aus Siliziumschüttgut umfasst einen vakuumdichten Tiegel. Auf der Außenseite befindet sich ein Außenmantel, der mit einem Innenmantel aus wassergekühlten, elektrisch leitenden Palisaden ausgekleidet ist. Dieser Tiegelmantel ist durch einen Tiegelboden und einen Tiegeldeckel abgedichtet verschlossen. Weiterhin ist mindestens eine Induktionsheizung vorhanden, die entlang des Außenmantels mit Abstand dazu verfahrbar ist. Schließlich ist auf der Innenseite des Tiegelbodens eine gekühlte Wärmesenke angeordnet.
Verfahrensgemäß wird zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner, vorgegebener oder gerichteter Kristallstruktur aus Siliziumschüttgut zunächst der Tiegel mit Siliziumschüttgut befüllt. Anschließend wird mit der Induktionsheizung die Wärmesenke bis zu einer Temperatur aufgeheizt, bei der eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des Siliziumschüttguts erreicht wird. Dann erfolgt die weitere Einkopplung von elektromagnetischer Energie direkt in das Siliziumschüttgut über die Induktionsheizung. Durch das Verfahren der Induktionsheizung entlang der Tiegelachse wird das Siliziumschüttgut in einer Zone aufgeschmolzen, die sich im Bereich der Induktionsheizung befindet. Nachdem ein erster Zonenbereich oberhalb der Wärmesenke aufgeschmolzen ist wird die Kühlung der Wärmesenke, die sich im Bereich des Tiegelbodens befindet, eingeschaltet und die Temperatur der Wärmesenke wird so geregelt, dass die Kristallisation einsetzt. Mit weiterem Verfahren der Induktionsheizeinrichtung in Richtung des Tiegeldeckels wird die schmelzflüssige Zone des aufgeschmolzenen Siliziums in dieser Richtung verschoben, während gleichzeitig unterhalb der aufgeschmolzenen Zone die gerichtete Erstarrung von dem Tiegelboden aus fortschreitet.
Schmelzöfen mit einem so genannten kalten Induktionstiegel sind an sich bekannt.
Beispielsweise beschreibt die US 4058668 den Aufbau eines Induktionstiegels, der aus mehreren gegeneinander elektrisch isolierten Palisaden aufgebaut ist. Die Palisaden der Seitenwände sind bei dieser Ausführungsform fest mit einem gekühlten Tiegelboden verbunden. Zum Gießen muss der Tiegel gekippt werden. Dieser Ofen wird dazu eingesetzt, um Titan zu gießen.
In der US 4116598 wird der gleiche Tiegelaufbau benutzt, wie er vorstehend beschrieben ist. Der Tiegelboden ist jedoch nach unten abziehbar. Damit wird ein geschmolzener Block aus dem Tiegel nach unten herausgezogen und kann somit in der Art des Stranggußverfahrens als gerichtet erstarrter Block abgezogen werden.
Weitere Ausführungsformen für in dieser Art aufgebaute Öfen sind in den US-Dokumenten 4572812 und 4915723 beschrieben.
Alle in der Literatur bekannten Anlagen mit kaltem Tiegel zum Herstellen von gerichtet erstarrten Siliziumblöcken sind allerdings in hermetisch dichten Kammern angeordnet und der erstarrte Block wird immer nach unten aus dem Tiegel herausgezogen.
Gemäß der Erfindung weist die Vorrichtung einen Tiegel mit festem Tiegelboden auf; ein aufwändiger Mechanismus eines Blockabzugs wie nach dem Stand der Technik ist nicht vorhanden. Es wird auch keine vom Tiegel getrennte Vakuumkammer benötigt, da die Tiegelaußenseite durch eine elektrisch nicht leitfähige Ummantelung gas- und vakuumdicht versiegelt ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine induktive Nachheizeinrichtung umfassen, die den Außenmantel mit Abstand dazu umgebend unterhalb der Induktionsheizung auf deren zum Tiegelboden hinweisenden Seite angeordnet Ist. Eine solche Nachheizeinrichtung ist getrennt von der Induktionsheizung verfahrbar. Durch eine solche Nachheizeinrichtung kann das Temperaturprofil in dem Tiegel und damit das Temperaturprofil bei der gerichteten Erstarrung der Siliziumschmelze vom Tiegelboden in Richtung des Tiegeldeckels definierter eingestellt werden. Die Nachheizeinrichtung sollte hierbei eine Temperatur in dem dazu zugeordneten Bereich des Tiegels einstellen, die im Vergleich zu der Temperatur in der Aufschmelzzone um 100°C bis 800°C niedriger ist.
Um das Temperaturprofil in dem Tiegel zu überwachen und gegebenenfalls durch die Heizeinrichtung bei Abweichungen beeinflussen zu können, werden in den Innenmantel des Tiegels mehrere Temperaturfühler eingelassen, die in axialer Richtung des Tiegels voneinander beabstandet sind. Das Temperaturprofil kann durch die Heizleistung beeinflusst werden, die durch die Induktionsheizeinrichtung und die Nachheizeinrichtung in den Tiegel eingebracht wird. Zum anderen kann das Temperaturprofil durch die Geschwindigkeit, mit der die Induktionsheizeinrichtung und gegebenenfalls die Nachheizeinrichtung von dem Tiegelboden zu dem Tiegeldeckel verfahren werden, den Vorgaben angepasst werden.
Besonders bevorzugt ist eine Temperaturmesslanze, die in der Achse des Tiegels angeordnet ist. Diese Temperaturmesslanze erstreckt sich von dem Tiegeldeckel bis annähernd zu dem Tiegelboden und kann in ihrem Abstand zum Tiegelboden verändert werden. Mit dieser Temperaturmesslanze kann während des Aufschmelzens des Siliziumschüttguts die Temperatur an der Oberfläche des aufgeschmolzenen Siliziumschüttguts über die Temperaturmesslanze erfasst werden. Bevorzugt wird für eine solche Temperaturmessung die Temperaturmesslanze als Quarzrohr ausgeführt. Die Temperaturmessung erfolgt dann vorzugsweise über eine Pyrometermessung durch das Quarzrohr. Eine solche Temperaturmesslanze in Form eines Quarzrohrs kann weiterhin als Notfalleinrichtung bei einer Störung, beispielsweise bei einem Stromausfall, verwendet werden. In einem solchen Fall wird die Beheizung des Tiegels unterbrochen und es kommt zu einer unkontrollierten Erstarrung der Schmelze. Falls dieser Fall auftritt, wird das Quarzrohr in die Schmelzzone eingefahren und dient als Pufferzone für das sich bei der Erstarrung ausdehnende Silizium; in einem solchen Fall wird das Quarzrohr durch den Druck des erstarrenden und damit sich ausdehnenden Siliziums brechen.
Auf die Wärmsenke können eine oder mehrere Platten aus Silizium mit vorgegebener Kristallstruktur aufgelegt werden. Diese Platten dienen als Kristallkeime, die bei Beginn des Prozesses nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Dadurch wird die Kristallstruktur bei Beginn der Kristallisation vorgegeben.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens können wie folgt zusammengefasst werden.
Dadurch, dass sich oberhalb des Schmelzbades bis kurz vor Abschluss des Prozesses stets eine Schicht Schmelzgut befindet, wird der Energieverbrauch pro kg kristallisiertem Produkt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich reduziert.
Der Energieverbrauch kann durch eine besondere Ausführung der Tiegelwand aus wassergekühlten Palisaden wesentlich verringert werden, indem auf die Palisaden auf der Tiegelinnenseite eine schlecht wärmeleitfähige Schicht, beispielsweise aus Quarz, aufgebracht wird.
Eine weitere Verbesserung des Phasengrenzverlaufs wird durch den Einsatz der Wärmesenke erreicht. Die Wärmesenke sollte so ausgefegt werden, dass eine Wärmeleistung zwischen 5 und 100 kW/m² pro m² Blockquerschnittsfläche abgeführt werden kann.
Durch die reduzierte seitliche in die Palisadenwände der Tiegelwand abfließende Wärmeleistung bei gleichzeitig höherer axial abgezogener Wärmeleistung über die Wärmesenke erhält die fest-flüssig Phasengrenze des Siliziums in dem Tiegel einen flacheren Verlauf.
Ein weiterer Vorteil liegt im einfacheren Aufbau der Vorrichtung. Es wird kein aufwändiger, vakuumdichter, äußerer Kessel mit Wasserkühlung benötigt, da der Tiegel selbst vakuumdicht ausgeführt ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Ofen wird auch die Gefahr eines Auslaufens der Schmelze bei Bruch des Blocks eliminiert, insbesondere dann, wenn in der Tiegelachse die Lanze aus einem Quarzrohr eingesetzt ist.
Zur Vermeidung von zu großen Spannungen im erstarrten Gussblock wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperatur am Blockfuß so geregelt, dass ein Temperaturgradient im Bereich zwischen 4°C/cm und 24°C/cm eingestellt wird.
Bei der Herstellung von Blöcken mit einer Höhe von mehr als 500 mm sollte die Nachheizeinrichtung in Kombination mit der Wärmesenke zur Vermeidung von größeren Temperaturgradienten eingesetzt werden. Die Nachheizeinrichtung wird dann entsprechend, auch im Zusammenwirken mit der Induktionsheizung, geregelt. Weiterhin wird zur Einstellung des Temperaturgradienten auch die regelbare Wärmesenke am Tiegelboden genutzt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt entlang der Achse des Tiegels,
2 einen Querschnitt durch die Wandung der in 1 gezeigten Vorrichtung, und
3A bis 3C jeweils die Vorrichtung der 1 in drei verschiedenen Verfahrensstufen beim Aufschmelzen von Siliziumschüttgut.
Die Vorrichtung, wie sie in den Figuren dargestellt ist, umfasst einen Tiegel 1 mit einem vakuumdichten Außenmantel 2 und einem gekühlten Innenmantel 3. Der Innenmantel 3 ist aus elektrisch leitenden Palisaden 4 zusammengesetzt, die über Hohlräume 5 gekühlt werden. An der Unterseite ist der aus dem Außenmantel 2 und dem Innenmantel 3 gebildete Tiegel 1 durch einen Tiegelboden 6 und an der Oberseite durch einen Tiegeldeckel 7 abgedichtet verschlossen, wie mit den jeweiligen Dichtungsringen 8 angedeutet ist.
Auf der Außenseite des Tiegelmantels befindet sich eine Induktionsheizung in Form einer Induktionsspule 9, die entlang der Tiegelachse in Richtung des Doppelpfeils 10 verfahrbar ist.
Unterhalb der Induktionsheizung befindet sich eine induktive Nachheizeinrichtung 11 in Form einer weiteren Induktionsspule, die ebenfalls in Richtung des Doppelpfeils 10 entlang der Tiegelachse verfahrbar ist. Die Induktionsheizung 9 und die Nachheizeinrichtung 11 können in ihrem Abstand zueinander, bezeichnet durch ”a” in 1, eingestellt werden, wie dies durch den weiteren Doppelpfeil 12 dargestellt ist.
Die Hohlräume 5 für die Kühlung der Palisaden 4, die den Innenmantel 3 des Tiegels 1 bilden, werden mit der Kühlflüssigkeit über einen unteren Kühlwasserzuflussanschluss 13 und einen oberen Kühlwasserabflussanschluss 14 mit dem Kühlwasser versorgt. Die Kühlwasserversorgung der Palisaden kann aber auch in anderer Weise angeordnet werden.
Die jeweiligen Verbindungen zwischen Tiegelboden 6 und Tiegelmantel und Tiegeldeckel 7 und Tiegelmantel sind als kalter Tiegel 1 ausgeführt, das bedeutet, dass eine Vielzahl von Palisaden 4 mit einer jeweils zwischen den Palisaden 4 angeordneten, elektrischen Isolationsschicht zu einem Rohr mit kreisförmigem oder einem anderen Querschnitt angeordnet sind. Die so angeordneten Palisaden 4 sind mit einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht vakuumdicht umwickelt. Die Schicht kann beispielsweise aus Glasfasermatten in Verbindung mit Gießharz bestehen. In 1 ist ein entsprechender Rohrabschnitt jeweils zwischen Innenmantel 3/Außenmantel 2 und Tiegelboden 6 bzw. Tiegeldeckel 7 angeordnet, der nicht mit einem Bezugszeichen bezeichnet ist.
Oberhalb des Tiegelbodens 6 ist eine regelbare Wärmesenke 15 angeordnet, die so ausgelegt ist, dass über diese in einem Temperaturbereich zwischen 1400°C und 500°C eine Wärmemenge von 100 kW/m² bezogen auf die Querschnittsfläche des Tiegelbodens 6 abgeführt werden kann. Um die Temperatur im Bereich dieser Wärmesenke 15 zu erfassen, ist ein Temperaturfühler (Thermoelement) 16 in dem Tiegelboden 6 bzw. der Wärmesenke 15 eingelassen. Die Wärmesenke 15 besitzt Kühlhohlräume und diese können über einen Kühlmittelanschluss 17 mit einem geeigneten Kühlmedium versorgt werden.
Auf der Wärmesenke 15 kann eine Starterplatte 18 aufgelegt werden. Die Starterplatte 18 kann beispielsweise aus Quarz bestehen und verhindert einen direkten Kontakt zwischen dem flüssigen Silizium und der Oberfläche der Wärmesenke 15.
In Richtung der Achse des Tiegels 1 verteilt befinden sich mehrere zueinander beabstandete Temperaturfühler 19, die in die Palisaden 4 eingelassen sind. Mit diesen Temperaturfühlern kann das sich einstellende Temperaturprofil in Richtung der Achse des Tiegels gesehen, also zwischen dem Tiegelboden 6 und dem Tiegeldeckel 7, überwacht werden. Aus dem mit den Temperaturmessfühlern 16 gewonnenen Temperaturprofil lässt sich die Position der momentanen Schmelzzone bestimmen, so dass auch der Schmelzfortschritt geregelt oder gesteuert wird.
An der Oberseite des Tiegels befindet sich ein Vakuumanschluss 20, um den Innenraum des Tiegels für den Schmelzprozess zu evakuieren. Weiterhin ist eine Nachfülleinrichtung 21 vorgesehen, die einen bestimmten Vorrat an Siliziumschüttgut enthält.
In der Achse des Tiegels 1 ist eine Temperaturmesslanze 22 angeordnet, die entlang der Achse des Tiegels verfahren werden kann, wie dies der Doppelpfeil 23 angibt.
Das Ende der Temperaturmesslanze 22 reicht in der Ausgangsstellung bis zu dem Tiegelboden 6 bzw. der Wärmesenke 15, wie auch anhand der 3A zu sehen ist. Als Temperaturmesslanze 22 kann ein Quarzstab mit einem Thermoelement an dem unteren Ende zur Temperaturmessung dienen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jedoch die Temperaturmesslanze 22 als Quarzrohr ausgeführt.
Für die Temperaturmessung befindet sich an dem oberen Ende dieses Quarzrohrs ein Pyrometer 24. Weiterhin befindet sich an dem oberen Ende des Quarzrohrs ein Schutzgasanschluss 25, um beispielsweise Argon zuzuführen. Die Position der Temperaturmesslanze 22 kann mit einem Antrieb 26 eingestellt werden. Bei konstanten Schmelzverhältnissen kann die Hubgeschwindigkeit der Induktionsspule 9 und der Spule der induktiven Nachheizeinrichtung 11 mit der Rückzugsgeschwindigkeit der Temperaturmesslanze 22 gekoppelt werden.
Die Induktionsspule 9 und die induktive Nachheizeinrichtung 11 können so miteinander gekoppelt werden, dass der Abstand a zwischen beiden Induktionsheizeinrichtungen 9, 11 einstellbar ist. Zur schnelleren Ermittlung des optimalen Abstands für bestimmte Verfahren, um bestimmte Blockqualitäten des aufgeschmolzenen Siliziums zu erhalten, kann es von Vorteil sein, den Abstand a kontinuierlich über einen regelbaren Antrieb, der nicht dargestellt ist, einstellbar auszuführen. Durch den Einsatz der Nachheizeinrichtung 11 und geeignete Wahl des Abstands ”a” kann der Verlauf der Phasengrenze abgeflacht werden. Dadurch werden die thermischen Spannungen im erstarrten Bereich reduziert, was wiederum die Häufigkeit wirkungsgradschädliche Kristallversetzungen reduziert.
Die beiden Induktionsspulen 9, 11 können über einen nicht näher dargestellten Kühlwasserkreislauf gekühlt werden.
Anhand der 3A bis 3C wird nun die Arbeitsweise der Vorrichtung, wie sie in 1 dargestellt ist, beschrieben.
Zunächst wird, wie die 3A zeigt, der Tiegel 1 mit Siliziumschüttgut 27 befüllt, das sich oberhalb der Wärmesenke 15 anhäuft.
Die Wärmesenke 15 kann sowohl aus hoch schmelzenden Refraktärmetallen, wie z. B. Molybdän, Wolfram, Niob oder Tantal, oder auch aus Graphit, hergestellt werden.
Falls die Wärmesenke 15 aus Graphit gefertigt ist und multikristallines Silizium hergestellt werden soll, ist die Auflage der Starterplatte 18, wie sie nur in der 1 dargestellt ist, aus Quarz zur Vermeidung des direkten Kontakts mit dem schmelzflüssigen Silizium vorteilhaft.
Zum Herstellen von Einkristallen oder zur Vorgabe einer definierten Kristallstruktur ist es auch möglich, einen oder mehrere Impfkristalle auf die Oberfläche der Wärmesenke 15 aufzulegen. Beim Starten des Prozesses werden dann die Impfkristalle von oben her angeschmolzen. Mittels der einstellbaren Wärmesenke 15 und der Regelung der Leistungszufuhr sowie der Position der Induktionsspule 9 und gegebenenfalls der induktiven Nachheizeinrichtung 11 lässt sich die Anfangsphase des Prozesses sehr genau steuern.
Anschließend wird der Tiegel 1 vakuumdicht verschlossen und die Induktionsspule 9 in den Bereich des Schüttguts verfahren, der sich unmittelbar oberhalb der Wärmesenke 15 befindet. Nun wird die Wärmesenke 15 mit der Induktionsspule 9 (Induktionsheizung) bis zu einer Temperatur aufgeheizt, bei der eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des Siliziumschüttguts 27 erreicht wird, die die weitere Einkopplung von elektromagnetischer Energie direkt in das Siliziumschüttgut 27 zulässt. Diese Temperatur liegt bei etwa 1000°C. Die Induktionsspule 9 wird dann von dem Tiegelboden 6 aus in Richtung des Tiegeldeckels 7 unter Aufschmelzen einer Zone 28 des Siliziumschüttguts 27 verfahren, wie durch den Pfeil 29 angedeutet ist. Nachdem eine ausreichend große flüssige Zone 28 im Bereich des Tiegelbodens 6 erreicht wird, wird die Kühlung der Wärmesenke 15 eingeschaltet, wodurch, ausgehend vom Tiegelboden 6, eine gerichtete Erstarrung des aufgeschmolzenen Siliziumschüttguts 27 erfolgt. Durch weiteres Verfahren der Induktionsspule 9 in Richtung des Pfeils 29 wird die Zone 28 des aufgeschmolzenen Siliziums in Richtung des Tiegeldeckels 7 hin verschoben, während unterhalb der aufgeschmolzenen Zone 28 die gerichtete Erstarrung von dem Tiegelboden 6 aus fortschreitet; das erstarrte Silizium ist mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet.
Während des Aufschmelzens des Siliziumschüttguts 27 wird über die Temperaturmesslanze 22 eine Temperaturmessung an der Oberfläche der flüssigen Zone 28 vorgenommen. Mit einem Verschieben der Zone 28 in Richtung des Tiegeldeckels 7 hin wird das Ende der Messlanze mit verschoben, wie dies anhand der 3A bis 3C ersichtlich ist.
Um das Temperaturprofil in dem Tiegel 1 definierter einstellen zu können, wird der Bereich des Tiegels 1 unterhalb der schmelzflüssigen Zone 28, in dem die Erstarrung des flüssigen Siliziums erfolgt, durch die Nachheizeinrichtung 11 beheizt, die in definiertem Abstand zu der Induktionsspule 9 mit in Richtung des Tiegeldeckels 7 verschoben wird. Nachdem das gesamte Siliziumschüttgut 27 aufgeschmolzen und wieder kristallisiert ist, kann der erstarrte Siliziumblock aus dem Tiegel 1 entnommen werden. Während des Aufschmelzens des zu Anfang in dem Tiegel 1 eingefüllten Siliziumschüttguts 27 wird weiteres Schüttgut über die Nachfülleinrichtung 21 in den Tiegelinnenraum eingefüllt.
Falls während des Aufschmelzens des Siliziumschüttguts 27 ein Störfall, beispielsweise durch Ausfall der Induktionsheizeinrichtung 9, auftreten sollte, wird die Temperaturmesslanze 22, falls sie aus einem Quarzrohr hergestellt ist, in den noch flüssigen Teil der Siliziumschmelze eingefahren und bildet so einen Hohlraum, in den sich die erstarrende Schmelze unter Bersten des Glasrohrs ausdehnen kann, wie dies die 3C zeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/033885 A1 [0007]
US 4572812 C [0010]
US 6027563 [0014]
US 7749324 B2 [0015]
US 4058668 [0024]
US 4116598 [0025]
US 4572812 [0026]
US 4915723 [0026]

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner, vorgegebener oder gerichteter Kristallstruktur aus Siliziumschüttgut mit einem vakuumdichten Tiegel (1), der einen Außenmantel (2) aufweist, der mit einem Innenmantel (3) aus wassergekühlten, elektrisch leitenden Palisaden (4) ausgekleidet ist, wobei der Tiegelmantel (3) durch einen Tiegelboden (6) und einen Tiegeldeckel (7) abgedichtet verschlossen ist, mit mindestens einer Induktionsheizung (9; 11), die entlang des Außenmantels (2) mit Abstand dazu verfahrbar ist, und mit einer auf der Innenseite des Tiegelbodens (6) angeordneten, gekühlten Wärmesenke (15).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine induktive Nachheizeinrichtung (11), den Außenmantel (2) mit Abstand dazu umgebend, unterhalb der Induktionsheizung (9) auf deren zum Tiegelboden (6) hinweisenden Seite angeordnet ist, die getrennt von der Induktionsheizung (9) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Temperaturfühler (19) in dem Innenmantel (3) eingelassen sind, die in axialer Richtung des Tiegels (1) voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturmesslanze (22) in der Achse des Tiegels (1) angeordnet ist, die sich durch den Tiegeldeckel (7) bis annähernd zu dem Tiegelboden (6) erstreckt, wobei der Abstand des Endes der Temperaturmesslanze (22) zum Tiegelboden (6) veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Wärmsenke (15) eine oder mehrere Platten (18) aus Silizium mit einer vorgegebenen Kristallstruktur aufgelegt ist/sind.
Verfahren zum Herstellen von solartauglichen Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner, vorgegebener oder gerichteter Kristallstruktur aus Siliziumschüttgut mit einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit folgenden Verfahrensschritten: Befüllen des Tiegels mit Siliziumschüttgut, Aufheizen der Wärmesenke mit der Induktionsheizung bis zu einer Temperatur, bei der eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des Siliziumschüttguts erreicht wird, die die weitere Einkopplung von elektromagnetischer Energie direkt in das Siliziumschüttgut zulässt, und Aufschmelzen einer schmelzflüssigen Zone oberhalb der Wärmesenke, Verfahren der Induktionsheizung von dem Tiegelboden aus in Richtung des Tiegeldeckels unter Beibehaltung der schmelzflüssigen Zone des Siliziumschüttguts, Einschalten der Kühlung der Wärmesenke, weiteres Verfahren der Induktionsheizeinrichtung in Richtung des Tiegeldeckels und damit Verschieben der Zone des aufgeschmolzenen Siliziums, während unterhalb der aufgeschmolzenen Zone die gerichtete Erstarrung von dem Tiegelboden aus fortschreitet,
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufschmelzens des Siliziumschüttguts eine Temperaturmessung über die Außenwand des Tiegels zur Erstellung eines Temperaturprofils in Richtung der Achse des Tiegels vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufschmelzens des Siliziumschüttguts eine Temperaturmessung an der Oberfläche des aufgeschmolzenen Siliziumschüttguts über die Temperaturmesslanze vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Stromausfall eine Temperaturmesslanze in Form eines Quarzrohrs in die Schmelzzone eingefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen von Siliziumblöcken mit quasimonokristalliner oder vorgegebener Kristallstruktur eine Platte aus Silizium mit der entsprechenden, vorzugebenden Kristallstruktur auf die Wärmesenke vor Einfüllen des Siliziumschüttguts aufgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Temperaturmesslanze in Form eines Quarzrohrs ein Schutzgas zu der Schmelzzone zugeführt wird.