DE102015215858A1

DE102015215858A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Granulat aus Silizium, Granulat aus Silizium und Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium

Info

Publication number: DE102015215858A1
Application number: DE102015215858.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Brenninger
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: US20180194633A1; KR102069984B1; TWI609999B; CN107922196A; WO2017029010A1; KR20180041723A; TW201708636A; JP2018523625A; DE102015215858B4; JP6608041B2; EP3337758A1

Abstract

Verfahren zur Wärmebehandlung von Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, in dessen Verlauf wärmebehandeltes Granulat aus Silizium verwendet wird und wärmebehandeltes Granulat aus Silizium. Das Verfahren zur Wärmebehandlung von Granulat aus Silizium umfasst:
das Leiten eines Prozessgases entlang einer Fließrichtung durch eine Plasmakammer;
das Erzeugen einer Plasmazone in der Plasmakammer;
das Aufrechterhalten der Plasmazone durch Zuführen von Mikrowellenstrahlung in die Plasmakammer;
das Vorerhitzen des Granulats aus Silizium durch das Prozessgas auf eine Temperatur von nicht weniger als 900 °C;
den Transport des vorerhitzten Granulats aus Silizium durch die Plasmakammer und die Plasmazone entgegen der Fließrichtung des Prozessgases, wobei ein äußerer Bereich der Körner vorübergehend geschmolzen wird; und
das Sammeln des plasmabehandelten Granulats aus Silizium.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, in dessen Verlauf wärmebehandeltes Granulat aus Silizium verwendet wird und wärmebehandeltes Granulat aus Silizium.
Granulat aus Silizium wird üblicherweise durch Abscheiden von Silizium in einer Wirbelschicht erzeugt. Die WO 2014/191274 ist eine von vielen Quellen, die das Herstellungsverfahren thematisieren. Gemäß dieser Quelle kann das erzeugte Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, direkt als Rohmaterial zur Herstellung eines Einkristalls verwendet werden.
In der US 2005/0135986 A1 wird ein Herstellungsverfahren für Granulat aus Silizium vorgeschlagen, bei dem vergleichsweise wenig Feinstaub anfällt und welches Granulat aus Silizium erzeugt, dessen polykristalline Körner jeweils eine Oberfläche aufweisen, die vergleichsweise glatt ist. Die geringe Neigung zur Staubbildung ist eine Eigenschaft, die besonders wichtig wird, wenn beabsichtigt ist, das Granulat aus Silizium zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium zu verwenden. Bleiben Partikel nach dem Schmelzen des Granulats zurück und gelangen sie zur Grenzfläche, an der der Einkristall wächst, können die Partikel die Bildung von Versetzungen hervorrufen. In der Regel muss daraufhin der Kristallisationsprozess abgebrochen werden.
Die US 2013/0295385 A1 offenbart ein Herstellungsverfahren für Granulat aus Silizium, das auch zur Herstellung von Einkristallen aus Silizium nach dem GFZ-Verfahren verwendet werden kann. Das GFZ-Verfahren ist eine Abwandlung des FZ-Verfahrens (Float Zone crystal growth), bei dem der Einkristall an der Grenzfläche einer Schmelzenzone wächst, die durch fortgesetztes Schmelzen eines polykristallinen Vorratstabs mittels einer Induktionsheizspule und Absenken des wachsenden Einkristalls aufrechterhalten wird. Beim GFZ-Verfahren tritt Granulat aus Silizium an die Stelle des Vorratstabes. In der US 2011/0185963 A1 ist ein GFZ-Verfahren beschrieben, bei dem eine Induktionsheizspule extra zum Schmelzen des Granulats eingesetzt wird.
Es hat sich herausgestellt, dass weiterhin Bedarf besteht, die Eigenschaften von Granulat aus Silizium zu verbessern. Insbesondere besteht Bedarf, Granulat aus Silizium derart zu modifizieren, dass dessen Neigung abnimmt, in geschmolzenem Zustand Partikel und Gaseinschlüsse in der Schmelze zu hinterlassen. Davon abgeleitet ist der Bedarf an einem modifizierten GFZ-Verfahren, das geringe Versetzungsraten aufweist und mit dem Einkristalle aus Silizium hergestellt werden können, die möglichst frei von Gaseinschlüssen sind.
Gelöst wird die sich daraus ergebende Aufgabe durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, umfassend
das Leiten eines Prozessgases entlang einer Fließrichtung durch eine Plasmakammer;
das Erzeugen einer Plasmazone in der Plasmakammer;
das Aufrechterhalten der Plasmazone durch Zuführen von Mikrowellenstrahlung in die Plasmakammer;
das Vorerhitzen des Granulats aus Silizium durch das Prozessgas auf eine Temperatur von nicht weniger als 900 °C;
den Transport des vorerhitzten Granulats aus Silizium durch die Plasmakammer und die Plasmazone entgegen der Fließrichtung des Prozessgases, wobei ein äußerer Bereich der Körner vorübergehend geschmolzen wird; und
das Sammeln des plasmabehandelten Granulats aus Silizium.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, umfassend
das Bilden einer Schmelzenzone mit einer Grenzfläche, an der ein Einkristall aus Silizium wächst;
das Leiten eines Prozessgases entlang einer Fließrichtung durch eine Plasmakammer;
das Erzeugen einer Plasmazone in der Plasmakammer;
das Aufrechterhalten der Plasmazone durch Zuführen von Mikrowellenstrahlung in die Plasmakammer;
das Vorerhitzen von Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, durch das Prozessgas auf eine Temperatur von nicht weniger als 900 °C;
den Transport des vorerhitzten Granulats aus Silizium durch die Plasmakammer und die Plasmazone entgegen der Fließrichtung des Prozessgases, wobei ein äußerer Bereich der Körner vorübergehend geschmolzen wird;
das induktive Schmelzen des plasmabehandelten Granulats aus Silizium; und
das Zuführen des geschmolzenen Granulats zur Schmelzenzone.
Die Aufgabe wird schließlich gelöst durch Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, die jeweils umfassen: eine Oberfläche, einen Randbereich und einen Kernbereich, wobei die Kristall-Dichte im Randbereich geringer ist, als die Kristall-Dichte im Kernbereich.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Maßnahmen nicht ausreichen, die sich darauf beschränken, die Eigenschaften von Granulat aus Silizium durch Optimieren von dessen Herstellung durch Abscheiden von Silizium in einer Wirbelschicht zu verbessern.
Anknüpfend an diese Erkenntnis wird vorgeschlagen, das Granulat aus Silizium nach dessen Herstellung durch eine Behandlung mit Plasma auf eine Temperatur zu erhitzen, die höher ist als die Schmelztemperatur von Silizium. Im Zuge dieser Wärmebehandlung werden die polykristallinen Körner des Granulats in einem Randbereich (äußerer Bereich) geschmolzen, wobei ein Kernbereich (innerer Bereich) in festem Zustand bleibt. Beim nachfolgenden Abkühlen der Körner kristallisiert der Randbereich wieder, jedoch mit veränderter polykristalliner Struktur. Die Kristall-Dichte (Anzahl der Kristalle pro Volumen) ist im Randbereich deutlich niedriger als im Kernbereich. Darüber hinaus nimmt die Rauheit der Oberfläche der Körner ab. Das zeigt sich schon bei visueller Inspektion des plasmabehandelten Granulats aus Silizium an dessen Glanz, der auf Grund der Behandlung zunimmt. Mit der strukturellen Änderung des Granulats aus Silizium ist auch eine Verbesserung von dessen Eigenschaften zu beobachten. Wird es zur Herstellung eines Einkristalls verwendet, sinken Versetzungsraten und die Häufigkeit von Gaseinschlüssen im Einkristall.
Granulat aus Silizium, das zur vorgeschlagenen Behandlung mit Plasma geeignet ist, besteht aus polykristallinen Körnern und wird vorzugsweise durch Abscheiden von Silizium auf Partikeln aus Silizium in Gegenwart eines siliziumhaltigen Reaktionsgases in einem Wirbelschicht-Reaktor hergestellt. Das Reaktionsgas enthält Silan oder ein Chlor enthaltendes Silan, vorzugsweise Trichlorsilan. Als Herstellungsverfahren kann beispielsweise das in der WO 2014/191274 A1 beschriebene Verfahren eingesetzt werden. Vorzugsweise bestehen nicht weniger als 98 % (bezogen auf das Gewicht) des Granulats aus Körnern mit kugelähnlicher Form, deren Korngröße, ausgedrückt durch den Siebdurchmesser als Äquivalentdurchmesser, vorzugsweise 600 bis 8000 µm beträgt, besonders bevorzugt 600 bis 4000 µm. Das Granulat aus Silizium enthält vorzugsweise nicht mehr als 50 ppb (bezogen auf das Gewicht) an metallischen Verunreinigungen.
Die vorgeschlagene Behandlung des Granulats aus Silizium mit Plasma erfolgt vorzugsweise unter einem Druck im Bereich des atmosphärischen Drucks, insbesondere unter einem Druck im Bereich von 50000 Pa bis 150000 Pa. Das Granulat aus Silizium wird in einer Vorheizstufe auf eine Temperatur von nicht weniger als 900 °C vorerhitzt und anschließend durch eine Plasmazone transportiert, die eine Temperatur hat, die über der Temperatur des Schmelzpunkts von Silizium liegt. Eine kurze Verweildauer in der Plasmazone reicht bereits aus, um die Körner des Granulats aus Silizium jeweils in Oberflächennähe zu schmelzen. Der geschmolzene Bereich kristallisiert gleich nach dem Verlassen der Plasmazone wieder.
Das Erzeugen und Unterhalten der Plasmazone geschieht vorzugsweise unter Verwendung einer an sich bekannten Vorrichtung, beispielsweise unter Verwendung einer Vorrichtung, die in der DE 103 27 853 A1 beschrieben ist. Eine solche Vorrichtung umfasst einen Mikrowellengenerator, eine Plasmakammer, Mikrowellenleiter zum Zuführen von Mikrowellenstrahlung zur Plasmakammer und eine Zündeinrichtung zum Zünden des Plasmas. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Vorrichtung, die in der WO 2015/014839 A1 beschrieben ist, weil damit auch bei höheren Leistungen die über die Mikrowellenstrahlung zugeführte Energie in der Plasmakammer gleichmäßig verteilt werden kann. Die Mikrowellenstrahlung wird vorzugsweise an mindestens zwei sich gegenüberliegenden Stellen durch Hohlleiter an die Plasmakammer herangeführt. Die Frequenz der Mikrowellenstrahlung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,9 GHz bis 10 GHz, beispielsweise bei 2,45 GHz. Die Plasmazone breitet sich nach dem Zünden des Plasmas in der Plasmakammer entlang von deren Längsachse aus.
Das Granulat aus Silizium wird durch Prozessgas vorerhitzt. Das Prozessgas wird durch die Plasmakammer geleitet und dort in der Plasmazone selbst erhitzt. Ein Teil der aufgenommenen Wärme wird anschließend auf das Granulat aus Silizium übertragen, um es vorzuerhitzen. Vorzugsweise wird zumindest ein Teil des Prozessgases im Kreis geführt, also nach dem Vorerhitzen des Granulats aus Silizium zu einem Gaseinlass in die Plasmakammer zurückgeleitet.
Das Prozessgas wird vorzugsweise über einen unteren Gaseinlass in die Plasmakammer geleitet und verlässt die Plasmakammer vorzugsweise über einen oberen Gasauslass. Das Prozessgas wird am Gaseinlass vorzugsweise tangential in die Plasmakammer geleitet und strömt deshalb wirbelnd entlang einer Fließrichtung durch die Plasmakammer zum Gasauslass. Vorerhitztes Granulat aus Silizium wird entgegen der Fließrichtung des Prozessgases durch die Plasmazone transportiert. Vorzugsweise lässt man das Granulat aus Silizium durch die Plasmazone fallen. Die Verwirbelung des Prozessgases verlängert den Transportweg des Granulats aus Silizium in der Plasmazone und dessen Aufenthaltsdauer in der Plasmazone. Die Innenwand der Plasmakammer besteht aus einem Dielektrikum, vorzugsweise aus Quarz oder Keramik. Nach dem Verlassen der Plasmakammer strömt das Prozessgas in eine Vorheizstufe für Granulat aus Silizium und von dort vorzugsweise zurück zum Gaseinlass in die Plasmakammer.
Das Prozessgas besteht aus Luft oder einem Bestandteil von Luft oder einer Mischung mindestens zweier Bestandteile von Luft oder aus Wasserstoff oder aus einer Mischung von Wasserstoff und mindestens einem inerten Gas. Bevorzugtes Prozessgas hat inerten oder reduzierenden Charakter. Besonders bevorzugtes Prozessgas ist Argon oder ein Gemisch von Argon und Wasserstoff, wobei der Anteil an Wasserstoff vorzugsweise nicht mehr als 2,7 % (bezogen auf das Volumen) betragen sollte. Ein Prozessgas mit reduzierendem Charakter entfernt eine Oxidschicht auf der Oberfläche der Körner, aus denen das Granulat aus Silizium besteht.
Die Vorheizstufe ist vorzugsweise ein Rohr, von dem aus das Granulat aus Silizium kontinuierlich oder diskontinuierlich in die Plasmazone fallen kann. Das Granulat aus Silizium wird durch Prozessgas vorerhitzt, das in das Rohr aufsteigt. Gegebenenfalls ist eine Heizung vorhanden, die das Rohr und das darin enthaltene Granulat aus Silizium zusätzlich von außen erhitzen. Besonders bevorzugt ist es, im Rohr Umlenkplatten anzuordnen, die eine Kaskade von Stufen bilden, die den Transportweg von Granulat aus Silizium durch das Rohr verlängern. Auf diese Weise wird auch die Verweildauer des Granulats im Rohr verlängert, so dass mehr Zeit zur Verfügung steht, das Granulat aus Silizium in der Vorheizstufe vorzuerhitzen. Das Rohr und gegebenenfalls die Umlenkplatten bestehen vorzugsweise aus einem Material, durch das das Granulat aus Silizium beim Kontakt nicht oder nur geringfügig mit Metallen verunreinigt wird. Das Material ist vorzugsweise Quarz oder Keramik.
Das Granulat aus Silizium wird von einem Vorratsbehälter in die Vorheizstufe gefördert und fällt gegen das aufsteigende Prozessgas zuerst durch die Vorheizstufe, anschließend durch die Plasmazone und schließlich an einen Zielort, beispielsweise in einen Auffangbehälter oder in einen Tiegel oder auf einen Teller oder auf ein Förderband.
Das plasmabehandelte Granulat aus Silizium besteht aus Körnern mit polykristalliner Struktur. Die polykristalline Struktur umfasst eine Vielzahl von Kristallen und gemeinsame Grenzflächen zwischen benachbarten Kristallen. Die Oberfläche der Körner ist glatt und glänzend, sofern als Prozessgas ein inertes oder reduzierendes Gas eingesetzt wurde und das Granulat aus Silizium nach der Behandlung mit Plasma keiner oxidierenden Atmosphäre wie beispielsweise der Umgebungsluft ausgesetzt wurde. Im Randbereich unterscheidet sich die polykristalline Struktur der Körner von der im Kernbereich. Der Randbereich erstreckt sich jeweils von der Oberfläche der Körner ins Innere der Körner. Im Randbereich sind die Kristalle deutlich größer, als im Kernbereich. Dementsprechend ist die Kristall-Dichte (Anzahl der Kristalle pro Volumen) im Randbereich kleiner, als im Kernbereich. Im Randbereich beträgt die Kristall-Dichte vorzugsweise nicht mehr als 20 % der Kristall-Dichte im Kernbereich, besonders bevorzugt nicht mehr als 2 %. Die Dicke des Randbereichs beträgt vorzugsweise nicht weniger als 20 µm, besonders bevorzugt nicht weniger als 40 µm. Zwischen dem Randbereich und dem Kernbereich gibt es einen Übergangsbereich, in dem die Kristall-Dichte größer ist als im Randbereich und kleiner als im Kernbereich.
Die besondere polykristalline Struktur der Körner verleiht dem plasmabehandelten Granulat aus Silizium die Eigenschaft, für die Herstellung von Einkristallen besonders geeignet zu sein. Das Potential des plasmabehandelten Granulats aus Silizium, Quelle von Feinstaub und Gaseinschlüssen werden zu können, ist deutlich vermindert.
Das plasmabehandelte Granulat aus Silizium wird deshalb vorzugsweise verwendet, um damit Einkristalle (vorzugsweise mittels eines CZ-Verfahrens oder eines GFZ-Verfahrens) oder polykristalline Körper aus Silizium herzustellen. Die hergestellten Einkristalle oder polykristallinen Körper dienen selbst insbesondere als Grundstoffe zur Herstellung elektronischer oder optoelektronischer Bauelemente oder von Bauelementen der Solarindustrie.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das plasmabehandelte Granulat aus Silizium geschmolzen und zu einem Einkristall kristallisiert, ohne zuvor einer oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt worden zu sein. Besonders bevorzugt ist es, das Granulat aus Silizium in plasmabehandeltem Zustand gemäß einem GFZ-Verfahren zu schmelzen und die dabei entstehende Schmelze anschließend zu einem Einkristall zu kristallisieren. Zu diesem Zweck wird das plasmabehandelte Granulat aus Silizium nach dem Austritt aus der Plasmakammer unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise unter Argon oder unter einem Gemisch aus Argon und Wasserstoff, besonders bevorzugt unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre mit der Zusammensetzung des während der Behandlung mit Plasma eingesetzten Prozessgases in eine Vorrichtung zur Kristallzüchtung transportiert. Die Vorrichtung umfasst einen Tiegel oder einen Teller. Dort wird das plasmabehandelte Granulat aus Silizium induktiv geschmolzen und in geschmolzenem Zustand einer Schmelzenzone mit einer Grenzfläche zugeführt, an der ein Einkristall wächst. Beim Schmelzen des plasmabehandelten Granulats muss keine Oxidschicht gelöst werden und in diesem Zusammenhang stehende Probleme durch Partikelbildung werden vermieden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Vorrichtung zur Kristallzüchtung, die über eine Induktionsheizspule verfügt, die extra zum Schmelzen des Granulats aus Silizium vorgesehen ist. Eine solche Induktionsheizspule ist beispielsweise in US 2011/0185963 A1 offenbart. Zum Erzeugen der Schmelzenzone wird zunächst festes Silizium, das eine Öffnung im Zentrum eines Tiegels oder Tellers vorübergehend verschließt, geschmolzen und das geschmolzene Silizium mit einem Keimkristall in Kontakt gebracht. Bevorzugt ist auch, dass das plasmabehandelte Granulat aus Silizium auf Grund der Behandlung mit Plasma noch eine Temperatur von nicht weniger als 600 °C, besonders bevorzugt nicht weniger als 800 °C hat, wenn damit begonnen wird, das plasmabehandelte Granulat aus Silizium zu schmelzen und der Schmelzenzone zuzuführen. So wird die Induktionsheizspule zum Schmelzen des plasmabehandelten Granulats aus Silizium entlastet und die Dauer der Herstellung des Einkristalls verkürzt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Verweis auf Zeichnungen genauer erläutert.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer Vorrichtung, die geeignet ist, die Herstellung eines Einkristalls aus Silizium gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu vollziehen.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorheizstufe.
3 zeigt schematisch den Aufbau einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Plasmakammer.
4 bis 8 zeigen REM-Aufnahmen von Körnern von Granulat aus Silizium.
Die Vorrichtung gemäß 1 ist gegliedert in eine Einrichtung zur Behandlung von Granulat aus Silizium mit Plasma und eine Einrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß dem GFZ-Verfahren unter Verwendung des plasmabehandelten Granulats aus Silizium.
Die Einrichtung zur Behandlung von Granulat aus Silizium mit Plasma umfasst einen Vorratsbehälter 1 für zu behandelndes Granulat aus Silizium, eine Dosiervorrichtung 2 zum Dosieren von Granulat aus Silizium in eine Vorheizstufe 3, in der das zu behandelnde Granulat aus Silizium vorerhitzt wird, eine Plasmakammer 4, in der eine Plasmazone 5 gezündet und mittels Mikrowellenstrahlung aufrechterhalten wird, einen Generator 6 zum Erzeugen der Mikrowellenstrahlung sowie eine Förderleitung 7 zum Fördern von plasmabehandeltem Granulat 8 aus Silizium in die Einrichtung zur Herstellung eines Einkristalls gemäß dem GFZ-Verfahren. Diese Einrichtung umfasst eine Induktionsheizspule 9 zum Schmelzen des Granulats 8 auf einem Teller 10, wobei die Induktionsspule 9 eine Öffnung hat, durch die das Granulat 8 auf den Teller 10 fällt, wo es geschmolzen wird, um von dort in geschmolzenem Zustand durch eine Öffnung im Zentrum des Tellers 10 zu einer Schmelzenzone zu gelangen, die von einer Induktionsheizspule 11 aufrechterhalten wird. Die Schmelzenzone hat eine Grenzfläche, an der ein Einkristall 12 wächst und kontinuierlich abgesenkt wird. Über eine Leitung 17 wird Prozessgas, das die Vorheizstufe 3 verlässt, zurück zu einem Gaseinlass in die Plasmakammer 4 geleitet.
Die in 2 schematisch dargestellte Vorheizstufe 3 umfasst ein Rohr 13 mit eingebauten Umlenkplatten 14. Zu behandelndes Granulat aus Silizium wird in einen oberen Bereich des Rohrs 13 gefördert und fällt zunächst auf die Umlenkplatten 14 und schließlich aus einer unteren Öffnung 15 des Rohrs 13 in die Plasmakammer 4. Prozessgas wird entgegen der Fallrichtung des Granulats aus Silizium von unten nach oben durch das Rohr 13 geleitet.
Die Plasmakammer 4 gemäß 3 umfasst Hohlleiter 16 zum Heranführen von Mikrowellenstrahlung entsprechend der Richtung der breiten Pfeile und zum Unterhalten der Plasmazone 5 innerhalb der Plasmakammer 4, eine Zündeinrichtung 18 zum Erzeugen der Plasmazone 5 und einen Auffangbehälter 19 zum Sammeln von plasmabehandeltem Granulat. Prozessgas wird entsprechend der Richtung des schmalen Pfeils durch die Leitung 17 zu einem unteren Gaseinlass in die Plasmakammer geleitet und strömt durch die Plasmazone 5 zu einem oberen Gasauslass aus der Plasmakammer.
4 repräsentiert die REM-Aufnahme eines Teils der Oberfläche eines Korns von Granulat aus Silizium, das erfindungsgemäß mit Plasma behandelt wurde. Zu erkennen sind die Oberflächen von Kristallen 20 und gemeinsame Grenzflächen 21 zwischen benachbarten Kristallen. Zum Vergleich ist in 5 ein Teil der Oberfläche eines Korns von Granulat aus Silizium abgebildet, das im Zustand vor einer erfindungsgemäßen Behandlung mit Plasma war.
6 zeigt die REM-Aufnahme von einem Ausschnitt eines Schnitts durch ein Korn von Granulat aus Silizium, das erfindungsgemäß mit Plasma behandelt wurde. Der Ausschnitt reicht von der Oberfläche 22 des Korns ins Innere des Korns. Ein oberflächennaher Randbereich 23 des Korns ist durch Kristalle 24 gekennzeichnet, die vergleichsweise groß sind, während die Kristalle in einem Kernbereich 25 des Korns vergleichsweise klein sind. Zum Vergleich ist in 7 eine entsprechende Aufnahme eines Korns von Granulat aus Silizium abgebildet, das im Zustand vor einer erfindungsgemäßen Behandlung mit Plasma war.
Die REM-Aufnahme gemäß 8 zeigt einen Ausschnitt von der Oberfläche und einen Ausschnitt von der Schnittfläche durch ein Korn von Granulat aus Silizium, das erfindungsgemäß mit Plasma behandelt wurde. Zu sehen sind eine Kante 26 zwischen der Oberfläche 22 und der Schnittfläche und Kristalle 24 im Randbereich 23 des Korns, die vergleichsweise groß sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2014/191274 [0002]
US 2005/0135986 A1 [0003]
US 2013/0295385 A1 [0004]
US 2011/0185963 A1 [0004, 0022]
WO 2014/191274 A1 [0011]
DE 10327853 A1 [0013]
WO 2015/014839 A1 [0013]

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, umfassend das Leiten eines Prozessgases entlang einer Fließrichtung durch eine Plasmakammer; das Erzeugen einer Plasmazone in der Plasmakammer; das Aufrechterhalten der Plasmazone durch Zuführen von Mikrowellenstrahlung in die Plasmakammer; das Vorerhitzen des Granulats aus Silizium durch das Prozessgas auf eine Temperatur von nicht weniger als 900 °C; den Transport des vorerhitzten Granulats aus Silizium durch die Plasmakammer und die Plasmazone entgegen der Fließrichtung des Prozessgases, wobei ein äußerer Bereich der Körner vorübergehend geschmolzen wird; und das Sammeln des plasmabehandelten Granulats aus Silizium.
Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, umfassend das Bilden einer Schmelzenzone mit einer Grenzfläche, an der ein Einkristall aus Silizium wächst; das Leiten eines Prozessgases entlang einer Fließrichtung durch eine Plasmakammer; das Erzeugen einer Plasmazone in der Plasmakammer; das Aufrechterhalten der Plasmazone durch Zuführen von Mikrowellenstrahlung in die Plasmakammer; das Vorerhitzen von Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, durch das Prozessgas auf eine Temperatur von nicht weniger als 900 °C; den Transport des vorerhitzten Granulats aus Silizium durch die Plasmakammer und die Plasmazone entgegen der Fließrichtung des Prozessgases, wobei ein äußerer Bereich der Körner vorübergehend geschmolzen wird; das induktive Schmelzen des plasmabehandelten Granulats aus Silizium; und das Zuführen des geschmolzenen Granulats zur Schmelzenzone.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas reduzierende Eigenschaft hat und eine Oxidschicht von der Oberfläche des Granulats entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend das Vorsehen eines Transportweges des Granulats aus Silizium durch eine Vorheizstufe, in der das Granulat aus Silizium vorerhitzt wird und das Bereitstellen von Umlenkplatten in der Vorheizstufe, deren Gegenwart den Transportweg des Granulats durch die Vorheizstufe verlängert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend nach dem Vorerhitzen des Granulats aus Silizium durch das Prozessgas das Zurückführen des Prozessgases zu einem Gaseinlass in die Plasmakammer.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet dass das Granulat aus Silizium in plasmabehandeltem Zustand von der Plasmakammer in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre an einen Ort transportiert wird, wo das induktive Schmelzen des Granulats stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat aus Silizium vor dem induktiven Schmelzen eine Temperatur von nicht weniger als 600 °C hat.
Granulat aus Silizium, das aus polykristallinen Körnern besteht, die jeweils umfassen: eine Oberfläche, einen Randbereich und einen Kernbereich, wobei die Kristall-Dichte im Randbereich geringer ist, als die Kristall-Dichte im Kernbereich.
Granulat aus Silizium nach Anspruch 8, wobei die Kristall-Dichte im Randbereich nicht mehr als 20 % der Kristall-Dichte im Kernbereich ist.
Granulat aus Silizium nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei der Randbereich eine Dicke von nicht weniger als 30 µm hat.
Granulat aus Silizium nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens 98 Gew.-% der Körner eine Korngröße von 600 bis 8000 µm haben.