DE19607098C2

DE19607098C2 - Verfahren und Vorrichtung zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block in einem bodenlosen metallischen Kaltwandtiegel

Info

Publication number: DE19607098C2
Application number: DE19607098A
Authority: DE
Inventors: Alok Dr Choudhury; Matthias Dr Blum; Harald Scholz; Georg Jarczyk
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1996-02-24
Filing date: 1996-02-24
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2016-02-25
Also published as: US6027563A; DE19607098A1; JPH09278590A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4.

Derartige Blöcke werden unter anderem als Ausgangsmaterial für die Her stellung von photovoltaischen Elementen wie Solarzellen verwendet, indem man die Blöcke zu hauchdünnen Scheiben mit einer Dicke von weniger als 500 µm zerschneidet und entsprechend weiter verarbeitet. Bei der gerichteten Erstarrung können entweder sogenannte Stengelkristalle (kolumnare Ordnung) oder Einkristalle erzeugt werden. Die Herstellung von Einkristallen z. B. nach dem Verfahren von Czochralski ist entsprechend teuer.

Untersuchungen haben ergeben, daß der Wirkungsgrad der Energie umsetzung sehr stark von der Gefügestruktur des Siliziums abhängig ist. Der Wirkungsgrad ist bei einer glasartigen Struktur, d. h. bei amorphem Silizium, außerordentlich gering, und er steigt mit zunehmender Kristallgröße bzw. mit kolumnarer Ordnung an und erreicht bei sogenannten monokristallinen Zellen Werte von etwa 15% und darüber. Als Ursache für dieses Verhalten werden die an den Korngrenzen vorhandenen Verunreinigungen angesehen, durch die eine Rekombination von Ladungsträgern stattfindet. Die Zusammenhänge sind in dem Buch von Bergmann und Schaefer "Lehrbuch der Experimentalphysik", Band 6, "Festkörper", Verlag Walter de Gruyter, Berlin und New York 1992, Seiten 551 bis 553, angegeben, so daß sich hierüber weitere Ausführungen erübrigen.

Durch die US 4 572 812 C ist es bekannt, in einem bodenlosen quadratischen Kaltwandtiegel, der aus palisadenartig angeordneten senkrechten wassergekühlten Stäben besteht, die von einer Induktionsspule umgeben sind, eine Siliziumschmelze zu erzeugen, und den daraus kontinuierlich gebildeten festen Block nach Art des Stranggießverfahrens mittels einer kontinuierlich abwärts bewegten Tragplatte abzuziehen. Diese Tragplatte besteht aus Graphit, der unter der Wirkung der Induktionsspule aufgeheizt wird, was unter anderem dazu dienen soll, eine Anfangserwärmung des stückigen Siliziums durchzuführen, um in diesem eine ausreichende Temperatur für einen Stromfluß und damit für die weitere Aufheizung durch Ankoppelung der induktiven Energie bis zum restlosen Aufschmelzen zu erzeugen. Der erzeugte Block hat einen Querschnitt von 25 × 25 mm² und eine Länge von 17 cm. Es wird zwar ausgesagt, daß der Block eine grobe Kristallstruktur haben soll, jedoch vermittelt diese relative Angabe insbesondere im Hinblick auf den geringen Blockquerschnitt keinen Hinweis auf die absolute Kristallgröße. Der Einsatz einer Impfscheibe ist nicht beschrieben, auch ist der Verlauf etwaiger Stengelkristalle nicht offenbart.

In der US 4 572 812 C ist weiterhin beschrieben, daß zur Erzielung einer elektrischen Leitfähigkeit bei Nichtleitern ein Heizstab aus Grafit in Berührung mit dem Halbleitermaterial gebracht werden kann. Hierbei findet aber ein zentraler, nahezu punkt- oder linienförmiger Energieeingang mit starker Überhitzung statt, der sich erst allmählich durch Wärmeleitung im schlecht leitenden Silizium ausbreiten kann. Dabei wird das Halbleitermaterial mit Spuren von Grafit verunreinigt. Die Probleme einer Fremdbeheizung durch Ankopplung von Grafit steigen aber mit zunehmenden Blockquerschnitt, weil der thermische Einflußbereich begrenzt ist und sich dadurch starke radiale Temperaturgradienten einstellen. Die Folge ist eine stark paraboidförmige Phasengrenzfläche mit schrägem Stengelwachstum.

Durch die EP 0 021 385 A1 ist es bekannt, in einer unten offenen, induktiv beheizten Kristallisationskammer aus Grafit, also in einer Heißwandkokille, auf einem plattenförmigen Kühlkörper aus Grafit im kontinuierlichen Verfahren einen polykristallinen Halbleiterstab aus in Längsrichtung gerichtet erstarrtem Silizium zu erzeugen. Die gerichtete Erstarrung wird durch einen auf den Kühlkörper aufgelegten plattenförmigen Keimkristall bewirkt, dessen horizontale Abmessungen der Querschnittsfläche des Siliziumstabes entsprechen. Über die Querschnittsflächen der einzelnen Kolumnar-Kristalle ist nichts ausgesagt. Hierbei dient die aus Grafit bestehende Kristallisationskammer als Suszeptor für die induktive Heizleistung, d. h. die Wärme bzw. Schmelzwärme wird vom Inhalt der Kristallisationskammer von der extrem heißen Kammer- bzw. Tiegelwand radial zur Achse des Siliziumstabes zugeführt. Um unerwünschte Reaktionen der Grafitteile (Kristallisationskammer und Kühlkörper) mit dem Silizium zu vermeiden, müssen die Innenflächen dieser Teile mit einer Schutzschmelze aus einem gegenüber Silizium inerten Material überzogen werden. Diese Schutzschmelze muß während des gesamten Ziehprozesses aufrecht erhalten werden. Die Schutzschmelze soll vorzugsweise Kalziumfluorid enthalten. Kalzium und alle anderen Erdalkalimetalle sind aber in Silizium löslich und führen zu dessen Kontamination. Außerdem entsteht Siliziumfluorid, das ein Gas ist, teilweise zu einer äußerst unerwünschten Blasenbildung im Silizium führt, teilweise entweicht und mit der Luftfeuchtigkeit den äußerst giftigen Fluorwasserstoff bildet.

Dabei muß ferner innerhalb der Kristallisationskammer in engen Grenzen ein vertikaler Temperaturgradient eingehalten werden, damit der Siliziumstab bei seiner Erstarrung innerhalb der Kristallisationskammer diese nicht durch seinen hohen Ausdehnungskoeffizienten bei der Erstarrung sprengt. Dies ist regelungstechnisch nur sehr schwer zu beherrschen. Da der aus Grafit bestehende Kühlkörper in axialer Richtung nur relativ geringe Wärmemengen abführen kann, muß der Kristallstab durch radiales Anblasen aus Ringdüsen mit einem Kühlgas gekühlt werden, was aber nur im Anschluß an die Startphase möglich ist, in der die Keimkristallplatte sich noch innerhalb der Kristallisationskammer befindet.

In der besonders wichtigen Startphase unterbleibt dadurch eine starke axiale Wärmeabfuhr, so daß sich im Rand- und Endbereich des Siliziumstabes Kolumnarkristalle (Stengelkristalle) verhältnismäßig kleinen Querschnitts einstellen, die sich durch den Siliziumstab fortpflanzen. Kolumnarkristalle kleinen Querschnitts führen aber zu einem schlechten Wirkungsgrad der Endprodukte (Solarzellen). Durch das Anblasen des Siliziumstabes mit einem Kühlgas tritt bei Blöcken großen Querschnitts bzw. großer Durchmesser mit zunehmender Stablänge wieder der Effekt ein, daß sich wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Siliziums starke horizontale Temperaturgradienten einstellen, wodurch sich eine zunehmend parabolische Form der Phasengrenze fest/flüssig ausbildet. Dadurch geht die ursprünglich achsparallele Ausrichtung der Kolumnarkristalle wieder verloren, und es werden ganz besonders kleine Einzelkristalle gebildet.

Außerdem wird die Atmosphäre innerhalb der Vorrichtung gestört. Über den verzögerten Einsatz der Kühlung von Keimkörpern sind dem Stand der Technik keinerlei Angaben zu entnehmen.

Durch den Aufsatz von Kaneko u. a. "Cold Crucible Induction Casting of Semi-Conductor Silicon", veröffentlicht in "Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ", Seiten 254 bis 259, ist es bekannt, in einem bodenlosen wassergekühlten Kaltwandtiegel eine Siliziumschmelze zu erzeugen und den in Bildung befindlichen Block kontinuierlich aus dem Kaltwandtiegel abzuziehen, wobei es sich um einen quadratischen Tiegel mit Innenabmessungen von 80 × 80 mm² gehandelt hatte. Der angegebene Wirkungsgrad der Energieumsetzung am Endprodukt betrug 13,7%.

Bei derartigen Kaltwandtiegeln findet keine Verunreinigung der Siliziumschmelze, insbesondere keine Aufnahme von Sauerstoff statt, zumal der Prozeß unter Vakuum oder unter Schutzgas durchgeführt wird. Durch die induktive Beheizung des in Axialrichtung geschlitzten Kaltwandtiegels wird auch eine Berührung des geschmolzenen Siliziums mit dem Kaltwandtiegel praktisch vollständig ausgeschlossen. Einzelheiten über den absenkbaren Tiegelboden sind nicht offenbart. Ohne besondere Maßnahmen werden jedoch dünne Stengelkristalle mit geringem Querschnitt erzeugt, womit sich der angegebene geringe Wirkungsgrad erklären dürfte.

Durch den Aufsatz von Servant u. a. "Grain structure of silicon solidified from an inductive cold crucible", veröffentlicht in "Materials Science and Engineerings A173 1993", Seiten 63 bis 66, ist weiterhin ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung bekannt, bei dem ein Siliziumstab eingesetzt und aufgeschmolzen wird, bevor kontinuierlich stückiges Silizium nachchargiert wird. Es sind sowohl runde als auch quadratische Kaltwandtiegel offenbart, wobei der runde Kaltwandtiegel einen Innendurchmesser von 102 mm und der quadratische Kaltwandtiegel Innenabmessungen von 60 × 60 mm² aufweisen soll. Zur Kristallstruktur wird ausgeführt, daß hierbei drei Zonen unterschieden werden können, nämlich eine äußere Abschreckzone mit sehr kleinen Stengelkristallen mit Durchmessern von 0,1 mm, eine Übergangszone mit einem größeren Korndurchmesser von 2 bis 3 mm und eine mittlere Zone mit größeren Korndurchmessern von 3 bis 4 mm, oder - bei direkter Kühlung - von 5 bis 8 mm. Damit ist das Korngrößenspektrum innerhalb des Blockquerschnitts außerordentlich breit und für die Herstellung von Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad denkbar ungeeignet. Als Ursache hierfür wird die Richtung des Kornwachstums angegeben, das zunächst radial von außen nach innen und im Zentrum des Blocks nahezu senkrecht verläuft. Dies ist auf einen außerordentlich tiefen Schmelzsee zurückzuführen, dessen Tiefe in der Mitte 0,40 bis 0,42 des Blockdurchmessers beträgt. Dadurch weist die Phasengrenze flüssig/fest die Form eines Paraboloids auf, was auch zeichnerisch dargestellt ist. Üblicherweise erfolgt das Kornwachstum stets in Normalenrichtung zur Phasengrenze flüssig/fest.

Es ist schließlich auch bekannt, die Siliziumschmelze in einem Heißwand tiegel aus Quarz zu erzeugen, womit jedoch zwei Nachteile verbunden sind, nämlich einmal die außerordentlich unerwünschte Sauerstoffwanderung von dem Quarztiegel in die Siliziumschmelze, und zum andern die Zerstörung des Quarztiegels beim Erstarren. Diese Zerstörung ist darauf zurückzuführen, daß sich Silizium am Erstarrungspunkt um 9,6% linear ausdehnt, was unweigerlich zur Zerstörung des Quarztiegels führt. Für jede Charge muß also in diesem Falle ein neuer Quarztiegel verwendet werden, so daß sich außerordentlich hohe Produktionskosten ergeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, durch das hochreine Blöcke großen Querschnitts aus Silizium mit zumindest weitgehend achsparallelen Stengelkristallen großen Querschnitts erzeugt werden können, so daß beim Endprodukt ein hoher Wirkungsgrad bezüglich der Energieumsetzung erreicht werden kann.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.

Soweit nachstehend der Ausdruck "stückiges Silizium" verwendet wird, handelt es sich um ein breites Korngrößenspektrum, das von feinem Pulver bis zu groben Partikeln reicht. Um jedoch durch grobe Partikel oder Brocken keine lokale starke Abkühlwirkung auf die Siliziumschmelze in Kauf nehmen zu müssen, ist es vorteilhaft, Partikel am unteren Ende des Korngrößenspektrums einzusetzen.

Induktiv beheizte Kaltwandtiegel mit palisadenartig aufgebauten Wänden sind in dem Aufsatz von A. Gubchenko/Novikov/Choudhury/Hugo "Vacuum- Induction and Induction Plasma Furnaces with Cold Crucible" beschrieben, veröffentlicht anläßlich der "Proceedings Vacuum Metallurgy Conference, 1991, Pittsburgh, USA". Auf diese Literaturstelle wird zum Verständnis aus drücklich Bezug genommen.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird nicht nur von Anfang an die Bildung eines in der Mitte sehr tiefen Schmelzsees verhindert, wie dies bei Servant u. a. beschrieben ist, sondern auch ein zumindest weitgehend parallel zur Tiegelachse verlaufendes Kristallwachstum erreicht. Speziell durch die grobkristalline bis einkristalline, achsparallele Kristallstruktur des Keimkörpers wird dem im Aufbau befindlichen Block eine entsprechend grobe Kristallstruktur aufgezwungen, die zu der erwünschten Steigerung des Wirkungsgrades führt. Durch den metallischen Kühlkörper wird schließlich erreicht, daß sich ein sehr steiler vertikaler Temperaturgradient ausbildet, der gleichfalls die Richtung des Kornwachstums beeinflußt und zudem die Produktionsgeschwindigkeit erhöht. Dadurch ist es möglich, quadratische Siliziumblöcke mit einer Länge von 1 m und darüber und einem Querschnitt von 250 × 250 mm² und darüber zu erzeugen. Bei kreisförmigen Kaltwandtiegeln ist es möglich, Blöcke entsprechender Länge mit einem Durchmesser von 300 mm und darüber zu erzeugen. Bereits hieraus geht hervor, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht nur die Produkt qualität, sondern auch die Produktionsgeschwindigkeit und damit die Wirtschaftlichkeit drastisch erhöht werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht zahlreiche weitere Ausgestaltungen:

So ist es im Zuge einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn man in die Siliziumschmelze während des Blockaufbaus laufend weiteres stückiges Silizium nachchargiert.

Dabei ist es weiterhin von Vorteil, wenn man den Keimkörper zunächst im unteren Bereich des Kaltwandtiegels anordnet und diesen über dem Keimkörper zunächst bis zu mindestens 50% des Tiegelvolumens mit stückigem Silizium vorchargiert, diese Menge an Silizium im Kaltwandtiegel induktiv aufschmilzt.

Eine Alternative des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ver fahrens geht aus von einem Stand der Technik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist ein solches Verfahren erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 4.

In diesem Falle handelt es sich um eine Flüssigchargierung des Kaltwandtiegels. Da die Elektronenstrahlbeheizung im Hochvakuum durchgeführt werden muß, erfolgt hierbei eine gründliche Vorreinigung des Siliziums im Vorherd, der in an sich bekannter Weise als eine wassergekühlte Wanne ausgeführt ist, die aus Kupfer besteht.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn man den Keimkörper zunächst im oberen Bereich des Kaltwandtiegels anordnet und auf den Keimkörper aus dem Vorherd zunächst eine dünne Schicht aus geschmolzenem Silizium aufgießt und diese Schicht bis zum Anschmelzen mit dem Keimkörper durch Elektronenstrahlen beheizt, und nachfolgend weitere Siliziumschmelze aus dem Vorherd in den Kaltwandtiegel nachchargiert.

In beiden Fällen läßt man den Kühlkörper während des oberflächlichen Anschmelzens des Keimkörpers zunächst ungekühlt und schaltet die Kühlung zumindest im wesentlichen zeitgleich mit dem Beginn der Relativbewegung zwischen dem Kühlkörper und dem Kaltwandtiegel ein.

Der verspätete Einsatz der Kühlung des Kühlkörpers hat den erheblichen Vorteil, daß der Keimkörper eine relativ hohe Temperatur annimmt, so daß ein gutes Anschmelzen seiner Oberfläche gewährleistet ist. Zweckmäßiger weise verwendet man beim verspäteten Einsatz der Kühlung ein gasförmiges Kühlmittel mit guter Wärmeleitfähigkeit und hoher Strömungsgeschwindigkeit, gegebenenfalls unter erhöhtem Druck, um den Wärmeübergang weiter zu fördern. Der Einsatz eines gasförmigen Kühlmittels hat in diesem Falle den Vorteil, daß beim Anströmen des heißen Kühlkörpers keine schlagartige Dampfentwicklung erfolgt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren er geben sich aus den übrigen Verfahrensansprüchen.

1. Es kann eine Scheibe aus einem Monokristall verwendet werden, die als Abfall aus einem Ziehprozeß nach der Methode Czochralski herrührt, so daß in diesem Falle auch ein mono kristalliner Block erzeugt wird,
2. als Keimkörper kann eine grobkörnige polykristalline Scheibe aus einer konventionellen Produktion verwendet werden, und
3. der monokristalline oder polykristalline Keimkörper kann durch Zersägen eines Blockes aus der Eigenproduktion verwendet werden.

Die Herkunft der Keimkörper kann folgende sein:

Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 10 und 11.

Zur Lösung der gleichen Aufgabe sind solche Vorrichtungen erfindungsge mäß gekennzeichnet, durch die Merkmale in den Kennzeichen der Patentansprüche 10 und 11.

Die Beheizung durch Elektronenstrahlen hat einen besonderen Vorteil, der im Zuge der Detailbeschreibung noch näher erläutert wird.

Zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung mit einem induktiv beheizten Kaltwandtiegel zu Beginn der Herstellung eines Blocks,

Fig. 2 den unteren Teil von Fig. 1 nach Fertigstellung eines Blocks,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab und

Fig. 4 eine Vorrichtung analog Fig. 1, jedoch mit einer Elektronen strahlbeheizung des Siliziums.

In Fig. 1 ist eine Ofenkammer 1 dargestellt, die unter Vakuum oder Schutz gas betrieben werden kann und aus einem Ofenoberteil 2 und einem Ofen unterteil 3 besteht. Die beiden Ofenteile sind durch eine Flanschverbindung 4 lösbar miteinander verbunden. Beiderseits der Flanschverbindung 4 können noch Absperrventile vorgesehen sein, die hier jedoch nicht dargestellt sind und zur Erhaltung der Ofenatmosphäre dienen.

Das Ofenoberteil 2 ist mit einer Chargiervorrichtung 5 für stückiges Silizium versehen. Auch hier kann ein Absperrventil 6 als Teil einer Schleuse vorge sehen sein. Weiterhin befindet sich im Ofenoberteil 2 eine erste Heizvorrich tung 7, die von beliebiger Art sein kann, um eine Anfangserwärmung des stückigen Siliziums durchzuführen. Ein Rohrstutzen 8 dient entweder zur Evakuierung oder zur Zufuhr eines Schutzgases.

Im Ofenoberteil 2 ist ferner ein Kaltwandtiegel 9 vorgesehen, dessen Einzel heiten anhand von Fig. 3 noch näher erläutert werden. Der Kaltwandtiegel 9 ist von einer Induktionsspule 10 umgeben, die nur sehr schematisch darge stellt ist, und besitzt keinen Boden. In der Startphase der Vorrichtung ist die untere Öffnung durch einen metallischen hohlen Kühlkörper 11 verschlossen, dem das Kühlmedium über ein Anschlußteil 12 zugeführt wird. Die Verbindung mit Leitungsdurchführungen 13 und 14 erfolgt über durchhängende Schläuche 15 und 16.

Der Kühlkörper 10 ist mittels einer Gewindespindel 17 heb- und senkbar, wo bei das Ende der Gewindespindel 17 drehbar im Anschlußteil 12 gelagert ist. Die Gewindespindel 17 ist weiterhin durch eine Spindelmutter 18 hindurchge führt, die gleichzeitig eine gasdichte Abdichtung bewirkt. Ein Antrieb 19, der nur sehr schematisch dargestellt ist, dient zur Drehung der Gewindespindel 17. Es ist natürlich möglich, die Gewindespindel 17 drehfest im Anschlußteil 12 zu befestigen und die Spindelmutter 18 in Rotation zu versetzen.

Unterhalb des Kaltwandtiegels 9 befindet sich eine zweite Heizvorrichtung 20, durch die der Block während seines Aufbaus hindurchgeführt wird und die dazu dient, die Ausbildung von Wärmerissen in dem sehr spröden Silizium zu verhindern. Die Heizvorrichtung 20 kann durch einen Suszeptor mit einer weiteren Induktionsspule, durch eine Induktionsspule zur Direktbeheizung oder durch einen Heizwiderstand mit entsprechender Isolation nach außen hin gebildet werden. Im einfachsten Fall ist es möglich, die Heizvorrichtung durch eine Wärmedämmung zu ersetzen, die eine übermäßige Abstrahlung der Blockwärme an die kalte Ofenkammer verhindert.

Die Heizvorrichtung 20 ist in diesem Falle im Ofenunterteil 3 angeordnet, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Um eine hohe Produktionsge schwindigkeit zu erzielen, ist das Ofenunterteil 3 über einen Ausleger 21 drehbar und heb- und senkbar an einer ortsfesten Säule 22 gelagert, und an der dem Ausleger 21 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein weiterer Ausleger 23, an dem ein identisches Ofenunterteil 3a befestigt ist. Dadurch können die Ofenunterteile 3 und 3a nach Absenkung des Kühlkörpers 11 mit dem fertigen Block in eine Position nach Fig. 2 und nach einem Trennen der Flanschverbindung 4 durch Drehung um die Achse A-A der Säule 22 gegen einander ausgetauscht werden, so daß beispielsweise der fertige Block noch bis zur weiteren Abkühlung in dem (abgesperrten) Ofenunterteil verbleiben kann, in dem er produziert wurde. Dadurch wird die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorrichtung beträchtlich erhöht.

Gemäß den Fig. 1 und 3 ist auf die ebene Oberfläche 24 des Kühlkörpers 11 unter flächiger Berührung ein von planparallelen Ebenen begrenzter Keimkörper 25 aufgelegt, dessen achsparallele Stengelkristalle 26 großen Querschnitts bzw. großen Durchmessers nur angedeutet dargestellt sind. Der Keimkörper 25 ist übertrieben dick dargestellt; er kann wesentlich dünner ausgebildet sein. Auf ihm wird über die Chargiervorrichtung 5 zunächst eine Schüttung aus partikelförmigem Silizium 27 aufgebracht, deren Oberfläche 28 nur angedeutet ist. Zur Erzeugung einer ausreichenden elektrischen Leit fähigkeit wird die Oberfläche 28 durch die Heizvorrichtung 7 beheizt, so daß nach Überschreiten einer Temperatur von etwa 700 bis 800°C die Induk tionsspule 10 über den Kaltwandtiegel 9 an das stückige Silizium ankoppelt. Es ist zu erkennen, daß der Kühlkörper 11 bzw. der Keimkörper 25 die untere Öffnung des Kaltwandtiegels 9 im Querschnitt zumindest weitgehend ver schließen, so daß weder stückiges Silizium noch die daraus gebildete Schmelze nach unten austreten können. Durch die abstoßende Wirkung des vertikalen Stromflusses in den einzelnen Sektoren des Kaltwandtiegels 9 (siehe Fig. 3) wird die Siliziumschmelze nach oben hin zunehmend von dem Kaltwandtiegel 9 abgestoßen und nimmt in etwa die Form eines Paraboloids 29 ein.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist jetzt für die Absenkung des Kühlkörpers 11 und für die kontinuierliche Erzeugung eines Blockes aus Silizium bereit.

In Fig. 2 befindet sich der aus der Siliziumschmelze gebildete und gerichtet erstarrte Block 30 in seiner Tiefststellung, in der die Oberseite 31 unterhalb der Heizvorrichtung 20 liegt. Nach dem Absenken und Ausschwenken des Ofenunterteils 3 um die Achse A-A der Säule 22 kann der Kühlkörper 11 mit dem Block 30 nach oben angehoben werden, so daß er durch eine hier nicht gezeigte Greifvorrichtung von dem Kühlkörper 11 abgehoben werden kann. Die ursprünglich vorhandene Trennlinie zwischen dem Keimkörper 25 und dem damit verschmolzenen Block 30 ist hier nur noch gestrichelt angedeutet. Es ist etwas idealisiert dargestellt, daß sich die Stengelkristalle bis zur Oberseite 31 fortsetzen, was aber nicht zwingend erforderlich ist, da es im wesentlichen auf einen großen Querschnitt der Stengelkristalle in den aus dem Block gebildeten Siliziumscheiben ankommt.

Aus Fig. 3 geht noch ergänzend hervor, daß der Kaltwandtiegel 9 aus einzelnen Kühlstäben 32 besteht, deren Längsachsen senkrecht verlaufen und die mit ihren unteren Enden den Kühlkörper 11 nach Art von Palisaden umgeben. Es ist auch gezeigt, daß die Induktionsspule 10 aus einzelnen waagrechten Windungen 33 besteht. Die Kühlstäbe 32 bilden eine vertikal geschlitzte Wand 34, die jedoch weder für den Durchtritt des partikelförmigen Siliziums 27 noch für die Schmelze 35 durchlässig ist. Nach dem voll ständigen Aufschmelzen der Schüttung aus partikelförmigem Silizium 27 entsteht die bereits beschriebene paraboloidförmige Hüllfläche 29 für die Schmelze, und diese Schmelze kann nach Maßgabe des Abzugs des Kühl körpers 11 nach unten durch kontinuierlich zuchargiertes Silizium aus der Chargiervorrichtung 5 in gleichem Maße ergänzt werden.

Es bleibt noch zu erwähnen, daß die Bewegungsverhältnisse auch kinematisch umgekehrt werden können, d. h. mittels einer geeigneten und hier nicht dargestellten Hubvorrichtung können auch der Kaltwandtiegel 9, die Induktionsspule 10 und die Heizvorrichtung 20 angehoben werden. Die dargestellte Ausführungsform ist jedoch die einfachere Lösung. Im Kühlkörper 11 befindet sich noch eine Leiteinrichtung 36 für das Kühlmittel, so daß dieses den Weg entsprechend der eingezeichneten Strömungspfeile nehmen kann.

Die Fig. 4 zeigt eine nur sehr schematisch dargestellte Ofenkammer 1, in der ein Vorherd 37 zum Aufschmelzen von stückigem Silizium angeordnet ist, das durch die Chargiervorrichtung 5 zugeführt wird. In dem Vorherd 37 wird eine geschmolzene Charge 38 aus Silizium gehalten. Der Vorherd 37 besitzt einen Überlauf 39 mit einer Unterkante 40, die unmittelbar über dem Innen querschnitt eines bodenlosen Kaltwandtiegels 41 endet, der in diesem Fall auf dem Umfang geschlossen ist und aus einem Hohlkörper 42 aus Kupfer besteht. In diesem Fall ist der Kühlkörper 11 mit dem Keimkörper 25 bis in unmittelbare Nähe der Oberkante 43 des Kaltwandtiegels 41 anhebbar, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Bezüglich des thermischen Zusammenwirkens von Kühlkörper 11 und Keimkörper 25 gelten die bereits weiter oben gemachten Ausführungen.

Zu Beginn der Blockerzeugung wird auf die ebene Oberseite des Keimkörpers 25 eine dünne Schicht 44 von geschmolzenem Silizium über den Überlauf 39 aufgebracht, wobei diese Schicht 44 eine teigige bis feste Konsistenz einnimmt. Dem Vorherd 37, der die Form einer Wanne hat und aus einem wassergekühlten Hohlkörper 45 aus Kupfer besteht, dem Überlauf 39 und dem Kaltwandtiegel 41 ist eine Elektronenstrahlkanone 46 zugeordnet, die an ihrem innerhalb der Ofenkammer 1 liegenden Ende eine Ablenkeinrichtung 47 aufweist, mittels welcher ein Elektronenstrahl oder ein Strahlenbündel in Richtung der Zeichenebene um einen Winkel α ablenkbar ist. Auch senkrecht zur Zeichenebene ist eine Strahlablenkung möglich, so daß mittels eines einzigen Elektronenstrahls oder Strahlenbündels die gesamte Oberfläche der Charge 38, des Überlaufs 39 und der Schmelze im Kaltwandtiegel 41 bestrichen werden kann.

Dies geschieht mittels einer hier nur schematisch angedeuteten Ablenk steuerung 48, durch die der Elektronenstrahl nach einem genau vorgebbaren Flächenmuster in allen Raumkoordinaten und mit entsprechenden Verweil zeiten ablenkbar ist, so daß die Charge 38, der Überlauf 39 und die Schmelze im Kaltwandtiegel 41 mit exakt festlegbaren Energieanteilen beaufschlagt werden können. Diese Verhältnisse sind während des Ablaufs der Blocker zeugung auch durchaus variabel. Einzelheiten einer solchen Ablenksteuerung und der Bauart der Elektronenstrahlkanone 46 sind jedoch - für sich genom men - Stand der Technik, so daß sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt. Die Ablenkfrequenz wird jedoch derart hoch gewählt, daß die Wärmeträgheit der beheizten Medien ausreicht, um eine quasi-stationäre Beheizung an nehmen zu können.

Durch die Elektronenstrahlbeheizung wird zunächst die Schicht 44 wieder aufgeschmolzen und mit der Oberfläche des Keimkörpers 25 verschmolzen, was vorzugsweise bei ausgesetzter Kühlung des Kühlkörpers 11 erfolgt. Danach beginnen die kontinuierliche Chargierung aus dem Vorherd 37 und der Blockabzug bei eingeschalteter Kühlung des Kühlkörpers 11.

Auch bei dem Verfahren und der Vorrichtung nach Fig. 4 gelangt die Sili ziumschmelze nicht in Berührung mit sauerstoffabgebenden Oberflächen. In allen Fällen ist noch darauf zu achten, daß die Innenflächen der Kaltwand tiegel 9 und 41 eine solche Raumform aufweisen, daß der Ausdehnung des Siliziums im Erstarrungspunkt Rechnung getragen wird. Die Erstarrungsfront liegt in der Regel in der Nähe des unteren Endes der Kaltwandtiegel 9 und 41. Diese können jede beliebige Querschnittsform (rund, quadratisch, recht eckig) aufweisen, wie dies auch beim Stande der Technik beschrieben ist.

Claims

1. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block (30) in einem bodenlosen vertikal geschlitzten Kaltwandtiegel (9), der von einer Induktionsspule (10) umgeben ist, mit einem den Block (30) tragenden Stützkörper, der nach Maßgabe weiterer Silizi umzufuhr und der Erstarrungsgeschwindigkeit mit dem bereits erstarrten Teil des Blocks (30) mit einer Relativbewegung von dem Kaltwandtiegel (9) entfernt wird, wobei das Silizium auf eine Tempera tur eingestellt wird, bei der es durch seine elektrische Leitfähigkeit induktiv erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf dem als Kühlkörper (11) ausgebildeten metallischen, hohlen Stützkörper unter flächiger Berührung ein zunächst den Kaltwandtiegel (9) zumindest weitgehend verschließender Keim körper (25) mit einer achsparallelen Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis einkristallin aufgelegt und oberfläch lich durch die Siliziumschmelze angeschmolzen wird,
b) eine vorchargierte Menge an stückigem Silizium zunächst bis zum Erreichen einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit durch Strahlungsbeheizung von oben vorgewärmt wird, und daß man
c) den Kühlkörper (11) während des oberflächlichen Anschmelzens des Keimkörpers (25) zunächst ungekühlt läßt und die Kühlung im wesentlichen zeitgleich mit der Relativbewegung zwischen dem Kühlkörper (11) und dem Kaltwandtiegel (9) einschaltet, wodurch die grobkristalline bis einkristalline Kristallstruktur des Keimkörpers (25) dem im Aufbau befindlichen Block (30) eine achsparallele entsprechende Kristallstruktur aufgezwungen wird, die aus der Gruppe einkristallin bis Stengelkristalle großen Querschnitts und Durchmessers besteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Siliziumschmelze (35) während des Blockaufbaus laufend weiteres stückiges Silizium nachchargiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Keimkörper (25) zunächst im unteren Bereich des Kaltwandtiegels (9) anordnet und diesen über dem Keimkörper (25) zunächst bis zu mindestens 50% des Tiegelvolumens mit dem stückigen Silizium (27) vorchargiert, diese Menge an Silizium (27) im Kaltwandtiegel (9) induktiv aufschmilzt.

4. Verfahren zum gerichteten Erstarren einer Schmelze aus Silizium zu einem Block (30) in einem bodenlosen, auf dem Umfang geschlos senen Kaltwandtiegel (41) mit einem den Block (3) tragenden Stütz körper, der nach Maßgabe weiterer Siliziumzufuhr und der Erstar rungsgeschwindigkeit mit einer Relativbewegung gegenüber dem Kaltwandtiegel (41) abgesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) auf dem als Kühlkörper (11) ausgebildeten metallischen hohlen Stützkörper unter flächiger Berührung ein zunächst den Kalt wandtiegel (41) zumindest weitgehend verschließender Keim körper (25) mit einer achsparallelen Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis einkristallin aufgelegt und oberfläch lich durch die Siliziumschmelze angeschmolzen wird,
b) in einem Vorherd (37) durch Elektronenstrahlbeheizung stückiges Silizium zu einer Siliziumschmelze aufgeschmolzen wird, daß man
c) aus dem Vorherd (37) auf den Keimkörper (25) unter oberfläch lichem Verschmelzen mit dem Keimkörper (25) durch Elektro nenstrahlen Siliziumschmelze aufbringt, und hierbei den Kühl körper (11) zunächst ungekühlt läßt und die Kühlung im wesentlichen zeitgleich mit der Relativbewegung zwischen dem Kühlkörper (11) und dem Kaltwandtiegel (41) einschaltet und nachfolgend
d) den Keimkörper (25) unter laufender Zufuhr von Siliziumschmel ze aus dem Vorherd (37) und Fortsetzung der Beheizung durch Elektronenstrahlen mit einer Relativbewegung gegenüber dem Kaltwandtiegel (41) absenkt, wodurch die grobkristalline bis einkristalline Kristallstruktur des Keimkörpers (25) dem im Auf bau befindlichen Block (30) eine achsparallele entsprechende Kristallstruktur aufgezwungen wird, die aus der Gruppe einkri stallin bis Stengelkristalle großen Querschnitts und Durchmes sers besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Keimkörper (25) und den Kühlkörper (11) zunächst im oberen Bereich des Kaltwandtiegels (41a) anordnet und auf den Keimkörper (25) aus dem Vorherd (37) zunächst eine dünne Schicht (44) aus geschmolzenem Silizium aufgießt und diese Schicht (44) bis zum Anschmelzen mit dem Keimkörper (25) durch Elektronenstrahlen von oben beheizt, und nachfolgend während des Absenkens des Keim körpers (25) weitere Siliziumschmelze aus dem Vorherd (37) in den Kaltwandtiegel (41a) nachchargiert.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den relativen Leistungsanteil der Elektronenstrahlbeheizung während des oberflächlichen Verschmelzens der Schicht (44) mit dem Keimkörper (25) vorübergehend erhöht und anschließend nach Absenkung des Keimkörpers (25) in der Weise steuert, daß der vertikale Temperaturgradient innerhalb des Blocks (30) im Bereich der Phasengrenze flüssig/fest während des gesamten Erstar rungsprozesses im wesentlichen konstant gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß man einen von planparallelen Flächen begrenzten, ge schnittenen Keimkörper (25) verwendet, wobei der mittlere Durch messer der Stengelkristalle (26) innerhalb der gesamten oberen Schnittfläche des Keimkörpers (25) mindestens 10 mm beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Keim körper (25) eine Dicke zwischen 0,3 und 20 mm, vorzugsweise zwi schen 1 und 10 mm aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeich net, daß man zur Kühlung des Kühlkörpers (11) ein gasförmiges Kühlmittel verwendet.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Ofenkammer (1), in der ein bodenloser geschlitzter und von einer Induktionsspule (10) umgebener Kaltwandtiegel (9) für die Erzeugung des gerichtet erstarrten Blocks (30) aus Silizium, eine Einrichtung zum kontinuierlichen vertikalen Blockabzug mittels einer Relativbewegung durch einen den waagrechten Innenquerschnitt des Kaltwandtiegels (9) zumindest im wesentlichen verschließenden Stütz körper mit einer waagrechten oberen Auflagefläche (24) angeordnet sind, die zumindest weitgehend dem Blockquerschnitt entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Stützkörper als metallischer hohler Kühlkörper (11) ausgebildet ist,
b) über dem Kaltwandtiegel (9a) eine Heizvorrichtung (7) für eine Oberflächenbeheizung des Blockmaterials durch Energiestrah lung angeordnet ist,
c) auf den Kühlkörper (11) ein Keimkörper (25) mit einer achspa rallelen Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis ein kristallin aufgelegt ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4 mit einer Ofenkammer (1), in der ein bodenloser, auf dem Umfang geschlossener Kaltwandtiegel (41) für die Erzeugung des gerichtet erstarrten Blocks (30) aus Silizium, eine Einrichtung zum kontinuier lichen vertikalen Blockabzug mittels einer Relativbewegung durch einen den waagrechten Innenquerschnitt des Kaltwandtiegels (41) zumindest im wesentlichen verschließenden Stützkörper mit einer waagrechten oberen Auflagefläche (24) angeordnet sind, die zumin dest weitgehend dem Blockquerschnitt entspricht, und die eine Heiz einrichtung (46) für die Beheizung des Blockmaterials aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Stützkörper als metallischer hohler Kühlkörper (11) ausgebildet ist,
b) auf den Kühlkörper (11) ein planparalleler Keimkörper (25) aus Silizium aufgelegt ist, dessen achsparallele Kristallstruktur aus der Gruppe grobkristallin bis einkristallin ausgewählt ist,
c) in der Ofenkammer (1) ein Vorherd (37) zum Aufschmelzen von stückigem Silizium und zum Halten einer geschmolzenen Char ge (38) an Silizium angeordnet ist,
d) die Heizeinrichtung (46) mindestens eine Elektronenstrahlkano ne (46a) ist,
e) der Vorherd einen Überlauf (39) besitzt, dessen Unterkante (40) über dem Innenquerschnitt des Kaltwandtiegels (41) endet,
f) der Kühlkörper (11) bis in die Nähe der Oberkante (43) des Kaltwandtiegels (41) anhebbar ist, und daß
g) die mindestens eine Elektronenstrahlkanone (46a) dem Vorherd (37) und dem Kaltwandtiegel (41a) für die Beheizung des Silizi ums im Vorherd (37) und im Kaltwandtiegel (41a) zugeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die min destens eine Elektronenstrahlkanone (46) mit einer Ablenksteuerung (48) für den Elektronenstrahl ausgestattet ist, durch die nach einem Flächenverteilungsmuster mit entsprechenden relativen Verweilzeiten eine quasi-gleichzeitige anteilige Beheizung des Siliziums im Vorherd (37), im Überlauf (39) und im Kaltwandtiegel (41a) durchführbar ist.