DE19855061A1

DE19855061A1 - Schmelzofen zum Schmelzen von Silizium

Info

Publication number: DE19855061A1
Application number: DE1998155061
Authority: DE
Inventors: Guenter Radel; Franz Hugo; Bernd Sitzmann; Erich Zuckerstaetter
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1998-11-28
Filing date: 1998-11-28
Publication date: 2000-05-31
Anticipated expiration: 2018-11-29
Also published as: DE19855061B4

Abstract

Ein Schmelzofen zum Schmelzen von Silizium in einem Tiegel (2) hat unterhalb des Tiegels (2) eine Bodenheizung (7). Zur Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels (2) ist entweder die Bodenheizung (7) wegbewegbar oder aber zwischen der Bodenheizung (7) und dem Tiegel (2) eine Kühlplatte (12) bewegbar angeordnet. Hierzu ist die Kühlplatte (7) auf einem Schieber (11) angeordnet, der aus einer seitlichen Position heraus über die Bodenheizung (7) geschoben werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen mit einem Tiegel zum Schmelzen von Silizium, welcher seitliche Heizer und eine Deckenheizung hat und der von einer Wärmeisolation umgeben ist und Mittel zur vorübergehenden Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels über seinen Boden aufweist.

Schmelzöfen der vorstehenden Art werden derzeit dazu ein gesetzt, um polykristalline Siliziumblöcke zur Herstel lung von Siliziumwafer für Solaranlagen zu erzeugen. Mit ihnen wird das Silizium in einem Tiegel aus Quarz ge schmolzen. Danach kühlt man zur Erzeugung eines axialen Kristallwachstums den Tiegel von unten her definiert ab. Hierzu entfernt man lediglich die Wärmeisolation des Schmelzofens an seiner Unterseite, so dass der Boden des Tiegels nach unten hin Wärme abstrahlen kann. Das Erfor dernis der Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels über seinen Boden während der Erstarrung der Schmelze führt dazu, dass unterhalb dieses Bodens keine Heizung vorgese hen werden kann, obgleich dass zur Erhöhung der Schmelz leistung des Schmelzofens wünschenswert wäre. Eine Leis tungserhöhung des Schmelzofens durch Erhöhung der Leis tung der Deckenheizung und der seitlichen Heizungen ist in der Praxis nur beschränkt möglich, weil die Temperatur der Heizungen nicht so hoch sein darf, dass der aus Quarz bestehende Tiegel Schaden nimmt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Schmelz ofen der eingangs genannten Art so zu gestalten, dass er in der Lage ist, Silizium möglichst rasch einzuschmelzen, ohne dass die axial gerichtete Erstarrung vom Boden des Tiegels her beeinträchtigt wird.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unterhalb des Tiegels eine Bodenheizung vorgesehen ist und dass zur Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels die Bodenheizung mit der dortigen Wärmeisolation wegbewegbar oder zwischen der Bodenheizung und dem Tiegel eine Kühl platte bewegbar angeordnet ist.

Heizungen für solche Tiegel werden meist als Graphit platte ausgebildet, so dass bei nicht aktivierter Heizung ein Wärmefluss vom Tiegel durch die Heizung erschwert wird. Da gemäß der Erfindung beim Erstarren der Schmelze entweder die Bodenheizung mit der dortigen Isolation weg bewegt oder zwischen ihr und dem Tiegel eine Kühlplatte bewegt wird, kommt es beim Erstarren der Schmelze trotz der die Leistung des Schmelzofens wesentlich erhöhenden Bodenheizung zu einem ausreichend großen Wärmeverlust in Axialrichtung, so dass die gewünschte gerichtete Erstar rung eintritt. Durch die Erfindung wird deshalb eine Leistungserhöhung des Schmelzofens ohne Nachteile beim Kristallwachstum während des Erstarrens möglich. Bei Ver wendung einer Kühlplatte erreicht man eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Quer schnitt des Bodens des Tiegels.

Eine konstruktiv sehr einfache Ausführungsform besteht darin, dass die Kühlplatte in einem geradlinig über die Bodenheizung bewegbaren Schieber vorgesehen ist.

Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Kühl platte um eine vertikale Achse über die Bodenheizung schwenkbar ausgebildet ist.

Die Bodenheizung und die Kühlplatte können beide mit ge ringem Abstand zum Boden des Schmelztiegels angeordnet sein, wenn die Bodenheizung und die Kühlplatte hinterein ander auf einem um die vertikale Achse drehbaren Schwenk teil angeordnet sind.

Da die Kühlplatte durch einen Schlitz der Wärmeisolation des Schmelzofens in diesen hinein und aus diesem heraus bewegt werden muss, besteht die Notwendigkeit, den Schlitz durch eine Wärmeisolation zu verschließen, wenn die Kühlplatte in den Schmelzofen eingefahren oder aus ihm herausgefahren ist. Das lässt sich besonders einfach verwirklichen, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung die Kühlplatte an ihrer in Bewegungsrichtung vorderen und hinteren Seite einen den Schlitz in der Wär meisolation ausfüllenden Wärmeisolationsstreifen hat.

Während des Ankeimens soll die Abkühlung der Schmelze zu nächst relativ langsam erfolgen. Das lässt sich optimal erreichen, wenn die Wärmeisolation des Tiegels unterhalb der Bodenheizung dünnwandiger ist als in den übrigen Be reichen.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt stark schematisch in

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Schmelzofen nach der Erfindung,

Fig. 2 ein für eine zweite Ausführungsform des Schwenkofens vorgesehenes Schwenkteil.

Der in Fig. 1 dargestellte Schmelzofen hat in einem gas dichten Behälter 1 einen Tiegel 2, der aus einer Stützko kille 3 aus Graphit und einer inneren Kokille 4 aus Sili ziumdioxid besteht. Der Tiegel 2 ist allseitig von einer Wärmeisolation 5 umgeben und dient zum Einschmelzen von Silizium, welches aus einem Vorratsbehälter 10 in den Tiegel 2 eingefüllt werden kann.

Zur Beheizung des Tiegels 2 dienen eine Deckenheizung 6, eine Bodenheizung 7 und weitere Heizer 8, 9 an den Seiten des Tiegels 2, wobei es sich in allen Fällen um Graphit platten handeln kann, welche zum Heizen elektrisch be stromt werden. Wie die Zeichnung erkennen lässt, ist die Wärmeisolation 5 unterhalb der Bodenheizung 7 dünner aus geführt als im übrigen Bereich. Dadurch kann man errei chen, dass die Abkühlung der Schmelze bei ausgeschalteter Bodenheizung 7 in Axialrichtung schneller erfolgt als in Radialrichtung.

Zum Erreichen einer gerichteten Erstarrung könnte man nach dem Einschmelzen des Siliziums die Bodenheizung 7 mit dem sich unter ihr befindlichen Bereich der Wärmeiso lation 5 entfernen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsform ist jedoch die Bodenheizung 7 fest eingebaut. Oberhalb der Bodenheizung 7 ist ein Schieber 11 mit einer Kühlplatte 12 angeordnet, der sich in der gezeigten Stel lung seitlich neben dem Tiegel 2 befindet. Zu beiden Sei ten der Kühlplatte 12 ist auf dem Schieber 11 ein Wärme isolationsstreifen 13, 14 angeordnet. In der dargestell-. ten Stellung greift der Wärmeisolationsstreifen 13 in ei nen Schlitz 15 der Wärmeisolation 5 und verschließt die sen dadurch. Fährt man den Schieber 11 mittels eines Schieberantriebs 16 über die Bodenheizung 7, dann gelangt der Wärmeisolationsstreifen 14 in den Schlitz 15.

Die Fig. 2 zeigt ein in etwa sektorförmiges Schwenkteil 17, welches um eine vertikale Achse 18 schwenkbar ange ordnet ist. Auf diesem Schwenkteil 17 sind hintereinander die Bodenheizung 7 und die Kühlplatte 12 angeordnet. Nicht dargestellt sind die Versorgungsleitungen für die elektrische Energie der Bodenheizung 7 und für das Kühl wasser der Kühlplatte 12. Das Schwenkteil 17 wird an stelle des Schiebers 11 derart neben dem Tiegel 2 ange ordnet, dass sich wahlweise die Bodenheizung 7 oder die Kühlplatte 12 unter den Tiegel 2 schwenken lassen, wobei die beiden hierzu erforderlichen Schlitze in der Wärme isolation des Tiegels wiederum durch Wärmeisolations streifen 19, 20 zu beiden Seiten der Kühlplatte 12 und der Bodenheizung 7 dazu dienen, die Schlitze zu ver schließen.

Bezugszeichenliste

1

Behälter

2

Tiegel

3

Stützkokille

4

Kokille

5

Wärmeisolation

6

Deckenheizung

7

Bodenheizung

8

Heizer

9

Heizer

10

Vorratsbehälter

11

Schieber

12

Kühlplatte

13

Wärmeisolationsstreifen

14

Wärmeisolationsstreifen

15

Schlitz

16

Schieberantrieb

17

Schwenkteil

18

Achse

19

Wärmeisolationsstreifen

20

Wärmeisolationsstreifen

Claims

1. Schmelzofen mit einem Tiegel zum Schmelzen von Sili zium, welcher seitliche Heizer und eine Deckenheizung hat und der von einer Wärmeisolation umgeben ist und Mittel zur vorübergehenden Erhöhung des Wärmeverlustes des Tie gels über seinen Boden aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des Tiegels (2) eine Bodenheizung (7) vor gesehen ist und dass zur Erhöhung des Wärmeverlustes des Tiegels (2) die Bodenheizung (7) mit der dortigen Wärme isolation (5) wegbewegbar oder zwischen der Bodenheizung (7) und dem Tiegel (2) eine Kühlplatte (12) bewegbar ist.

2. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (12) in einem geradlinig über die Bo denheizung (7) bewegbarer Schieber (11) vorgesehen ist.

3. Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (12) um eine vertikale Achse (18) über die Bodenheizung (7) schwenkbar ausgebildet ist.

4. Schmelzofen nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenheizung (7) und die Kühlplatte (12) hintereinander auf einem um die vertikale Achse (18) drehbaren Schwenkteil (17) ange ordnet sind.

5. Schmelzofen nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (12) an ihrer in Bewegungsrichtung vorderen und hinteren Seite einen den Schlitz (15) in der Wärmeisolation (5) ausfül lenden Wärmeisolationsstreifen (13, 14; 19, 20) hat.

6. Schmelzofen nach zumindest einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeisolation (5) des Tiegels (2) unterhalb der Bodenheizung (7) dünn wandiger ist als in den übrigen Bereichen.