DE102013203740B4

DE102013203740B4 - Vorrichtung und Vefahren zur Herstellung von Silizium-Blöcken

Info

Publication number: DE102013203740B4
Application number: DE102013203740.6A
Authority: DE
Inventors: Marc Dietrich; Bianca GRÜNDIG-WENDROCK; Kaspars DADZIS; Stefan Rölke
Original assignee: Solarworld Ind GmbH; SolarWorld Industries GmbH
Current assignee: Meyer Burger Germany GmbH
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: TW201441434A; CN104032370A; DE102013203740A1; TWI547601B

Abstract

Vorrichtung (1) zur Herstellung von Silizium-Blöcken umfassenda. mindestens einen ersten Behälter (3) zur Aufnahme einer Halbleiter-Schmelze,b. mindestens einen zweiten Behälter (4) zur Aufnahme einer Halbleiter-Schmelze,c. wobei der mindestens eine zweite Behälter (4) einen Auslass (12) aufweist, über welchen flüssiges Silizium aus dem mindestens einen zweiten Behälter (4) in den mindestens einen ersten Behälter (3) ausfließen kann,d. wobei als erster Behälter (3) ein Kristallisationstiegel dient, unde. wobei die Behälter (3, 4) in einer gemeinsamen Kammer (9) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet,f. dass der zweite Behälter (4) oberhalb des ersten Behälters (3) angeordnet ist, undg. dass die Vorrichtung (1) eine Heiz-Einrichtung (15) zum Aufschmelzen von Silizium (6) sowohl im ersten Behälter (3) als auch im zweiten Behälter (4) umfasst,i. wobei die Heiz-Einrichtung (15) einen Deckenheizer (15) des ersten Behälters (3) umfasst,ii. wobei der Deckenheizer (15) oberhalb des ersten Behälters (3) und des zweiten Behälters (4) angeordnet ist, undh. dass der zweite Behälter (4) ein Volumen (V) aufweist, welches kleiner ist als ein Volumen (V) des ersten Behälters (3), wobei gilt: V: V≤ 0,1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Silizium-Blöcken. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Blöcken.
Aus der EP 2 251 459 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung flüssigen Siliziums bekannt. Hierbei ist vorgesehen, einen Schmelztiegel mit flüssigem Silizium nachzuchargieren.
Aus der DE 10 2009 021 003 A1 ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung flüssigen Siliziums bekannt. Aus der US 2002/0062784 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung ultrareinen Materials bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Herstellung von Silizium-Blöcken zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht darin, mindestens zwei Behälter zur Aufnahme einer Halbleiter-Schmelze in einer gemeinsamen Kammer anzuordnen, wobei mindestens einer der Behälter einen Auslass aufweist, über welchen flüssiges Silizium in den mindestens einen anderen Behälter ausfließen kann.
Der zweite Behälter dient insbesondere der Bereitstellung einer Silizium-Schmelze zum Nachchargieren des ersten Behälters. Der zweite Behälter ist oberhalb des ersten Behälters angeordnet. Dies erleichtert das Ausfließen des flüssigen Siliziums aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter.
Der Auslass des zweiten Behälters kann insbesondere in Form eines Überlaufs, vorzugsweise mit einer Tülle ausgebildet sein. Der Auslass kann insbesondere steuerbar, insbesondere verschließbar sein.
Die gemeinsame Kammer zur Aufnahme des Behälters ist insbesondere thermisch isoliert. Sie kann vorzugsweise gasdicht nach außen abgeschlossen sein. Durch die Anordnung der Behälter in einer gemeinsamen Kammer wird die Energieeffizienz des Verfahrens verbessert.
Die Behälter können insbesondere ortsfest zueinander angeordnet sein. Es kann insbesondere auf bewegliche Teile verzichtet werden. Dies erleichtert den Aufbau der Vorrichtung. Außerdem wird hierdurch die mechanische Stabilität der Vorrichtung verbessert.
Der zweite Behälter weist ein Volumen V₂ auf, welches kleiner ist als das Volumen V₁ des ersten Behälters, V₂ < V₁. Es gilt: V₂ : V₁ ≤ 0,1, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,05, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,01, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,005. Das Volumen V₂ des zweiten Behälters beträgt insbesondere mindestens 0,5 1. Das Volumen V₁ liegt insbesondere im Bereich von 100 1 bis 5000 1. Das Volumen V₂ liegt insbesondere im Bereich von 0,5 1 bis 20 1.
Der zweite Behälter weist insbesondere eine Querschnittsfläche A₂ auf, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche A₁ des ersten Behälters, A₂ < A₁. Es gilt insbesondere A₂ : A₁ ≤ 0,5, insbesondere A₂ : A₁ ≤ 0,25, insbesondere A₂ : A₁ ≤ 0,2.
Der zweite Behälter kann insbesondere einen Querschnitt aufweisen, welcher eine skalierte Version des Querschnitts des ersten Behälters darstellt. Er kann vorzugsweise derart angeordnet sein, dass die SymmetrieEigenschaften des ersten Behälters bei der Kombination aus erstem Behälter und zweitem Behälter gewahrt bleiben. Hierdurch kann die Kristallisation der Silizium-Schmelze im ersten Behälter vorteilhaft beeinflusst werden.
Die Vorrichtung weist eine Heiz-Einrichtung auf, welche zum Aufschmelzen von stückigem Silizium sowohl im ersten Behälter als auch im zweiten Behälter geeignet ist.
Die Heiz-Einrichtung umfasst einen Deckenheizer des ersten Behälters. Der Deckenheizer ist oberhalb des ersten Behälters angeordnet. Er ist oberhalb des zweiten Behälters angeordnet.
Der Deckenheizer kann eine Leistung im Bereich von 1 kW bis 100 kW, insbesondere im Bereich von 10 kW bis 70 kW, insbesondere im Bereich von 30 kW bis 55 kW aufweisen.
Der Deckenheizer kann beabstandet zum oberen Rand des ersten Behälters angeordnet sein. Der Abstand zwischen dem Deckenheizer und dem oberen Rand des ersten Behälters liegt insbesondere im Bereich von 1 cm bis 100 cm, insbesondere im Bereich von 1 cm bis 20 cm, insbesondere im Bereich von 5 cm bis 10 cm.
Der Abstand zwischen dem Deckenheizer und dem oberen Rand des ersten Behälters ist insbesondere größer als die Erstreckung des zweiten Behälters in Richtung senkrecht zu seiner Querschnittsfläche. Der Abstand zwischen dem Deckenheizer und dem oberen Rand des ersten Behälters kann jedoch auch kleiner sein als die Erstreckung des zweiten Behälters in Richtung senkrecht zu seiner Querschnittsfläche.
Der zweite Behälter kann insbesondere in der sogenannten „Hot Zone“ des ersten Behälters angeordnet sein. Unter der „Hot Zone“ sei hierbei der Bereich in der Kammer verstanden, welcher mittels der Heiz-Einrichtung auf Temperaturen oberhalb der Schmelz-Temperatur von Silizium, insbesondere auf Temperaturen von mehr als 1450°C, insbesondere auf Temperaturen von mehr als 1500°C, erhitzt werden kann.
Zur Anordnung in der „Hot Zone“ kann der zweite Behälter auf einer Graphitplatte angeordnet sein oder mittels einer Halterung aus Graphit in der Kammer gehalten sein. Die Halterung kann insbesondere an einer Wand, insbesondere an einer Seitenwand oder an der Deckenwand, der Kammer angebracht sein.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst die Heiz-Einrichtung mehrere Heizelemente. Die Heizelemente sind insbesondere unabhängig voneinander steuerbar. Die Heiz-Einrichtung ist insbesondere derart ausgebildet, dass stückiges Silizium im zweiten Behälter aufschmelzbar ist, während eine Silizium-Schmelze im ersten Behälter erstarrt wird. Die Heiz-Einrichtung kann insbesondere separate Heizelemente zum Aufschmelzen des Siliziums im zweiten Behälter aufweisen. Diese können oberhalb und/oder unterhalb und/oder seitlich, d. h. im Umfangsbereich, des zweiten Behälters angeordnet sein.
Außerdem ist die Heiz-Einrichtung insbesondere derart steuerbar, dass die Silizium-Schmelze im ersten Behälter gerichtet erstarrt wird. Die Silizium-Schmelze im ersten Behälter kann insbesondere nach einem sogenannten Vertical Gradient Freeze (VGF)-Verfahren erstarrt werden.
Besonders vorteilhaft kann es sein, als Heizelement zum Aufschmelzen des Siliziums im zweiten Behälter einen Elektronenstrahl oder eine Laserquelle einzusetzen. Alternativ oder zusätzlich hierzu können ein oder mehrere Heizelemente in Form eines Widerstandsheizers oder eines induktiven Heizelements vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen dritten Behälter zur Aufnahme von stückigem Silizium, welcher über eine Zuführ-Einrichtung mit dem zweiten Behälter verbunden ist.
Der dritte Behälter kann insbesondere außerhalb der gemeinsamen Kammer angeordnet sein. Bei der Zuführeinrichtung kann es sich um ein Verbindungsrohr handeln. Die Zuführeinrichtung weist insbesondere eine Steuerung auf. Als Steuerung kann beispielsweise eine öffen- und schließbare Klappe dienen.
Vorzugsweise ist der dritte Behälter oberhalb der gemeinsamen Kammer zur Aufnahme des ersten und zweiten Behälters angeordnet. Der dritte Behälter ist insbesondere derart angeordnet, dass er mit Hilfe der Abwärme von der gemeinsamen Kammer beheizbar ist. Dies kann zu einer vorteilhaften Entgasung des stückigen Rohmaterials im dritten Behälter führen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein Abbremselement zum Abbremsen des flüssigen Siliziums aus dem zweiten Behälter. Das Abbremselement kann in Form einer Auftropf-Platte oder einer Ablenk-Einrichtung ausgebildet sein. Es kann auch eine Zerkleinerungs-Einrichtung zur Zerkleinerung einzelner Siliziumtröpfchen aus dem zweiten Behälter aufweisen. Durch eine Zerkleinerung der in den ersten Behälter fallenden Siliziumtröpfchen kann der Impuls, den ein Tröpfchen beim Eintritt in die Schmelze im ersten Behälter aufweist, verringert werden. Hierdurch kann die Einbringtiefe des Tröpfchens in die Schmelze im ersten Behälter verringert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Silizium-Blöcken zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 5 gelöst. Die Vorteile ergeben sich aus den für die vorhergehend beschriebene Vorrichtung beschriebenen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere vorgesehen, flüssiges Silizium aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter zu überführen. Dies kann bereits während des Aufschmelzvorgangs des Siliziums im ersten Behälter geschehen. Es ist auch möglich, flüssiges Silizium aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter zu überführen, nachdem das Silizium im ersten Behälter vollständig aufgeschmolzen wurde Das flüssige Silizium aus dem zweiten Behälter wird in den ersten Behälter überführt, während die Silizium-Schmelze im ersten Behälter gerichtet erstarrt wird.
Die Nachchargierrate liegt im Bereich von 0,1 kg/h bis 10 kg/h, insbesondere im Bereich von 0,3 kg/h bis 3 kg/h. Die Nachchargierrate kann in Abhängigkeit von der Kristallisationsgeschwindigkeit der Silizium-Schmelze im ersten Behälter gesteuert werden.
Das Überführen von flüssigem Silizium aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter wird auch als Nachchargieren bezeichnet. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die Menge des sich im ersten Behälter kristallisierenden Siliziums durch ein Nachchargieren vergrößern lässt. Weiter wurde erkannt, dass sich die Qualität des kristallisierenden Silizium-Blocks im ersten Behälter verbessern lässt, wenn Silizium in flüssiger Form nachchargiert wird.
Weiterhin wurde erkannt, dass sich durch Nachchargieren von flüssigem Silizium die Eigenschaften des im ersten Behälter kristallisierenden Silizium-Blocks beeinflussen lassen. Es ist insbesondere möglich, durch Nachchargieren die Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe und damit insbesondere das Widerstandsprofil des kristallisierenden Silizium-Blocks über seine Höhe vorteilhaft zu beeinflussen. Es ist insbesondere möglich, Silizium-Blöcke mit einem homogeneren Widerstandsprofil, insbesondere mit einer verringerten Widerstandsbandbreite. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich insbesondere Silizium-Blöcke herstellen, deren spezifischer Widerstand über mindestens 50%, insbesondere mindestens 60%, insbesondere mindestens 70% der Gesamthöhe des Silizium-Blocks um weniger als 30%, insbesondere weniger als 20%, insbesondere weniger als 10%, insbesondere weniger als 5% um einen Mittelwert des spezifischen Widerstands schwankt. Der Mittelwert des spezifischen Widerstands kann insbesondere im Bereich von 1,2 Ω · cm bis 1,6 Ω · cm, insbesondere im Bereich von 1,3 Ω · cm bis 1,5 Ω · cm, insbesondere im Bereich von 1,3 Ω · cm bis 1,4 Ω · cm liegen.
Durch Zugabe von Dotierstoffen lassen sich auch andere spezifische Widerstände, insbesondere ein anderes Widerstandsprofil, erreichen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Nachchargieren während eines oder mehrerer Zeitabschnitte kontinuierlich erfolgen. Es ist insbesondere möglich, chargenweise kontinuierlich nachzuchargieren. Unter einer kontinuierlichen Nachchargierung sei hierbei eine Nachchargierung mit einer konstanten Nachchargierrate verstanden. Im Falle des Nachchargierens in mehreren Chargen können die einzelnen Chargen unterschiedlich sein. Sie können insbesondere verschiedene Volumina aufweisen. Sie können auch unterschiedliche Dotierstoffkonzentrationen aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Erfindung weist das insgesamt aus dem zweiten Behälter in den ersten Behälter überführte, flüssige Silizium ein Volumen V_n auf, wobei gilt: V_n: V₁ ≥ 0,05, insbesondere V_n: V₁ ≥ 0,01, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,2, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,3. Es kann gelten: V_n : V₁ ≥ 0,5, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,7, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,9. Die absolute Menge des nachchargierten Siliziums liegt im Bereich von 0,1 kg bis 1000 kg, insbesondere im Bereich von 1 kg bis 700 kg, insbesondere im Bereich von 10 kg bis 500 kg, insbesondere im Bereich von mehr als 50 kg, insbesondere im Bereich von mehr als 100 kg.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das nachchargierte Silizium eine vorbestimmte Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe auf. Dies kann insbesondere durch Vorgabe entsprechend dotierten Rohmaterials und/oder Zugabe spezieller Dotierstoffe im dritten Behälter erreicht werden. Das Silizium im zweiten Behälter kann insbesondere undotiert sein. Alternativ hierzu kann es eine vorgegebene Konzentration eines oder mehrerer der folgenden Elemente aufweisen: Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Phosphor, Arsen, Antimon.
Es ist auch möglich, die Konzentration eines oder mehrerer dieser Dotierstoffe zeitlich zu variieren, insbesondere im Verlauf des Nachchargierens zu variieren. Hierdurch kann insbesondere einer Änderung der Dotierstoff-konzentration in der Silizium-Schmelze, welche aufgrund von Segregationseffekten während der Kristallisation derselben zu beobachten ist, entgegengewirkt werden. Auf einfache Weise kann ein Nachchargieren mit einer über die Zeit variierenden Dotierstoff-Konzentration durch batchweise Vorgabe entsprechenden Rohmaterials im dritten Behälter erreicht werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird dem zweiten Behälter während des Erstarrens der Silizium-Schmelze im ersten Behälter phasenweise oder kontinuierlich stückiges Silizium aus dem dritten Behälter zugeführt. Die Zuführung des stückigen Siliziums aus dem dritten Behälter zum zweiten Behälter kann insbesondere gesteuert erfolgen. Über die Zuführung von stückigem Silizium zum zweiten Behälter kann die Nachchargierrate, insbesondere die maximal erreichbare Nachchargierrate, beeinflusst werden. Vorzugsweise das den zweiten Behälter zugeführte Silizium eine vorgegebene Konzentration eines oder mehrerer der oben genannten Dotierstoffe auf. Es kann insbesondere auch undotiert sein.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auch ein hierdurch hergestellter Silizium-Block verbessert. Dessen Vorteile ergeben sich aus den vorhergehend beschriebenen. Der Silizium-Block zeichnet sich insbesondere durch ein vorgebbares Dotierstoff-Profil bzw. damit verbunden durch ein vorgegebenes Widerstands-Profil über die Höhe des Blocks aus. Der Silizium-Block weist insbesondere die oben angegebenen Widerstandsbandbreiten über die Höhe des Silizium-Blocks auf.
Der Silizium-Block weist vorzugsweise eine Quasimono-Struktur auf. Hierunter sei verstanden, dass der Silizium-Block in mindestens 70% seines Volumens, insbesondere mindestens 80% seines Volumens, insbesondere mindestens 90% seines Volumens eine monokristalline Struktur aufweist. Der Silizium-Block weist allgemein insbesondere in mindestens 50% seines Volumens eine monokristalline Struktur auf.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Silizium-Blöcken gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch die Vorrichtung gemäß 1 im Bereich des Nachchargiertiegels,
3 eine Darstellung gemäß 1 gemäß einer beispielhaften Vorrichtung,
4 eine Darstellung gemäß 1 gemäß einer weiteren beispielhaften Vorrichtung,
5 eine Darstellung gemäß 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 eine Darstellung gemäß 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
7 eine Detailansicht des Nachchargiertiegels aus 1.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von Silizium-Blöcken beschrieben. Allgemeine Details der Vorrichtung 1, welche auch als Kristallisationsanlage zur Kristallisation einer Silizium-Schmelze 2 bezeichnet wird, sind beispielsweise aus der DE 10 2005 013 410 B4 und der DE 10 2011 002 599 A1 bekannt, die beide als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung vollständig in diese integriert sind.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Behälter in Form eines Schmelz- oder Kristallisationstiegels 3. Der Tiegel 3 dient insbesondere dem Schmelzen und Erstarren von Silizium. Er dient insbesondere zur Aufnahme der Silizium-Schmelze 2. Für Details des Tiegels 3, welcher auch als Kokille bezeichnet wird, sei auf die DE 10 2005 013 410 B4 und die DE 10 2011 002 599 A1 verwiesen.
Außerdem umfasst die Vorrichtung 1 einen zweiten Behälter in Form eines Tiegels 4. Der zweite Tiegel 4 dient ebenfalls der Aufnahme einer Silizium-Schmelze 5. Er dient insbesondere dem Aufschmelzen von stückigem Silizium 6. Das stückige Silizium 6 kann dem zweiten Tiegel 4 mittels einer Zuführ-Einrichtung 7 aus einem dritten Behälter 8 zugeführt werden. Beim dritten Behälter 8 handelt es sich insbesondere um einen Vorratsbehälter zur Aufnahme von Silizium-Rohmaterial. Bei der Zuführ-Einrichtung 7 kann es sich um ein Rohr handeln. Die Zuführ-Einrichtung 7 ist insbesondere aus Keramik oder Graphit.
Der erste Tiegel 3 und der zweite Tiegel 4 sind in einer gemeinsamen Kammer 9 angeordnet. Die Kammer 9 wird auch als Kristallisationskammer bezeichnet. Sie ist insbesondere thermisch isoliert. Sie ist vorzugsweise gasdicht ausgebildet. Sie kann insbesondere mit einer schematisch dargestellten Spülgas-Einrichtung 10 verbunden sein. Mittels der Spülgas-Einrichtung 10 ist die Kammer 9 mit einem Spülgas, insbesondere mit Argon, beaufschlagbar. Mittels der Spülgas-Einrichtung 10 kann allgemein die Atmosphäre in der Kammer 9 gesteuert werden. Die Kammer 9 ist insbesondere evakuierbar. Die Kammer 9 kann insbesondere als Stahlkessel ausgebildet sein. Sie kann insbesondere während des Prozesses mit Argon gefüllt werden.
Besonders vorteilhaft kann die Spülgas-Einrichtung 10 mit der Zuführ-Einrichtung 7 kombiniert werden. Das Spülgas kann insbesondere abweichend von den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen über dieselbe Zuführ-Einrichtung 7 der Kammer 9 zugeführt werden, wie das stückige Silizium 6.
Der dritte Behälter 8 ist insbesondere außerhalb der Kammer 9 angeordnet. Er ist insbesondere oberhalb der Kammer 9 angeordnet. Er kann insbesondere durch die Abwärme aus der Kammer 9 beheizbar sein. Dies kann die Entgasung des stückigen Siliziums 6 im Behälter 8 unterstützen. Prinzipiell kann der dritte Behälter 8 auch innerhalb der Kammer 9 angeordnet sein.
Der zweite Tiegel 4 weist einen Auslass auf, über welchen flüssiges Silizium 11 aus dem zweiten Tiegel 4 in den ersten Tiegel 3 ausfließen kann. Der Auslass kann insbesondere als Überlauf ausgebildet sein. Er ist insbesondere als Tülle 12 ausgebildet.
Der Auslass kann auch als Schlitz in einer Seitenwand des zweiten Tiegels 4 ausgebildet sein.
Im Bereich des Auslasses kann ein Filterelement zum Filtern von Feststoffen vorgesehen sein. Hierfür eignet sich insbesondere ein Keramikfilter mit einer porösen Struktur. Für Details sei insbesondere auf die US 13/561 456 verwiesen.
Der erste Tiegel 3 ist insbesondere unterhalb des zweiten Tiegels 4 angeordnet. Er ist insbesondere ortsfest relativ zum ersten Tiegel 3 angeordnet.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 eine Heiz-Einrichtung mit mehreren Heizelementen. Die Heizelemente sind insbesondere mittels einer schematisch dargestellten Steuereinrichtung 13 steuerbar. Sie sind insbesondere unabhängig voneinander steuerbar. Die Heizelemente umfassen vorzugsweise mehrere Seitenheizelemente 14. Auf die Seitenheizelemente 14 kann auch verzichtet werden. Sie umfassen außerdem mindestens ein Deckenheizelement 15. Sie können außerdem ein Bodenheizelement umfassen. Die Heizeinrichtung ist zum Aufschmelzen von stückigem Silizium sowohl im ersten Tiegel 3 als auch im zweiten Tiegel 4 geeignet. Sie kann eine Heizleistung von mehr als 10 kW aufweisen.
Außerdem umfasst die Heiz-Einrichtung ein Kühlelement in Form einer Wärmesenke 16. Die Wärmesenke 16 ist unterhalb des ersten Tiegels 3, insbesondere unterhalb einer Bodenwand 17 des ersten Tiegels 3, angeordnet. Sie weist insbesondere eine aktive Kühlung mit einer Steuereinrichtung 18 auf.
Die Heizeinrichtung und die Wärmesenke 16 sind insbesondere derart steuerbar, dass die Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 gerichtet erstarrt werden kann. Hierbei ist insbesondere die Form einer Phasengrenze 24 zwischen bereits erstarrtem Silizium 25 und der flüssigen Silizium-Schmelze 2 flexibel steuerbar. Die Form der Phasengrenze 24 hängt hierbei unter anderem von der geometrischen Form und Ansteuerung der Seitenheizelemente 14 sowie der übrigen Heizelemente der Heiz-Einrichtung ab. Die Form der Phasengrenze 24 hängt insbesondere auch von der mittels der Heiz-Einrichtung steuerbaren Schmelzströmung im Tiegel 3 ab. Die Form der Phasengrenze 24 ist insbesondere derart steuerbar, dass sie eben oder, wie in der 1 exemplarisch dargestellt ist, konvex ausgebildet ist. Die Form der Phasengrenze 24 ist insbesondere derart steuerbar, dass sie achsensymmetrisch zur Mittellängsachse 23 ist.
Außerdem umfasst die Heiz-Einrichtung mehrere, insbesondere vier, Seitenheizelemente 19 zur Beheizung des zweiten Tiegels 4. Die Seitenheizelemente 19 sind insbesondere umfangsseitig zum zweiten Tiegel 4 angeordnet. Ihre Abmessungen sind an die der Seitenwände 20 des zweiten Tiegels 4 angepasst. Sie sind insbesondere unabhängig von den Heizelementen 14, 15 steuerbar. Anstelle mehrer Seitenheizelemente 19 kann auch ein umlaufendes Seitenheizelement zur Beheizung des zweiten Tiegels 4 vorgesehen sein.
Die Seitenheizelemente 19 zur Beheizung des zweiten Tiegels 4 können eine Heizleistung von mehr als 10 kW aufweisen. Die Heizleistung der Seitenheizelemente 19 ist insbesondere steuerbar. Sie ist insbesondere derart steuerbar, dass stückiges Silizium 6 im zweiten Tiegel 4 aufschmelzbar ist, während die Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 erstarrt wird.
Der zweite Tiegel 4 kann mittels einer Befestigungs-Einrichtung 21 in der Kammer 9 befestigt sein. Die Befestigungs-Einrichtung 21 ist insbesondere aus Graphit.
Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist der zweite Tiegel 4 im Bereich zwischen dem Deckenheizelement 15 und dem ersten Tiegel 3 angeordnet. Das Deckenheizelement 15 bildet somit einen Deckenheizer für sowohl den ersten Tiegel 3 als auch den zweiten Tiegel 4. Das Deckenheizelement 15 weist einen Durchlass 27 auf. Bei der Ausführungsform gemäß 1 dient der Durchlass 27 der Durchführung der Zuführ-Einrichtung vom dritten Behälter 8 zum zweiten Tiegel 4. Durch eine Anordnung des zweiten Tiegels 4 unterhalb der Deckenheizelemente 15 kann sichergestellt werden, dass das Silizium im zweiten Tiegel 4 zum Ende des Kristallisationsprozesses ebenfalls gerichtet von unten nach oben erstarrt. Hierdurch kann verhindert werden, dass der zweite Tiegel 4 aufgrund einer Ausdehnung des darin verbleibenden Siliziums beschädigt wird. Der Tiegel 4 ist insbesondere mehrfach verwendbar.
Wie in der 2 schematisch dargestellt ist, kann das Deckenheizelement 15 mäanderförmig ausgebildet sein. In dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Deckenheizelement 15 oberhalb des zweiten Tiegels 4 angeordnet. Es umfasst mehrere geradlinig verlaufende Schenkel 22, 22*. Die Schenkel 22 weisen jeweils eine identische Breite b auf. Der Schenkel 22* weist eine Breite b* auf. Die Breite b* ist geringer als die Breite b. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel gilt: b : b* = 2. Allgemein gilt: 0,5 ≤ b : b* ≤ 5. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Breite b der Schenkel 22 gerade einer Breite b_T des Tiegels 4. Der Tiegel 4 kann jedoch auch eine andere Breite b_T als die Schenkel 22 aufweisen.
Durch die geringere Breite b* des Schenkels 22* im Bereich oberhalb des zweiten Tiegels 4 kann erreicht werden, dass das oder die Deckenheizelemente 15 im Bereich oberhalb des zweiten Tiegels 4 mehr Leistung pro Fläche abgibt als in den anderen Bereichen. Hierdurch kann das Aufschmelzen des stückigen Siliziums 6 im zweiten Tiegel 4 sichergestellt werden.
Allgemein kann das Deckenheizelement 15 auch stabartige und/oder ringartige bzw. ringförmige Heizabschnitte aufweisen.
Wie in den Fig. exemplarisch dargestellt ist, weist der zweite Tiegel 4 ein Volumen V₂ auf, welches kleiner ist als das Volumen V₁ des ersten Tiegels 3. Es gilt: V₂ : V₁ < 1, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,5, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,1, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,05, insbesondere V₂ : V₁ ≤ 0,01, insbesondere V₂: V₁ ≤ 0,005.
Außerdem weist der zweite Tiegel 4 eine Querschnittsfläche A₂ auf, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche A₁ des ersten Tiegels 3. Es gilt: A₂ < A₁, insbesondere A₂ : A₁ ≤ 0,5, insbesondere A₂ : A₁ ≤ 0,25, insbesondere A₂ : A₁ ≤ 0,2.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Tiegel 3 Symmetrieeigenschaften auf. Er ist insbesondere spiegelsymmetrisch zu einer Mittellängsebene. Er ist insbesondere achsensymmetrisch zu einer Mittellängsachse 23. Er weist insbesondere eine vierzählige Symmetrie auf. In einer vorteilhaften, in den Fig. nicht dargestellten, Ausführungsform ist der zweite Tiegel 4 derart ausgebildet und angeordnet, dass die Kombination aus dem ersten Tiegel 3 und dem zweiten Tiegel 4 abgesehen von dem Auslass des zweiten Tiegels 4 dieselben Symmetrieeigenschaften wie der erste Tiegel 3 aufweist.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Anlage aus Tiegel 3 und Heiz-Einrichtung asymmetrisch auszubilden. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Anordnung der Seitenheizelemente 14 und/oder deren Anschlüsse erreicht werden. In diesem Fall kann vorgesehen sein, diese Asymmetrie durch eine geeignete Ausbildung und/oder Anordnung des zweiten Tiegels 4 zumindest teilweise, insbesondere möglichst vollständig zu kompensieren, sodass sich im Tiegel 3 ein Temperaturfeld einstellt, welches achsensymmetrisch zur Mittellängsachse 23 ist.
Wie in der 1 exemplarisch dargestellt ist, sind am Boden des ersten Tiegels 3 ein oder mehrere Keimplatten 26 angeordnet. Die Keimplatten 26 weisen insbesondere eine bestimmte axiale Kristallorientierung auf. Sie können insbesondere auch eine bestimmte laterale Kristallorientierung aufweisen. Die Keimplatten 26 sind insbesondere aus monokristallinem Silizium. Die Keimplatten 26 haben insbesondere eine axiale < 110>- oder < 100>-Orientierung. Es ist auch möglich, Keimplatten 26 mit einer multikristallinen Struktur zu verwenden. Alternativ kann auch auf die Keimplatten 26 verzichtet werden.
Außerdem kann eine Abdeckplatte 28 zur Abdeckung des ersten Tiegels 3 vorgesehen sein. Die Abdeckplatte 28 ist insbesondere auf dem oberen Tiegelrand des ersten Tiegels 3 angeordnet. Sie kann auf dem ersten Tiegel 3 aufliegen. Die Abdeckplatte 28 ist insbesondere aus Graphit. Sie weist eine Durchlassöffnung 29 auf, durch welche flüssiges Silizium vom zweiten Tiegel 4 in den ersten Tiegel 3 überführt werden kann. Die Abdeckplatte 28 kann das Temperaturfeld im ersten Tiegel 3 positiv beeinflussen. Sie kann insbesondere zu einem homogeneren Temperaturfeld im ersten Tiegel 3 führen. Die Durchlassöffnung 29 ist vorzugsweise relativ klein. Sie weist eine Fläche auf, welche insbesondere weniger als 10%, insbesondere weniger als 5%, insbesondere weniger als 1 %, insbesondere weniger als 0,1 % der Querschnittsfläche A₁ des ersten Tiegels 3 ausmacht. Es können auch mehrere Durchlassöffnungen 29 in der Abdeckplatte 28 vorgesehen sein. Diese können insbesondere derart angeordnet sein, dass die Symmetrieeigenschaften des ersten Tiegels 3 erhalten bleiben. Sie können insbesondere symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, zur Mittellängsachse 23 angeordnet sein.
Die Abdeckplatte 28, insbesondere die Durchlassöffnungen 29 sind insbesondere derart ausgebildet und angeordnet, dass das Temperaturfeld im ersten Tiegel 3 symmetrisch zur Mittellängsachse 23 ist. Das Temperaturfeld weist insbesondere eine mindestens vierzählige Symmetrie auf.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung der Silizium-Blöcke beschrieben. Zunächst wird die Vorrichtung 1 bereitgestellt. Sodann werden die Keimplatten 26 am Boden 17 des Tiegels 3 angeordnet. Außerdem wird der Tiegel 3 mit stückigem Silizium befüllt. Anschließend wird das stückige Silizium zum Bereitstellen der Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 aufgeschmolzen. Der Rohstoff im ersten Tiegel wird insbesondere derart aufgeschmolzen, dass die Keimplatten 26 nur teilweise, d. h. nicht vollständig, aufgeschmolzen werden.
Alternativ hierzu ist es möglich, stückiges Silizium in einem externen Schmelztiegel aufzuschmelzen und bereits in flüssiger Form in den ersten Tiegel 3 einzufüllen.
Die Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 wird anschließend gerichtet erstarrt. Dies kann durch eine geeignete Steuerung der Heiz-Einrichtung und der Wärmesenke 16 erreicht werden. Für Details sei auf die DE 10 2005 013 410 B4 und die DE 10 2011 002 599 A1 verwiesen.
Außerdem wird im zweiten Tiegel 4 eine Silizium-Schmelze 2 bereitgestellt. Hierzu wird der zweite Tiegel 4 mit stückigem Silizium 6 aus dem dritten Behälter 8 befüllt. Das stückige Silizium 6 wird im zweiten Tiegel 4 mit Hilfe der Seitenheizelemente 19 bzw. der Heiz-Einrichtung aufgeschmolzen. Als Dotierstoff kann Phosphor in Form von hochdotiertem Silizium dazugegeben werden. Unter hochdotiertem Silizium sei Silizium mit einer Konzentration von 10¹⁵ bis 10²¹ Atomen Dotierstoff pro cm³ verstanden. Der Dotierstoff kann auch in Form einer phosphorhaltigen Verbindung dem stückigen Silizium 6 beigemischt werden.
Das flüssige Silizium wird aus dem zweiten Tiegel 4 in den ersten Tiegel 3 überführt. Dies kann während des Aufschmelzens des Siliziums im ersten Tiegel 3 geschehen. Es kann auch erst nach dem Aufschmelzen des Siliziums im ersten Tiegel 3 geschehen. Es kann insbesondere auch während des gerichteten Erstarrens der Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 geschehen.
Das Überführen von flüssigem Silizium aus dem zweiten Tiegel 4 in den ersten Tiegel 3 wird auch als Nachchargieren des ersten Tiegels 3 bezeichnet. Das Nachchargieren erfolgt insbesondere kontinuierlich, d. h. mit einer vorgegebenen Nachchargierrate. Es erfolgt insbesondere während eines oder mehrerer Zeitabschnitte, d. h. Zeitintervalle, kontinuierlich. Die Zeitabschnitte des kontinuierlichen Nachchargierens liegen insbesondere im Bereich von 1 min bis 30 h. Sie betragen insbesondere mindestens 10 min, insbesondere mindestens 30 min, insbesondere mindestens 1 h.
Allgemein ist vorgesehen, während des Erstarrens der Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 zumindest phasenweise stückiges Silizium 6 aus dem dritten Behälter 8 dem zweiten Tiegel 4 zuzuführen.
Die Nachchargierrate liegt im Bereich von 0,1 kg/h bis 10 kg/h, insbesondere im Bereich von 0,3 kg/h bis 3 kg/h. Eine niedrige Nachchargierrate ist vorteilhaft, um sicherzustellen, dass die Kristallisation der Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 durch das Nachchargieren nicht negativ beeinträchtigt wird. Es kann insbesondere sichergestellt werden, dass der Volumenstrahl des nachchargierten Siliziums sich mit der flüssigen Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 vermischt und insbesondere nicht bis zur Phasengrenze 24 gelangt. Hierzu kann vorgesehen sein, die Nachchargierrate gegen Ende des Kristallisationsprozesses geeignet zu verringern.
Das Nachchargieren kann während eines oder mehrerer Zeitabschnitte während des gesamten Kristallisationsvorgangs erfolgen. Insgesamt kann ein Volumen V_n aus dem zweiten Tiegel 4 in den ersten Tiegel 3 nachchargiert werden, welches im Bereich von 5% bis 100% des Volumens V₁ des ersten Tiegels 3 liegt. Es gilt insbesondere: V_n : V₁ ≥ 0,05, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,01, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,2, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,3. Es kann gelten: V_n : V₁ ≥ 0,5, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,7, insbesondere V_n : V₁ ≥ 0,9.
In absoluten Zahlen liegt die Menge des nachchargierten Siliziums insbesondere im Bereich von 0,1 kg bis 1000 kg, insbesondere im Bereich von im Bereich von 0,3 kg/h bis 3 kg/h.
Das nachchargierte Silizium weist eine vorbestimmte Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe auf. Es kann insbesondere undotiert sein. Das nachchargierte Silizium kann insbesondere nominell undotiert sein. Es weist insbesondere eine Dotierstoffkonzentration von weniger als 2 · 10¹³ Atome pro cm³ auf.
Es kann auch einen oder mehrere Dotierstoffe ausgewählt aus folgender Liste aufweisen: Bor, Aluminium, Gallium, Indium, Phosphor, Arsen und Antimon. Vorzugsweise enthält das stückige Silizium 6 bzw. die im zweiten Tiegel 4 angeordnete Silizium-Schmelze 2, welche zum Nachchargieren des ersten Tiegels 3 verwendet wird, nur einen einzigen Dotierstoff.
Durch Nachchargieren von Silizium mit einer vorbestimmten Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe kann die Dotierstoffkonzentration im kristallisierenden Silizium-Ingot beeinflusst werden. Sie kann insbesondere derart gesteuert werden, dass eine Veränderung der Dotierstoffkonzentration in der Silizium-Schmelze im ersten Tiegel 3, welche aufgrund von Segregationseffekten bei der Kristallisation der Silizium-Schmelze 2 auftreten kann, kompensiert wird. Es ist insbesondere möglich, durch gezieltes Nachchargieren von Silizium mit einer bestimmten Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe bzw. durch Nachchargieren von undotiertem Silizium zu erreichen, dass der im ersten Tiegel 3 kristallisierende Silizium-Block eine homogene Dotierstoffkonzentration und somit ein homogenes Widerstandsprofil aufweist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, die Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 mit Hilfe eines Magnetfeldes, insbesondere mit Hilfe eines durch die Seitenheizelemente 14 erzeugbaren und steuerbaren Magnetfeldes, zu durchmischen.
Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Silizium-Block weist insbesondere ein Widerstandsprofil auf, welches über die gesamte Ausdehnung des Silizium-Blocks in Kristallisationsrichtung im Wesentlichen konstant ist. Die Widerstandsbreite liegt insbesondere über mindestens 50% der Höhe des Silizium-Blocks, insbesondere über mindestens 60%, insbesondere über mindestens 70%, insbesondere über mindestens 80% der Höhe des Silizium-Blocks bei weniger als 30%, insbesondere weniger als 20%, insbesondere weniger als 10% von einem mittleren spezifischen Widerstand. Unter der Widerstandsbreite sei hierbei der maximale Unterschied im spezifischen Widerstand zwischen zwei Bereichen im betrachteten Volumen verstanden. Die Widerstandsbreite gibt mit anderen Worten die Differenz aus dem höchsten gemessenen Widerstand und dem kleinsten gemessenen Widerstand im betrachteten Volumen an. Der mittlere spezifische Widerstand des Silizium-Blocks in diesem homogenen Bereich liegt insbesondere im Bereich von 1,2 Ω · cm bis 1,6 Ω · cm, insbesondere im Bereich von 1,3 Ω · cm bis 1,5 Ω · cm, insbesondere im Bereich von 1,3 Ω · cm bis 1,4 Ω · cm.
Bei den Silizium-Blöcken kann es sich insbesondere um n-Typ-Silizium-Blöcke handeln. Der Silizium-Block ist insbesondere mit Phosphor dotiert und somit vom Leitungstyp her n-leitend. Alternativ oder zusätzlich zu einer Phosphordotierung kann er auch eine Dotierung oder Gegendotierung mit einem oder mehreren der vorhergehend genannten Dotierstoffe aufweisen.
Besonders vorteilhaft kann es sein, die Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe des nachchargierten Siliziums im Verlauf des KristallisationsProzesses zu variieren. Das nachchargierte Silizium kann mit anderen Worten eine sich im zeitlichen Verlauf ändernde Dotierstoffkonzentration aufweisen.
Im Falle eines phasenweisen, d. h. batchweisen, Nachchargierens kann dies auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass Rohmaterial mit einer unterschiedlichen Dotierstoffkonzentration batchweise aus dem dritten Behälter 8 in den zweiten Tiegel 4 überführt wird.
Im Folgenden werden weitere Details und Eigenschaften der Vorrichtung 1 beschrieben. Mit Hilfe des zweiten Tiegels 4 sowie insbesondere der diesem zugeordneten Heiz-Einrichtung, insbesondere den Seitenheizelementen 19, kann auf einfache Weise flüssiges Silizium in den ersten Tiegel 3 nachchargiert werden. Das flüssige Silizium kann insbesondere kontinuierlich nachchargiert werden. Es kann mit einer flexibel steuerbaren Nachchargierrate nachchargiert werden. Durch das Nachchargieren von flüssigem Silizium wird eine lokale Abkühlung der Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 durch relativ kaltes Rohmaterial verhindert. Hierdurch wird die Kristallstruktur des Silizium-Blocks verbessert.
Aufgrund der flexiblen Nachchargiermöglichkeit sowie insbesondere aufgrund der einfachen Steuerbarkeit der Eigenschaften des im zweiten Tiegel 4 aufzuschmelzenden Rohmaterials 5 lässt sich die Dotierstoffkonzentration und damit die Widerstandsverteilung des kristallisierenden Silizium-Blocks flexibel und präzise steuern. Es lassen sich somit insbesondere Silizium-Blöcke mit einer sehr engen Widerstandsverteilung über den größten Teil ihrer Höhe herstellen.
Das flüssige Silizium kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten und/oder Kristallisationsprozesses nachchargiert werden.
Zum Nachchargieren werden jeweils relativ kleine Mengen an stückigem Silizium 6 im zweiten Tiegel 4 aufgeschmolzen. Dies verbessert die Steuerbarkeit des Verfahrens.
Bei einer exemplarischen Durchführung des Verfahrens wurden 400 kg Silizium im ersten Tiegel 3 aufgeschmolzen und über eine Dauer von 30 h kristallisiert. Hierbei wurden im Zeitintervall zwischen 10 h ab Kristallisationsbeginn bis 25 h ab Kristallisationsbeginn, d. h. über eine Dauer von 15 h, 200 kg Silizium nachchargiert. Die mittlere Nachchargierrate betrug somit 13,3 kg/h.
In 7 ist eine Ausschnittsvergrößerung einer vorteilhaften Ausführungsform des zweiten Tiegels 4 dargestellt. Wie in 7 exemplarisch dargestellt ist, umfasst der Tiegel 4 zwei miteinander verbundene Kammern 31, 32. Die Kammern 31, 32 sind durch eine Trennwand 33 voneinander getrennt. Zwischen der Trennwand 33 und dem Boden 34 des Tiegels 4 verbleibt hierbei eine Durchflussöffnung 35. Die Durchflussöffnung 35 bildet eine Strömungsverbindung zwischen den Kammern 31, 32.
Die Trennwand 33 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass ihre untere Begrenzungskante 36 insbesondere unterhalb einer unteren Begrenzungskante des Auslasses, insbesondere der Tülle 12, angeordnet. Die Trennwand 33 dient somit insbesondere als Rückhalteelement für auf der Silizium-Schmelze 2 im Tiegel 4 aufschwimmende Feststoffe, insbesondere für auf der Silizium-Schmelze 2 aufschwimmendes stückiges Silizium 6.
Der Auslass des zweiten Tiegels 4 ist oberhalb seines Bodens 34 angeordnet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass beim Nachchargieren stets eine Mindestmenge an Silizium-Schmelze 2 im zweiten Tiegel 4 verbleibt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das stückige Silizium 6 aus dem dritten Behälter 8 nicht in einen leeren Tiegel 4 fällt, sondern direkt in flüssiges Silizium. Hierdurch kann die Erwärmung des stückigen Siliziums 6 verbessert werden.
Der zweite Tiegel 4 kann aus Siliziumnitrid (Si₃N₄), Siliziumdioxid (SiO₂) oder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff sein.
Der Massefluss an flüssigem Silizium, das nachchargiert wird, kann über die Zugabe des stückigen Siliziums 6 aus dem dritten Behälter 8 in den zweiten Tiegel 4 gesteuert werden. Dies kann außerhalb der Kammer 9 gesteuert werden.
Die Heizleistung der dem zweiten Tiegel 4 zugeordneten Heizelemente kann über eine Regel-Einrichtung geregelt werden. Hierfür kann ein in den Fig. nicht dargestelltes Thermoelement im Bereich des Deckenheizers vorgesehen sein. Die Leistung kann insbesondere derart geregelt werden, dass im Bereich des zweiten Tiegels 4 eine vorgegebene Solltemperatur erreicht wird. Sofern während des Kristallisationsprozesses der Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 phasenweise kein flüssiges Silizium nachchargiert wird, kann die Heizleistung der dem zweiten Tiegel 4 zugeordneten Heizelemente reduziert werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 3 eine beispielhafte Vorrichtung 1 beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Bei der beispielhaften Vorrichtung gemäß 3 ist der zweite Tiegel 4 oberhalb des Deckenheizelements 15 angeordnet.
Dies kann zum einen den Wärmeeintrag vom Deckenheizelement 15 in dem zweiten Tiegel 4 verbessern. Außerdem kann durch diese Anordnung die Homogenität des Temperaturfeldes im ersten Tiegel 3 verbessert werden. Durch die Anordnung des Deckenheizelements 15 zwischen dem ersten Tiegel 3 und dem zweiten Tiegel 4 lässt sich insbesondere sicherstellen, dass der zweite Tiegel 4 das Temperaturfeld im ersten Tiegel 3 nicht negativ, insbesondere überhaupt nicht beeinflusst. Bei dieser Ausführungsform können sämtliche Schenkel 22 des Deckenheizelements 15 dieselbe Breite b aufweisen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4 eine weitere beispielhafte Vorrichtung 1 beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei der beispielhaften Vorrichtung gemäß 3, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird.
Zusätzlich zur beispielhaften Vorrichtung gemäß 3 ist bei der beispielhaften Vorrichtung gemäß 4 ein zusätzliches Deckenheizelement 37 oberhalb des zweiten Tiegels 4 angeordnet. Hierdurch kann der Wärmeeintrag in dem zweiten Tiegel 4 weiter verbessert werden. Es ist insbesondere möglich, den Wärmeeintrag in dem zweiten Tiegel 4 mit Hilfe des Deckenheizelements 37 gezielter zu steuern. Beim Deckenheizelement 37 kann es sich um ein Widerstandsheizelement handeln. Das Deckenheizelement 37 kann auch als Elektronenstrahl oder als Laserquelle ausgebildet sein oder derartige Elemente umfassen. In diesem Fall kann der zweite Tiegel 4 besonders klein gestaltet werden. Er kann insbesondere ein Volumen von lediglich 0,5 1 bis 2 1 aufweisen. Ein Elektronenstrahl oder eine Laserquelle ermöglicht einen besonders hohen Energieeintrag und eine besonders präzise und flexible Steuerung des Aufschmelzens des stückigen Siliziums 6 im zweiten Tiegel 4.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist ein zusätzliches Bodenheizelement 38 unterhalb des zweiten Tiegels 4 angeordnet. Das Bodenheizelement 38 ist somit insbesondere im Bereich zwischen dem ersten Tiegel und dem zweiten Tiegel angeordnet. Hierdurch lässt sich zum einen der Wärmeeintrag in dem zweiten Tiegel 4 verbessern. Außerdem lässt sich mit Hilfe des Bodenheizelements 38, welches gleichzeitig ein Deckenheizelement für den ersten Tiegel 3 bilden kann, eine durch den zweiten Tiegel 4 verursachte Beeinflussung des Temperaturfeldes im ersten Tiegel 3 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, kompensieren.
Wie in 5 exemplarisch dargestellt ist, kann auf die Abdeckplatte 28 auf dem ersten Tiegel 3 verzichtet werden. Dies ist auch bei den übrigen Ausführungsbeispielen möglich. Ebenso kann auch beim Ausführungsbeispiel gemäß 5 eine Abdeckplatte 28 vorgesehen sein.
Außerdem ist in 5 exemplarisch die Anordnung eines als Auftropfplatte 39 ausgebildeten Abbrems-Elements schematisch dargestellt. Die Auftropfplatte 39 kann am zweiten Tiegel 4 angeordnet sein. Sie kann auch an der Kammer 9 angeordnet sein. Zur Anordnung der Auftropfplatte 39 ist insbesondere eine Halteeinrichtung aus Graphit vorgesehen. Die Auftropfplatte 39 kann auch höhenverstellbar angeordnet sein. Mittels der Auftropfplatte 39 kann das flüssige Silizium aus dem zweiten Tiegel 4 vor dem Eintritt in die Silizium-Schmelze 2 im ersten Tiegel 3 abgebremst werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 6 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Wie in der 6 exemplarisch dargestellt ist, kann auf die Seitenheizelemente 19 im Bereich des zweiten Tiegels 4 verzichtet werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 stellt eine konstruktiv besonders einfache Lösung dar. Eine derartige Lösung ist insbesondere durch Nachrüsten des zweiten Tiegels 4 und des Vorratsbehälters 8 mit der Zuführ-Einrichtung 7 zu bestehenden Kristallisationsanlagen möglich.
Prinzipiell kann die Vorrichtung 1 auch zwei oder mehr zweite Tiegel 4 und/oder zwei oder mehr erste Tiegel 3 umfassen. Sämtliche dieser Tiegel können in derselben Kammer 9 angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Silizium-Schmelze
3: erster Tiegel
4: zweiter Tiegel
5: Silizum-Schmelze / Rohmaterial
6: stückiges Silizium
7: Zuführ-Einrichtung
8: dritter Behälter
9: Kammer
10: Spülgas-Einrichtung
11: flüssiges Silizium
12: Tülle
13: Steuereinrichtung
14: Seitenheizelemente
15: Deckenheizelement
16: Wärmesenke
17: Bodenwand
18: Steuereinrichtung
19: Seitenheizelement
20: Seitenwand
21: Befestigungs-Einrichtung
22, 22*: Schenkel
23: Mittellängsachse
24: Phasengrenze
25: erstarrtes Silizium
26: Keimplatten
27: Durchlass
28: Abdeckplatte
29: Durchlassöffnung
A1: Querschnittsfläche des ersten Behälters / Tiegels
A2: Querschnittsfläche des zweiten Behälters / Tiegels
V1: Volumen des ersten Behälters / Tiegels
V2: Volumen des zweiten Behälters / Tiegels
Vn: Volumen des flüssigen Siliziums

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung von Silizium-Blöcken umfassend a. mindestens einen ersten Behälter (3) zur Aufnahme einer Halbleiter-Schmelze, b. mindestens einen zweiten Behälter (4) zur Aufnahme einer Halbleiter-Schmelze, c. wobei der mindestens eine zweite Behälter (4) einen Auslass (12) aufweist, über welchen flüssiges Silizium aus dem mindestens einen zweiten Behälter (4) in den mindestens einen ersten Behälter (3) ausfließen kann, d. wobei als erster Behälter (3) ein Kristallisationstiegel dient, und e. wobei die Behälter (3, 4) in einer gemeinsamen Kammer (9) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, f. dass der zweite Behälter (4) oberhalb des ersten Behälters (3) angeordnet ist, und g. dass die Vorrichtung (1) eine Heiz-Einrichtung (15) zum Aufschmelzen von Silizium (6) sowohl im ersten Behälter (3) als auch im zweiten Behälter (4) umfasst, i. wobei die Heiz-Einrichtung (15) einen Deckenheizer (15) des ersten Behälters (3) umfasst, ii. wobei der Deckenheizer (15) oberhalb des ersten Behälters (3) und des zweiten Behälters (4) angeordnet ist, und h. dass der zweite Behälter (4) ein Volumen (V₂) aufweist, welches kleiner ist als ein Volumen (V₁) des ersten Behälters (3), wobei gilt: V₂: V₁ ≤ 0,1.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Behälter (4) ein Volumen V₂ aufweist, welches im Bereich von 0,5 1 bis 20 1 liegt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Behälter (4) eine Querschnittsfläche A₂ aufweist, welcher kleiner ist als eine Querschnittsfläche A₁ des ersten Behälters (3), wobei gilt: A₂ : A₁ ≤ 0,5.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Behälter (8) zur Aufnahme von stückigem Silizium (6), welcher über eine Zuführ-Einrichtung (7) mit dem zweiten Behälter (4) verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung von Silizium-Blöcken umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, b. Bereitstellen einer Silizium-Schmelze (2) im ersten Behälter (3), c. Bereitstellen einer Silizium-Schmelze (2) im zweiten Behälter (4), d. gerichtetes Erstarren der Silizium-Schmelze (2) im ersten Behälter (3), e. Überführen von flüssigem Silizium aus dem zweiten Behälter (4) in den ersten Behälter (3), f. dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Silizium während des gerichteten Erstarrens der Silizium-Schmelze (2) im ersten Behälter (3) aus dem zweiten Behälter (4) in den ersten Behälter (3) überführt wird, und g. dass das Überführen von flüssigem Silizium aus dem zweiten Behälter (4) in den ersten Behälter (3) mit einer Rate im Bereich von 0,1 kg/h bis 10 kg/h erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Überführen von flüssigem Silizium aus dem zweiten Behälter (4) in den ersten Behälter (3) während eines oder mehrerer Zeitabschnitte kontinuierlich erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Überführen von flüssigem Silizium aus dem zweiten Behälter (4) in den ersten Behälter (3) chargenweise kontinuierlich erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Behälter (3) ein Volumen (V₁) aufweist und das insgesamt aus dem zweiten Behälter (4) in den ersten Behälter (3) überführte flüssige Silizium ein Volumen (V_n) aufweist, wobei gilt: 0,05 V₁ ≤ V_n.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium im zweiten Behälter (4) eine vorbestimmte Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Behälter (4) während des Erstarrens der Silizium-Schmelze (2) im ersten Behälter (3) zumindest phasenweise stückiges Silizium (6) aus einem dritten Behälter (8) zugeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das dem zweiten Behälter zugeführte Silizium (6) eine vorgegebene Konzentration eines oder mehrerer Dotierstoffe aufweist.