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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schmelzvorrichtung mit einem Schmelztiegel
und mit einer Granulatzuführvorrichtung
zum Zuführen
von Granulat in die im Schmelztiegel vorhandene Schmelze, um das
durch die kontinuierliche Entnahme von geschmolzenem Material verringerte
Volumen der Schmelze auszugleichen, wobei die Granulatzuführvorrichtung
außermittig
zum Schmelztiegel angeordnet ist, so dass die Zugabe des Granulats
exzentrisch zur Hochachse des Schmelztiegels erfolgt, und mit einer
Heizeinrichtung. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren
zum Zuführen
von Granulat in eine im Schmelztiegel vorhandene Schmelze mittels
einer solchen Schmelzvorrichtung.
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Ausgehend
von einem festen, polykristallinen Rohmaterial, das im Allgemeinen
in Granulatform vorliegt, wird in einer Schmelzvorrichtung eine Schmelze
für die
Produktion von mono- oder polykristallinen Körpern, Stäben, Scheiben oder Beschichtungen/Schichten
erzeugt.
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Eine
Schmelzvorrichtung mit einem um seine Hochachse drehbaren Schmelztiegel
ist in der
DE 42 00
185 A1 beschrieben. Der Schmelztiegel enthält eine
Siliziumschmelze, aus der ein Siliziumkristall gezogen wird. Zum
Ausgleich des durch das Kristallziehen entnommenen Materials wird
entweder geschmolzenes oder granulatförmiges Material über eine
exzentrisch angeordnete Zugabevorrichtung in den Schmelztiegel gegeben.
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In
der
DE 40 18 967 A1 wird
eine Vorrichtung zum Erstellen von Siliziumblöcken in einer feststehenden
Kokille offenbart. Oberhalb der Kokille befindet sich ein beheizbarer,
feststehender Tiegel mit einem Bodenablauf, über den geschmolzenes Silizium in
die Kokille gelangt. In den Tiegel wird über eine Schütte Granulat
nachgefördert.
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In
der
DE 199 34 940
C2 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Erstellen von Siliziumblöcken in
einer feststehenden Kokille beschrieben. Das Siliziumgranulat wird
in zwei Schritten unmittelbar zentrisch in die Kokille gegeben.
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In
der
US 3,396,299 wird
eine aus drei übereinander
angeordneten Spulen bestehende Spulenanordnung für einen Schmelztiegel offenbart,
die phasengleich oder phasenversetzt mit Wechselstrom betrieben
werden. Damit soll die im Tiegel vorhandene Schmelze sowohl erhitzt
als auch gerührt
werden.
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In
der
DE AS 1 583 445 wird
eine Spulenanordnung beschrieben, mit der die oberste Schicht einer
Schmelze mittels Induktoren in eine Drehung um die Hochachse versetzt
wird, damit sich Schlacke im Zentrum der Oberfläche sammelt, von wo diese nicht in
die Schmelze gezogen wird.
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In
der
JP 2003 207 283 wird
eine Spulenanordnung für
einen Tiegel offenbart, deren magnetische Felder eine spiralförmige Bewegung
der Schmelze im Tiegel bewirken.
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In
der
US 5,936,996 sind
mehrere Spulenanordnungen gezeigt, mit denen ebenfalls eine Drehung
der Schmelze um die Tiegelhochachse erreicht werden kann.
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Insbesondere
bei der Herstellung von Silizium-Kristallen, Silizium-Wafern bzw.
Silizium-Schichten für
die Mikroelektronik und die Solarindustrie sind sowohl in kontinuierlichen
als auch in Batch-Prozessen große
Mengen von Silizium-Schmelze erforderlich, die in geeigneter und
gut kontrollierter Weise für den
jeweiligen Prozess zur Verfügung
zu stellen sind.
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In
diesen Prozessen werden größere Mengen
eines in Stab-, Brocken- oder Körner-Form
vorliegenden Granulats aus Silizium oder einem anderen Material
in einer Schmelzvorrichtung fortlaufend und möglichst ungestört in eine
Schmelze überführt. Dabei
darf es weder in der festen noch in der geschmolzenen Phase zu Störungen des
Materialflusses für
den Produktionsprozess kommen. So müssen Störungen durch mechanisches Blockieren
der zugeführten
Feststoffe oder durch Überhitzen
oder Einfrieren der Schmelze unbedingt vermieden werden.
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Vor
allem ist ein lokal beginnendes Einfrieren der Schmelze zu vermeiden,
weil dies ein aufgrund inhomogener Material- und/oder Leistungsverteilung instabiler
und sich selbst verstärkender
Effekt mit äußerst negativem
Einfluss auf den regulären
Prozessverlauf ist.
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Auch
darf es an keiner Stelle zu Stau und Überlauf des Materialflusses
noch zu einer Unterversorgung oder Unterbrechung des Produktionsprozesses
kommen.
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Dabei
müssen
diese Anforderungen aus ökonomischen
Gründen
mit einem möglichst
geringen technologischen Aufwand gelöst werden.
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Die
bisher bekannten Lösungen
weisen entweder erhebliche Probleme durch eine Anzahl von Störungen des
Aufschmelzprozesses auf, wie z. B. Überhitzung/Einfrieren/Störung des
Materialflusses usw., oder aber sie erfordern einen hohen und kostspieligen
mechanischen Zusatzaufwand, um derartige Störungen zu vermeiden. Es kommt
hinzu, dass mechanische Zusatzeinrichtungen in sich selbst wieder
störanfällig sind
und ein zusätzliches
Störungs- und
Ausfallrisiko bedeuten.
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Die
Erfindung beruht somit auf dem Problem, eine Schmelzvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1 mit einem möglichst
geringen technologischen Aufwand so zu gestalten, dass es nicht
zu den genannten Störungen
insbesondere in der Schmelze kommt.
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Zur
Lösung
des Problems sieht die Erfindung vor, dass wenigstens ein Vorratsbehälter vorgesehen ist,
dass die Granulatzuführvorrichtung
zwischen dem wenigstens einen Vorratsbehälter und dem Schmelztiegel
angeordnet ist und wenigstens eine exzentrisch zur Hochachse des
Schmelztiegels und oberhalb der Schmelze angeordnete Schütte aufweist,
dass Induktoren zur Erzeugung von magnetischen Wechselfeldern in
der Schmelze vorhanden sind, wobei die Induktoren außerhalb
des Schmelztiegels derart angeordnet sind und mit einem dreiphasigen
Drehstrom betreibbar sind, so dass durch die von den Induktoren
erzeugten magnetischen Wechselfelder Materialströmungen in der Schmelze hervorgerufen
werden, die zu einer Drehung der Schmelze um die Hochachse des Schmelztiegels führen, und
dass ein Heizelement der Heizeinrichtung den Schmelztiegel in Umfangsrichtung
umgibt und dass ein weiteres Heizelement oberhalb des Spiegels der
Schmelze angeordnet ist.
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Auf
Grund der Drehung der Schmelze verteilt sich das Granulat gleichmäßig auf
der Peripherie des Spiegels der Schmelze und nimmt dort die Wärme der
Schmelze auf. Da die einzelnen Granulatteilchen somit relativ weit
beabstandet sind, kommt es nicht zu lokalen Verdichtungen, in denen
das verdichtet vorliegende kalte Granulat als Kältequelle dient, die die Energieverteilung
in der Schmelze erheblich stören
würde,
was wiederum einen negativen Einfluss auf die der Schmelze folgenden
Prozesse hätte.
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Gemäß der Erfindung
wird somit in vorteilhafter Weise das Aufschmelzen des an einer
oder mehreren Stellen eingebrachten Granulats durch eine elektromagnetisch
angetriebene, erzwungene Konvektion des Schmelzbades unterstützt.
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Dadurch
wird eine erheblich bessere, schnellere und gleichmäßigere Übertragung
der Wärmeenergie
auf das aufzuschmelzende Granulat erreicht. Dabei werden die magnetischen
Wechselfelder zum Antrieb einer erzwungenen Konvektion in der Schmelze
durch eine Anordnung von Induktoren bzw. Spulen erzeugt, welche
den Schmelztiegel umgeben.
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Je
nach dem entsprechenden Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein,
diese Induktoren innerhalb des durch einen Behälter abgeschlossenen Prozessraumes
anzuordnen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die für das Aufschmelzen
ohnehin benötigte
elektrische Energie zur Erzeugung der Heizleistung gleichzeitig
dazu benutzt werden, ein geeignetes magnetisches Feld für den Antrieb
der erzwungenen Konvektion zu nutzen. Dies ist auf verschiedene
Weise möglich:
So können
die schon vorhandenen Widerstandsheizungen als Induktoren fungieren.
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Demnach
werden ein oder mehrere mit einphasigem Wechselstrom/AC betriebene
Widerstandsheizer als Induktoren ausgebildet. Das durch diese erzeugte
magnetische Wechselfeld bewirkt über
die Lorenz-Kraft eine im Mittel vom Induktor weg gerichtete erzwungene
Konvektion der Schmelze.
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Die
Anordnung kann weiter verbessert werden, indem wenigstens drei Induktoren übereinander um
den Schmelztiegel herum angeordnet und an einer dreiphasigen Wechselstromquelle
angeschlossen sind, wodurch sich ein wanderndes Magnetfeld bildet,
das der Schmelze eine Konvektion mit einer zur Mitte des Schmelztiegels
gerichteten Materialbewegung aufzwingt.
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Die
als Induktor ausgebildeten Heizeinrichtungen können auch so angeordnet und
mit einem dreiphasigen Drehstrom betrieben werden, dass sich ein
rotierendes Magnetfeld ausbildet, das die Schmelze in eine Rotation
um eine vertikale Achse versetzt.
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Die
Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes in die Schmelze kann
durch die Wahl der Frequenz des Wechselfeldes beeinflusst werden.
In einer technisch besonders vorteilhaften Ausführungsform können die
Induktoren und Spulen bzw. die als Induktor ausgebildeten Widerstandsheizer
auch mit der vorhandenen Netzfrequenz 50 Hz bis 60 Hz betrieben
werden.
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Die
Vorteile einer elektromagnetisch erzwungenen Konvektion beim kontinuierlichen
Aufschmelzen von Halbleitermaterialien oder anderen Materialien
bestehen dabei darin, dass ein störungsfreies Einschmelzen und
eine weitgehend homogene Verteilung der thermischen Energie im Schmelzgut
erreicht werden kann, ohne dass dafür ein zusätzlicher mechanischer Aufwand,
wie z. B. Schmelztiegelrotation, Mehrfacheinspeisung, Ablenk- oder
Prallkörper, erforderlich
ist. Die gewünschte
und notwendige Verbesserung des Aufschmelzvorganges kann somit ggf.
allein durch Nutzung elektromagnetischer Effekte erzielt werden.
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Dadurch
wird eine erhöhte
Zuverlässigkeit und
Stetigkeit des Aufschmelzvorganges erreicht. Mechanisch bedingte
Störungen
entfallen, da zusätzliche
mechanische Bauteile bzw. mechanische Bewegungen, z. B. Schmelztiegel-Rotation,
nicht erforderlich sind.
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Wie
erläutert
kann in einer besonderen Ausführungsform
für die
Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder sogar auf zusätzliche
Induktoren verzichtet werden, indem man die sowieso bereits vorhandene
Heizeinrichtung als Induktor ausbildet und nutzt. Dabei liefert
eine AC(Wechselstromeinrichtung)-Heizer-Stromversorgung zugleich
den Strom für
den Aufbau der magnetischen Wechselfelder, so dass auf diese Weise
eine besonders wirtschaftlich realisierbare Lösung möglich wird.
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Die
Erfindung kommt insbesondere dann zu Tragen, wenn im Boden des Schmelztiegels
in dessen Zentrum oder nahe davon eine Entnahmestelle für das geschmolzene
Material vorhanden ist. Dabei findet, wie oben dargelegt, eine Vermischung
und Einschmelzung des Granulats in der Peripherie des Schmelztiegels
statt, so dass zur Schmelztiegelmitte hin eine homogene Schmelze
entsteht, die dann an der dort angeordneten Entnahmestelle entnommen werden
kann.
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Die
Homogenität
der Schmelze wird verbessert, da erfindungsgemäß ein Heizelement der Heizeinrichtung
den Schmelztiegel in Umfangsrichtung umgibt und ein weiteres Heizelement
oberhalb des Spiegels der Schmelze angeordnet ist.
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Im
Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispieles
die Erfindung näher
erläutert
werden. Die einzige Figur zeigt im Querschnitt einen rotationssymmetrischen
Schmelztiegel, der von Heizelementen und Induktoren 6 umgeben
ist und über eine
Granulatzuführvorrichtung
verfügt.
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Die
Schmelzvorrichtung besteht aus einem Vorratsbehälter 1 – auch Hopper
genannt – für ein Granulat
(insbesondere Silizium-Granulat), aus einem Schmelztiegel 3 mit
einer kontrollierbaren Heizeinrichtung 4 und aus einer
kontrollierbaren Granulatzuführvorrichtung 2 vom
Vorratsbehälter 1 zum Schmelztiegel 3,
wobei die Schütte
des Vorratsbehälters 1 außermittig
angeordnet ist. Die Schmelzvorrichtung besteht weiterhin aus einem
mittig zum Schmelztiegel 3 angeordneten kontrollierbaren Schmelzabfluss 9 vom
Schmelztiegel 3 zum Prozessraum. Die Teile der Aufschmelzeinrichtung
sind von einer thermischen Isolation 8 umgeben und in einem
Gehäuse 7,
gebildet aus einem Boden- und
Deckelteil und aus einem zylindrischen Mantelteil 5, untergebracht.
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Eine
wesentliche Anforderung an eine solche Schmelzvorrichtung besteht
darin, dass sowohl für
eine möglichst
effektive als auch möglichst
homogene Einbringung der thermischen Energie für den Aufschmelzprozess gesorgt
werden muss, ohne dass es zu lokalen Überhitzungen oder Unterkühlungen
oder zu sonstigen Störungen
des Materialflusses kommt. Für
die benötigten
Materialflüsse,
Aufschmelzraten, Heizleistungen und Dimensionen der Aufschmelzvorrichtung
ist dieses Problem nicht trivial.
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Wie
in 1 dargestellt, wird daher vorgeschlagen, dass
die Heizeinrichtung 4 den Schmelztiegel 3 möglichst
allseitig umgibt. Insbesondere wird vorgeschlagen, ein Heizelement
oberhalb des Schmelztiegels 3 zu plazieren, das dann sehr
effektiv seine Leistung per Strahlung auf das zunächst noch kalte
Granulat übertragen
kann.
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Sobald
eine Schmelze vorliegt, wird entsprechend der Entnahmemenge am Schmelzabfluss 9 kaltes
Material in Form von Granulat aus dem Vorratsbehälter 1 nachgefördert, das
sich zunächst
auf der Peripherie der Schmelze sammelt, um auf der Peripherie der
Schmelze sammelt, um sodann in die Schmelze zu sinken, wobei es
nach und nach eingeschmolzen wird. Damit es dabei nicht zu Verdichtungen
des Granulats kommt, werden die Induktoren 6 so angeordnet
und angesteuert, dass eine um die Hochachse des Schmelztiegels rotierende
Strömung entsteht,
so dass eine gleichmäßige Verteilung
des Granulats auf der Peripherie des Schmelzspiegels erfolgt, weil
das zunächst
noch auf der Schmelze schwimmende, noch nicht geschmolzene Material von
der rotierenden Schmelze mitgenommen wird.
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Um
eine möglichst
homogene Schmelze zu erhalten, werden gezielt Konvektionen in die
Schmelze erzeugt. Hierzu dienen Induktoren 6, die ein in
die Schmelze eingreifendes Wechselmagnetfeld erzeugen. Diese Felder
induzieren elektrische Ströme
in der Schmelze, die mit einem Materialtransport verknüpft sind.
Durch eine geeignete Ansteuerung der Induktoren 6 lassen
sich zum Beispiel in einer mittleren Ebene des Schmelztiegels 3 Strömungen in
Richtung auf das Zentrum der Schmelze erzeugen, wobei das dabei
transportierte Material durch Gegenströmungen unter und oberhalb dieser
Ebene zurückgeführt wird.
Es entstehen somit toroid-förmige
Zirkulationszonen in der Peripherie der Schmelze.
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Die
einzige Figur zeigt somit eine fortlaufende Bereitstellung einer
aus einem Granulat erzeugten Schmelze für einen kontinuierlichen Kristallisationsprozess.
Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf dieses Ausführungsbeispiel
begrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorratsbehälter
- 2
- Granulatzuführvorrichtung
- 3
- Schmelztiegel
- 4
- Heizeinrichtung
- 5
- zylindrisches
Mantelteil
- 6
- Induktor
- 7
- Gehäuse
- 8
- thermische
Isolation
- 9
- Schmelzabfluss
