DE102012100147A1 - Process for the preparation of mono-, quasi-mono- or multicrystalline metal or semimetal bodies - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörpers durch gerichtetes Erstarren aus einer Schmelze 3, insbesondere von mono-, quasimono- oder mulitkristallinen Siliziumkörpern nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren (VGF-Verfahren). Bei dem Verfahren erstarrt die Schmelze in einem Schmelztiegel 2 unter Einwirkung eines Temperaturgradienten, der in einer vertikalen Richtung und vom oberen Ende des Schmelztiegels 2 zu dessen unterem Ende verläuft, zu dem mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörper gerichtet. Vor dem Einbringen oder vor dem Erzeugen der Schmelze 3 in dem Schmelztiegel 2 wird der Boden des Schmelztiegels mit einer dünnen Trennschicht 35, 36 bedeckt. Erfindungsgemäß ist die dünne Trennschicht 35, 36 aus Quarzglas ausgebildet, insbesondere aus einem hochreinen, auch synthetisch hergestellten Quarzglas. So hergestellte Ingots zeigen über ihr gesamtes Volumen sehr homogene Eigenschaften und weisen auch in den Randbereichen nur einen sehr geringen Verunreinigungsgehalt auf.The invention relates to a method for producing a mono-, quasimono- or multicrystalline metal or semi-metal body by directional solidification from a melt 3, in particular mono-, quasimono- or multi-crystalline silicon bodies using the vertical gradient freeze method (VGF method ). In the process, the melt solidifies in a crucible 2 under the action of a temperature gradient which runs in a vertical direction and from the upper end of the crucible 2 to its lower end, directed towards the mono-, quasimono- or multicrystalline metal or semimetal body. Before the melt 3 is introduced into the crucible 2 or before it is generated, the bottom of the crucible is covered with a thin separating layer 35, 36. According to the invention, the thin separating layer 35, 36 is formed from quartz glass, in particular from a highly pure, also synthetically produced quartz glass. Ingots produced in this way show very homogeneous properties over their entire volume and also have only a very low level of contamination in the edge areas.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von vergleichsweise großen mono-, quasimono- und multikristallinen Materialrohlingen nach dem Vertical-Gradiant-Freeze-Verfahren (nachfolgend auch VGF-Verfahren genannt), insbesondere von mono-, quasimono- und multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörpern, bevorzugt von mono-, quasimono- und multikristallinem Silizium für Anwendungen in der Photovoltaik oder von mono-, quasimono- und multikristallinem Germaniumkristallen.The present invention generally relates to the production of comparatively large mono-, quasi-mono- and multicrystalline material blanks according to the vertical-gradiant-freeze method (also referred to below as VGF method), in particular of mono-, quasimono- and multicrystalline metal or semimetal bodies. preferably of mono-, quasi-mono- and multicrystalline silicon for applications in photovoltaics or mono-, quasimono- and multicrystalline germanium crystals.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Solarzellen sollen einen möglichst hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenstrahlung in Strom aufweisen. Dieser ist von mehreren Faktoren abhängig, wie unter anderem von der Reinheit des Ausgangsmateriales, dem Eindringen von Verunreinigungen während der Kristallisation von den Berührungsflächen des Kristalls mit dem Tiegel in das Kristallinnere, dem Eindringen von Sauerstoff und Kohlenstoff aus der umgebenden Atmosphäre in das Kristallinnere und auch von der Wachstumsrichtung der einzelnen Kristallkörner.Solar cells should have the highest possible efficiency in the conversion of solar radiation into electricity. This depends on several factors, among others, the purity of the starting material, the penetration of impurities during the crystallization from the contact surfaces of the crystal with the crucible into the interior of the crystal, the penetration of oxygen and carbon from the surrounding atmosphere into the interior of the crystal and also from the growth direction of the individual crystal grains.
Neben der Herstellung von monokristallinem Silizium nach dem Czochralski-Verfahren ist aus dem Stand der Technik auch die Herstellung von großvolumigen mono-, quasimono- und multikristallinen Silizium-Ingots durch gerichtetes Erstarren von schmelzflüssigem Silizium in einem Schmelztiegel bekannt. Dabei wird der Kristallschmelze an ihrem Boden Wärme entzogen, so dass ein Kristall von unten nach oben wachst. Es entsteht ein Block, aus mono-, quasimono- oder multikristallinem Silizium.In addition to the production of monocrystalline silicon by the Czochralski process, the prior art also discloses the production of large-volume mono-, quasi-mono- and multicrystalline silicon ingots by directed solidification of molten silicon in a crucible. The crystal melt is deprived of heat at its bottom, so that a crystal grows from bottom to top. The result is a block of mono-, quasi-mono- or multicrystalline silicon.
Dabei ist auf eine Ausrichtung der Isothermen des Temperaturfeldes eben und parallel zur Grundfläche des Schmelztiegels, d. h. horizontal, zu achten, was in einer ebenen Phasengrenze resultiert, sodass die einzelnen Kristalle dann senkrecht von unten nach oben wachsen.In this case, an orientation of the isotherms of the temperature field is flat and parallel to the base of the crucible, d. H. horizontally, which results in a flat phase boundary so that the individual crystals then grow vertically from bottom to top.
Die Deutsche Patentanmeldung
Bei der Herstellung von multikristallinem Silizium nach dem vorstehenden Verfahren sind zwar die Keimkristallplatten auf dem Boden des Schmelztiegels nicht notwendig. Allerdings ist auch hier insbesondere der Boden des multikristallinen Si-Ingots mit Verunreinigungen durchsetzt, was eine inakzeptabel hohe Verunreinigung zur Folge hat.In the production of multicrystalline silicon according to the above method, although the seed crystal plates are not necessary at the bottom of the crucible. However, here too the soil of the multicrystalline Si ingot in particular is permeated with impurities, which results in an unacceptably high level of contamination.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein effizienteres Verfahren zur Herstellung eines mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörpers durch gerichtetes Erstarren aus einer Schmelze mit hoher Reinheit bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide a more efficient process for producing a mono-, quasi-mono- or multicrystalline metal or semimetal body by directional solidification from a high purity melt.
Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.These and other objects are achieved according to the present invention by a method having the features of
Somit geht die vorliegende Erfindung von einem Verfahren zur Herstellung eines mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörpers durch gerichtetes Erstarren aus einer Schmelze aus, insbesondere von monokristallinen Siliziumkörpern nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren (VGF-Verfahren), bei welchem Verfahren die Schmelze in einem Schmelztiegel unter Einwirkung eines Temperaturgradienten, der in einer vertikalen Richtung und vom oberen Ende des Schmelztiegels zu dessen unterem Ende verläuft, zu dem mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörper gerichtet erstarrt, wobei vor dem Einbringen oder vor dem Erzeugen der Schmelze in dem Schmelztiegel der Boden des Schmelztiegels mit einer dünnen Trennschicht bedeckt wird.Thus, the present invention relates to a process for producing a mono-, quasi-mono- or multicrystalline metal or Semi-metal body by directed solidification of a melt, in particular of monocrystalline silicon bodies according to the vertical gradient freeze method (VGF method), in which method the melt in a crucible under the action of a temperature gradient, in a vertical direction and from the top of the crucible extends to the lower end, directionally solidified to the mono-, quasi-mono- or multicrystalline metal or semimetal body, wherein prior to introduction or before the production of the melt in the crucible, the bottom of the crucible is covered with a thin separation layer.
Erfindungsgemäß ist die dünne Trennschicht aus Quarzglas ausgebildet. Quarzglas ist in hoher Reinheit und mit einem geringen Verunreinigungsgehalt kostengünstig erhältlich, insbesondere auch in Standardabmessungen, die der Bodenfläche des Schmelztiegels oder einem ganzzahligen Bruchteilsverhältnis davon entsprechen. Somit kann eine effiziente Trennschicht kostengünstig bereitgestellt werden. Aufgrund der Eigenschaften von Quarzglas, insbesondere des hohen Schmelzpunkts, kann die Quarzglas-Trennschicht insbesondere sehr dünn bereitgestellt werden und kann den hohen Temperaturen und der in dem Schmelztiegel aufgenommenen Schmelze dennoch ausreichend widerstehen, sodass sich insgesamt eine sehr hohe Ausbeute an mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallkörper ergibt. Nach dem Erstarren und Herauslösen des Ingots aus dem Schmelztiegel braucht einfach nur die sehr dünne Trennschicht am unteren Ende des Ingots abgetrennt zu werden.According to the invention, the thin separating layer is made of quartz glass. Quartz glass is inexpensive to obtain in high purity and low impurity content, especially in standard dimensions corresponding to the bottom area of the crucible or an integral fraction ratio thereof. Thus, an efficient separation layer can be provided inexpensively. Due to the properties of quartz glass, in particular the high melting point, the quartz glass separating layer can in particular be provided very thinly and can still sufficiently withstand the high temperatures and the melt received in the crucible, so that overall a very high yield of mono-, quasimono- or multicrystalline metal or semimetal body. After solidification and dissolution of the ingot from the crucible just needs to be separated only the very thin separation layer at the bottom of the ingot.
Die unmittelbar darüber befindliche Schicht weist bereits den gewünschten nahezu verschwindenden Verunreinigungsgehalt auf. Dabei kann der Schmelztiegel insbesondere auch aus einem Quarzglas mit einem höheren Verunreinigungsgehalt ausgebildet sein. Dieser kann, beispielsweise zum Zwecke einer mechanischen Abstützung bei den hohen Prozesstemperaturen in einem diesen umgebenden Graphittiegel aufgenommen sein, sodass der Schmelztiegel insgesamt vergleichsweise kostengünstig und einfach aufgebaut ist. Dennoch lässt sich erfindungsgemäß ein sehr hoher Prozentsatz an verwertbarem mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallingot mit einem geringen Verunreinigungsgehalt erzielen.The layer immediately above it already has the desired almost vanishing impurity content. In this case, the crucible can in particular also be formed from a quartz glass with a higher impurity content. This can be added, for example, for the purpose of mechanical support at the high process temperatures in a surrounding graphite crucible, so that the crucible is constructed overall comparatively inexpensive and simple. Nevertheless, according to the invention, a very high percentage of recoverable mono-, quasi-mono- or multicrystalline metal or metallo-metal ingot with a low impurity content can be achieved.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die dünne(n) Quarzglasplatte(n) nicht, jedenfalls nicht nennenswert, in der in dem Schmelztiegel aufgenommenen Schmelze aufschwimmen.Surprisingly, it has been found that the thin (n) quartz glass plate (s) do not, at least not appreciably, float in the melt received in the crucible.
Anders als nach dem Stand der Technik wird erfindungsgemäß die dünne Trennschicht aus dem Quarzglas nicht als Keimplatte zur Induzierung einer Kristallorientierung des Ingots in einer Richtung parallel zur vertikalen Richtung des Schmelztiegels verwendet. Das Quarzglas dient im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht einer Induzierung einer bevorzugten Kristallisationsrichtung, sondern dient lediglich einer Trennung der Schmelze von dem Boden, ggf. auch von Seitenwänden, des Schmelztiegels. Ein Ingot mit homogenen Eigenschaften über sein gesamtes Volumen und insbesondere auch über dessen Randbereiche kann somit erfindungsgemäß kostengünstiger bereitgestellt werden, insbesondere mit einem geringeren Verunreinigungsgehalt.Unlike the prior art, according to the present invention, the thin separation layer of quartz glass is not used as a seed plate for inducing crystal orientation of the ingot in a direction parallel to the vertical direction of the crucible. For the purposes of the present invention, the quartz glass does not serve to induce a preferred crystallization direction, but merely serves to separate the melt from the bottom, if appropriate also from side walls, of the crucible. An ingot with homogeneous properties over its entire volume and in particular also over its edge regions can thus be provided more cheaply according to the invention, in particular with a lower impurity content.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Quarzglas ein hochreines synthetisches Quarzglas, das mit einem nahezu verschwindenden Verunreinigungsgehalt oder mit einem maximal zulässigen Verunreinigungsgehalt, der auf die jeweils gewünschte Anforderung abgestimmt ist, kostengünstig erhältlich ist oder kostengünstig hergestellt werden kann.According to a further embodiment, the quartz glass is a high-purity synthetic quartz glass which can be obtained cost-effectively with a virtually vanishing impurity content or with a maximum permissible impurity content, which is matched to the respective desired requirement, or can be produced inexpensively.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt ein Verunreinigungsgehalt des Tiegels an Eisen (Fe) und anderen Elementen maximal 30 ppmw (parts per million by weight). Der Verunreinigungsgehalt des Quarzglases an Eisen (Fe) und anderen Elementen beträgt dem gegenüber weniger als 30 ppbw (parts per billion by weight). Somit können bereits die unmittelbar an die dünne Trennschicht angrenzenden Abschnitte des mono-, quasimono- oder multikristallinen Metall- oder Halbmetallingots einen nahezu verschwindenden Verunreinigungsgehalt aufweisen.According to another embodiment, an impurity content of the crucible of iron (Fe) and other elements is at most 30 ppmw (parts per million by weight). The impurity content of the quartz glass on iron (Fe) and other elements is less than 30 ppbw (parts per billion by weight). Thus, already directly adjacent to the thin separation layer portions of the mono-, quasi-mono- or multicrystalline metal or Halbmetallingots have a nearly vanishing impurity content.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Temperatur des Bodens des Schmelztiegels auf einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls oder Halbmetalls gehalten, um ein Schmelzen der dünnen Trennschicht jedenfalls bis hinab zum Boden des Schmelztiegels zu verhindern. Bevorzugter wird die Temperatur des Bodens des Schmelztiegels so gesteuert oder geregelt, dass ein Schmelzen der dünnen Trennschicht jedenfalls bis hinab zu einer Restdicke der dünnen Trennschicht von wenigstens 30 μm verhindert ist.According to a further embodiment, the temperature of the bottom of the crucible is maintained at a temperature below the melting temperature of the metal or semi-metal in order to prevent melting of the thin separating layer at least down to the bottom of the crucible. More preferably, the temperature of the bottom of the crucible is controlled or controlled so that melting of the thin separating layer is prevented, at least down to a residual thickness of the thin separating layer of at least 30 microns.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bedeckt die dünne Trennschicht den Boden des Schmelztiegels vollständig. Dabei kann die dünne Trennschicht einstückig ausgebildet sein. Dünne Quarzglasscheiben mit Abmessungen, die den Innenabmessungen von handelsüblichen zur Herstellung von Metall- oder Halbmetallingots mit Standardabmessungen verwendeten Schmelztiegeln aus Quarzglas entsprechen, sind im Handel kostengünstig erhältlich. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass derartige Quarzglasscheiben beim gerichteten Erstarren von Metall- oder Halbmetallingots aus einer Schmelze die Erzielung einer höheren Ausbeute in einfacher und kostengünstiger Weise ermöglichen.According to another embodiment, the thin release layer completely covers the bottom of the crucible. In this case, the thin separating layer can be formed in one piece. Thin quartz glass panes having dimensions corresponding to the internal dimensions of commercial quartz glass crucibles used to make standard sized metal or semi-metal ingots are commercially available inexpensively. Surprisingly, it has been found that such quartz glass panes in the directional solidification of metal or Halbmetallingots from a melt to achieve a higher Allow yield in a simple and cost-effective manner.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die dünne Trennschicht von einer Mehrzahl von dünnen Quarzglasplatten ausgebildet, die unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet werden, um den Boden des Schmelztiegels vollständig zu bedecken. Dies kann beispielsweise aus Kostengründen von Vorteil sein, wenn Quarzglasplatten nur mit kleineren Abmessungen als den Innenabmessungen des zum gerichteten Erstarren verwendeten Schmelztiegels verfügbar sind. Für eine solche Anordnung der Quarzglasplatten unmittelbar aneinander angrenzend auf dem Boden des Schmelztiegels eignen sich einfache geometrische Formen, die einander zu geschlossenen Flächen gut ergänzen, wie insbesondere rechteckförmige, quadratische oder gleichseitige drei- bzw. sechseckige Grundflächen der Keimplatten.According to another embodiment, the thin separation layer is formed by a plurality of thin fused quartz plates which are placed immediately adjacent to each other to completely cover the bottom of the crucible. This may be advantageous for cost reasons, for example, if quartz glass plates are available only with smaller dimensions than the internal dimensions of the crucible used for directional solidification. For such an arrangement of quartz glass plates directly adjacent to each other on the bottom of the crucible are simple geometric shapes that complement each other well to closed surfaces, such as in particular rectangular, square or equilateral triangular or hexagonal bases of the germ plates.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Metall- oder Halbmetallkörper ein monokristalliner Metall- oder Halbmetallkörper, der durch Sägen entlang von sich in der vertikalen Richtung erstreckenden Sägelinien in eine Mehrzahl von monokristallinen Metall- oder Halbmetallkörpern unterteilt wird, wobei die Mehrzahl von Quarzglasplatten so auf dem Boden des Schmelztiegels angeordnet werden, dass Ränder der Quarzglasplatten den Beginn der späteren Sägelinien festlegen. Diese können insbesondere auf die typischen Abmessungen von Bauelementen abgestimmt sein, beispielsweise auf die Abmessungen von Solarzellen zur Verwendung in der Photovoltaik, sodass diese durch einfaches Sägen entlang der durch die Ränder der Quarzglasscheiben vorgegebenen Sägelinien in den gewünschten Abmessungen vorgegeben werden können, ggf. nach weiterer Bearbeitung an den Rändern Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Mehrzahl von dünnen Quarzglasplatten eine konstante Dicke auf, sodass man beim Abtrennen des unteren Endes des Ingots einfach nur eine Schicht mit der maximalen Stärke der verwendeten Quarzglasplatten abzutrennen braucht.According to another embodiment, the metal or semimetal body is a monocrystalline metal or semimetal body which is divided into a plurality of monocrystalline metal or semimetal bodies by sawing along saw lines extending in the vertical direction, the plurality of quartz glass plates thus being on the ground be arranged of the crucible that edges of the quartz glass plates set the beginning of the later sawing lines. These can in particular be matched to the typical dimensions of components, for example, the dimensions of solar cells for use in photovoltaics, so that they can be specified by simply sawing along the predetermined by the edges of the quartz glass saw lines in the desired dimensions, possibly after further Processing at the edges According to a further embodiment, the plurality of thin quartz glass plates has a constant thickness, so that when separating the lower end of the ingot, it is simply necessary to separate only one layer with the maximum thickness of the quartz glass plates used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die dünne Trennschicht eine Dicke von zumindest 50 μm auf, bevorzugter von zumindest 1000 μm. Experimente der Erfinder haben ergeben, dass insbesondere beim gerichteten Erstarren von Si-Ingots die vorgenannte Dicke ausreichend für eine ausreichende mechanische Stabilität der Trennschicht aus Quarzglas ist, insbesondere ein vollständiges Aufweichen der Quarzglasschicht verhindert ist, jedenfalls bis zu einer als minimal erachteten Restdicke von 30 μm. Nach oben ist die Dicke nur durch die Verfügbarkeit von dicken Glasplatten begrenzt, dennoch ist es sinnvoll, die Dicke so klein wie möglich zu gestalten.According to a further embodiment, the thin separating layer has a thickness of at least 50 μm, more preferably of at least 1000 μm. Experiments by the inventors have shown that, in particular in the directional solidification of Si ingots, the aforementioned thickness is sufficient for sufficient mechanical stability of the separating layer of quartz glass, in particular complete softening of the quartz glass layer is prevented, at least up to a residual thickness of 30 μm considered to be minimal , Upwards, the thickness is limited only by the availability of thick glass plates, yet it makes sense to make the thickness as small as possible.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Quarzglas mit einem Trennmittel beschichtet, was ein einfaches Abtrennen bzw. Ablösen des Ingots von der Trennschicht nach dem gerichteten Erstarren ermöglicht. Trennmittel mit einem geringen Verunreinigungsgehalt sind verfügbar und aus dem Stand der Technik bekannt.According to a further embodiment, the quartz glass is coated with a release agent, which allows easy separation or detachment of the ingot from the release layer after directional solidification. Release agents with a low impurity content are available and known in the art.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vor dem Einbringen oder vor dem Erzeugen der Schmelze in dem Schmelztiegel ergänzend auch Seitenwände des Schmelztiegels mit einer dünnen Trennschicht aus dem Quarzglas in der vorstehend beschriebenen bedeckt, um eine Verunreinigung auch der Seitenwandbereiche des Ingots zu unterbinden.According to a further embodiment, prior to the introduction or before the production of the melt in the crucible, side walls of the crucible are additionally covered with a thin separating layer of the quartz glass in the above-described manner in order to prevent contamination of the sidewall regions of the ingot.
Ein weiterer bevorzugter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines monokristallinen Silizium-Ingots mittels eines Vertical-Gradient-Freeze-Kristallziehverfahrens (VGF-Verfahrens) als Ausgangsmaterial für Bauelemente in der Photovoltaik, wie beispielsweise Solarzellen zur Ausbildung von Photovoltaik-Modulen.Another preferred aspect of the present invention relates to the use of the method described above for producing a monocrystalline silicon ingot by means of a vertical gradient freeze crystal pulling (VGF) process as a starting material for photovoltaic devices, such as photovoltaic solar cells modules.
Zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens kann insbesondere eine Vorrichtung mit einem feststehenden Schmelztiegel und einer Heizeinrichtung zum Aufschmelzen des in dem Tiegel befindlichen Siliziums eingesetzt werden. Dabei sind/ist die Heizeinrichtung und/oder eine thermische Dämmung der Vorrichtung so ausgelegt, um in dem Tiegel einen Temperaturgradienten in der Längsrichtung bzw. vertikalen Richtung auszubilden. Dies erfolgt normalerweise dadurch, dass der Boden des Tiegels auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird als das obere Ende desselben. Ferner weist bei einer solchen Vorrichtung die Heizeinrichtung einen Mantelheizer zur Unterdrückung eines Wärmeflusses senkrecht zur Längsrichtung, das heißt horizontal auswärts gerichtet, auf.In particular, a device having a stationary crucible and a heating device for melting the silicon present in the crucible can be used to carry out the aforementioned method. In this case, the heating device and / or a thermal insulation of the device are / is designed so as to form a temperature gradient in the longitudinal direction or vertical direction in the crucible. This is normally done by keeping the bottom of the crucible at a lower temperature than the top of the same. Furthermore, in such a device, the heating device has a jacket heater for suppressing a heat flow perpendicular to the longitudinal direction, that is directed horizontally outward on.
Dabei ist der Mantelheizer bevorzugt ein Einzonenheizer, der so ausgelegt ist, dass seine Heizleistung in der Längsrichtung bzw. vertikalen Richtung von dem oberen Ende zu dem unteren Ende des Schmelztiegels hin abnimmt, um zur Aufrechterhaltung des in dem Schmelztiegel ausgebildeten Temperaturgradienten zumindest beizutragen. Mit anderen Worten, durch Variieren der Heizleistung des Mantelheizers in Längsrichtung des Tiegels in stetiger oder diskreter Weise wird die Ausbildung eines vorbestimmten Temperaturgradienten in dem Tiegel zumindest unterstützt. Dieser Temperaturgradient wird in dem Schmelztiegel durch unterschiedliche Temperaturen eines Deckelheizers und einer Bodenheizers in an sich bekannter Weise vorgegeben. Dabei ist die Temperatur des Bodenheizers am Boden des Schmelztiegels niedriger, insbesondere unterhalb der Schmelztemperatur des zu verarbeitenden Siliziums. Zweckmäßig erstreckt sich dabei der Bodenheizer nicht zwangsläufig über die gesamte Grundfläche des Tiegels. Die Ausbildung einer ebenen Phasengrenzen in dem zu kristallisierenden Material, beispielsweise Silizium, ist mit einem sich über die Grundfläche des Tiegels erstreckenden Bodenheizer zwar am exaktesten realisierbar, aber eine in der Praxis ausreichend ebene Phasengrenze kann auch noch mit einem ringförmigen Bodenheizer erzielt werden, der in der Kristallisationsphase bezüglich seiner Temperaturabsenkung über die Prozesszeit sehr gut an das Temperaturprofil des Mantelheizers abgestimmt ist.In this case, the jacket heater is preferably a single-zone heater which is designed so that its heating power in the longitudinal direction or vertical direction decreases from the upper end to the lower end of the crucible in order to at least contribute to the maintenance of the temperature gradient formed in the crucible. In other words, by varying the heat output of the jacket heater in the longitudinal direction of the crucible in a continuous or discrete manner, the formation of a predetermined temperature gradient in the crucible is at least supported. This temperature gradient is predetermined in the crucible by different temperatures of a lid heater and a bottom heater in a conventional manner. The temperature of the bottom heater at the bottom of the crucible is lower, in particular below the melting temperature of the silicon to be processed. Suitably, the bottom heater does not necessarily extend over the entire base of the crucible. The formation of a planar phase boundaries in the material to be crystallized, for example silicon, with a bottom heater extending over the bottom surface of the crucible, although the most accurate feasible, but in practice sufficiently flat phase boundary can also be achieved with an annular bottom heater, the in the crystallization phase with respect to its temperature drop over the process time is very well matched to the temperature profile of the jacket heater.
FigurenübersichtLIST OF FIGURES
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:The invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings, from which further features, advantages and objects to be achieved will result. Show it:
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.In the figures, identical reference numerals designate identical or essentially identically acting elements or groups of elements.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten AusführungsbeispielenDetailed description of preferred embodiments
Die
Oberhalb und unterhalb des so ausgebildeten Tiegels befindet sich ein Deckelheizer
Alternativ oder ergänzend kann die mit dem Bezugszeichen
Nach dem VGF-Verfahren wird zunächst ein Ausgangsmaterial in den Schmelztiegel
Zur gerichteten Abkühlung und Erstarrung des flüssigen Siliziums in dem Schmelztiegel
Wie der
Bevorzugt beträgt der Verunreinigungsgehalt des Quarzglases an Eisen (Fe) maximal 30 ppbw und/oder beträgt der Verunreinigungsgehalt des Quarzglases an Natrium (Na) maximal 30 ppbw und/oder beträgt der Verunreinigungsgehalt des Quarzglases an Chrom (Cr), Nickel (Ni), Wolfram (W), Molybdän (Mo) oder Vanadium maximal 1 ppbw.Preferably, the impurity content of the quartz glass of iron (Fe) is at most 30 ppbw and / or the impurity content of the quartz glass of sodium (Na) is at most 30 ppbw and / or the impurity content of the quartz glass is chromium (Cr), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo) or
Wie in den
Wenngleich in der
Die
Die
Die
Ausführungsbeispiel embodiment
Zur Herstellung eines multikristallinen Silizium-Ingots wurde ein Quarztiegel mit einer quadratischen Grundform der Abmessungen 680 × 680 mm und einer Höhe von 450 mm verwendet. Der Boden des Schmelztiegels wurde mit einer aus vier einzelnen Quarzglasplatten ausgebildeten dünnen Trennschicht bedeckt. Auf diese Trennschicht wurde dann ein Silizium-Granulat feiner oder mittlerer Körnung bis zum oberen Rand des Schmelztiegels nachgefüllt. Das Si-Granulat wurde von oben her durch einen Deckelheizer aufgeschmolzen. Dabei waren die Mantelheizer ebenfalls eingeschaltet, während der Boden des Schmelztiegels nicht beheizt wurde. Es wurde mit einer Abschmelzrate von 5 cm/h gearbeitet, die gemäß anderen Versuchsreihen im Bereich zwischen 1 cm/h und 10 cm/h variiert werden konnte. Beim Aufschmelzen wurde die Phasengrenze fest/flüssig zuerst über den Tiegel von oben nach unten abgesenkt. Dabei war der Wärmeeintrag von oben her vergleichsweise groß während die Wärmeverluste am Boden des Schmelztiegels relativ gering waren, um so ein geeignet rasches, energieeffizientes Aufschmelzen zu ermöglichen.To produce a multicrystalline silicon ingot, a quartz crucible having a square basic shape measuring 680 × 680 mm and a height of 450 mm was used. The bottom of the crucible was covered with a thin separating layer formed of four individual quartz glass plates. On this separation layer was then a silicon granules fine or medium grain size refilled to the top of the crucible. The Si granules were melted from above through a lid heater. The mantle heaters were also on, while the bottom of the crucible was not heated. It was worked with a Abschmelzrate of 5 cm / h, which could be varied according to other series in the range between 1 cm / h and 10 cm / h. During melting, the phase boundary solid / liquid was first lowered over the crucible from top to bottom. The heat input from the top was relatively large while the heat losses at the bottom of the crucible were relatively low, so as to allow a suitable rapid, energy-efficient melting.
In einem zweiten Schritt wurde die Wärmeabfuhr am Boden des Schmelztiegels erhöht und gleichzeitig der Wärmeeintrag von oben her herabgesetzt. Dadurch wird die Bewegungsrichtung der Phasengrenze fest/flüssig wieder umgekehrt. Es konnte die gerichtete Erstarrung eines monokristallinen Si-Ingots beobachtet werden, dessen kristalline Struktur durch die der Keimplatten vorgegeben war. Dabei entscheidet das Verhältnis zwischen Wärmeeintrag von oben her und Wärmeabfuhr am Boden des Schmelztiegels über die Erstarrungsgeschwindigkeit.In a second step, the heat removal at the bottom of the crucible was increased and at the same time the heat input from above reduced. As a result, the direction of movement of the phase boundary is solid / liquid reversed again. It was possible to observe the directional solidification of a monocrystalline Si ingot whose crystalline structure was predetermined by that of the seed plates. The ratio between heat input from above and heat removal at the bottom of the crucible determines the rate of solidification.
Selbst bei Verwendung von Quarzglasplatten mit einer Dicke von nur 50 μm brauchte nur der unterste Bereich des Ingots bis zu einer Dicke, die der Ausgangsdicke der verwendeten Quarzglasplatten entsprach, von dem Ingot abgetrennt werden, um einen homogenen Ingot mit einem geringen Verunreinigungsgehalt auch in dessen Randbereichen, insbesondere an dessen unterem Ende, zu erhalten. Dementsprechend war die Ausbeute sehr hoch.Even with the use of quartz glass plates having a thickness of only 50 μm, only the lowermost portion of the ingot to a thickness corresponding to the starting thickness of the quartz glass plates used had to be separated from the ingot to produce a homogeneous ingot with a low impurity content even in its periphery , especially at its lower end. Accordingly, the yield was very high.
VergleichsbeispielComparative example
Bei entsprechenden Verfahrensbedingungen wurde ein Si-Ingot ohne Anordnung von Quarzglasplatten auf dem Boden des Schmelztiegels hergestellt. Dieser wies in den Randbereichen, insbesondere aber an seinem unteren Ende, einen erheblichen Verunreinigungsgehalt auf, der insbesondere auch in Abständen von 5 mm vom Rand des Si-Ingots noch deutlich höher war als in dem obigen Ausführungsbeispiel.Under appropriate process conditions, a Si ingot was made without placing quartz glass plates on the bottom of the crucible. This had in the edge areas, but in particular at its lower end, a significant impurity content, which was still significantly higher, especially at intervals of 5 mm from the edge of the Si ingot as in the above embodiment.
Wie dem Fachmann bei Studium der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann mit Solarzellen, die aus einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Si-Ingot hergestellt werden, aufgrund des deutlich niedrigeren Verunreinigungsgehaltes insbesondere auch in den Randbereichen des Ingots und die dadurch bedingte höhere Homogenität, ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Da weniger Verschnitt zur Herstellung von Solarzellen und anderen Bauelementen anfällt, ist die Ausbeute bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens höher, was Kosten sparen hilft. Abschätzungen der Erfinder deuten auf einen Kostenvorteil von bis zu 10% hin.As those skilled in studying the above description will be readily apparent, can be made with solar cells, which are made of a Si-ingot produced by the inventive method, due to the much lower impurity content in particular in the edge regions of the ingot and the consequent higher homogeneity , a higher efficiency can be achieved. Since less waste is produced for the production of solar cells and other components, the yield is higher when using the method according to the invention, which helps to save costs. Estimates by the inventors indicate a cost advantage of up to 10%.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Kristallisationsanlagecrystallization system
- 22
- Quarzglastiegelquartz glass crucible
- 33
- Schmelzemelt
- 44
- Graphittiegelgraphite crucible
- 55
- Bodenheizerbottom heater
- 66
- Deckelheizercover heater
- 77
- Mantelheizer/flächige seitliche HeizeinrichtungSheath heater / flat side heater
- 9a–9c9a-9c
- Temperaturfühlertemperature sensor
- 3535
- Trennschicht aus QuarzglasSeparating layer of quartz glass
- 36a–36d36a-36d
- hochreine Quarzglasscheibehigh-purity quartz glass pane
- 3737
- Trennlinieparting line
- 3838
- Trennlinieparting line
- 4040
- Isolationsschicht/TiegelaufstellplatteInsulation layer / crucible mounting
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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