WO2011076157A1 - Verfahren und anordnung zur beeinflussung der schmelzkonvektion bei der herstellung eines festkörpers aus einer elektrisch leitfähigen schmelze - Google Patents

Verfahren und anordnung zur beeinflussung der schmelzkonvektion bei der herstellung eines festkörpers aus einer elektrisch leitfähigen schmelze Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Beeinflussung der Schmelzkonvektion, die in einem Schmelzvolumen (7) bei der Herstellung eines Festkörpers durch Erstarrung aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze auftritt. Bei dem Verfahren werden mittels Magnetfeld erzeugender Einrichtungen (6) äußere zeitlich veränderliche Magnetfelder an das Schmelzvolumen (7) angelegt, die eine Verteilung von Lorentzkräften in dem Schmelzvolumen (7) erzeugen. Die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen (6) werden so angesteuert, dass die Verteilung der Lorentzkräfte um die zentrale Achse (8) des Schmelzvolumens (7), die senkrecht zu einer Phasengrenze zwischen dem Festkörper und der Schmelze verlauft, asymmetrisch ist. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung lassen sich im Vergleich zu symmetrischen Verteilungen höhere Strömungsgeschwindigkeiten und damit eine verbesserte Durchmischung sowie ein homogeneres Temperaturprofil im Bereich der Phasengrenze erreichen.

Description

Verfahren und Anordnung zur Beeinflussung der Schmelzkonvektion bei der Herstellung eines Festkörpers aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Beeinflussung der Schmelzkonvektion, die in einem Schmelzvolumen bei der
Herstellung eines Festkörpers durch Erstarrung aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze auftritt, bei denen mittels Magnetfeld erzeugender Einrichtungen äußere zeitlich veränderliche Magnetfelder an das
Schmelzvolumen angelegt werden, die Lorent zkräfte auf die Schmelze ausüben. Sowohl bei der Herstellung von Halbleitern und anderen Kristallmaterialien aus einer Schmelze als auch bspw. beim Erstarren von metallischen Legierungen werden die Eigenschaften der Kristalle oder Legierungen maßgeblich von den Wärme- und Stofftransportprozessen in der flüssigen Phase bestimmt. So wird für die
Züchtung von Kristallen während der Kristallisation ein Temperaturfeld angestrebt, welches senkrecht zur
Erstarrungsrichtung möglichst gleichmäßig ist. Dadurch treten in der Nähe der Phasengrenze fest-flüssig keine starken Temperaturgradienten- senkrecht zur Erstarrungsrichtung und keine lokalen Temperaturinhomogenitäten auf, die zu thermischen Verspannungen und zur Bildung von Kristalldefekten führen können und sich z. B. in Form von Versetzungen schädlich auf die Anwendungen der Kristallmaterialien auswirken können. Weiterhin beeinflusst die Strömung in der Schmelze die Form der Erstarrungsfront sowie den Einbau und die Verteilung von Fremdatomen oder Partikeln im Festkörper. Hierdurch werden die strukturellen, mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften des Festkörpers,
insbesondere der Kristalle und Legierungen, bestimmt.
Aufgrund ungleichmäßiger Strömungsbedingungen in der Nähe der Phasengrenze kann es lokal, bspw. im
Bereich von sog. Totwasserzonen, zu einem Aufstau von Fremdatomen vor der Phasengrenze kommen. Dadurch entstehen im Festkörper lokale Inhomogenitäten in der Fremdstoffkonzentration, die sich nachteilig auf die Materialqualität auswirken. So kann z. B. eine
Anreicherung von Legierungselementen beim Erstarren von Legierungen die Liquidustemperatur lokal herabsetzen, was sich im erstarrten Festkörper durch ein lokal verändertes Gefüge bemerkbar macht ( Frecklebildung ) . Durch eine erzwungene Strömungsbewegung in der Schmelze kann dieser Aufstau verhindert und die Bildung lokaler Inhomogenitäten im Festkörper vermieden werden. Der Aufstau von Fremdatomen in der Schmelze kann auch so groß werden, dass die Löslichkeitsgrenze für den
Fremdstoff in der Schmelze überschritten wird und sich Fremdphasen bilden. Diese Fremdphasen werden dann im Festkörper eingebaut. Speziell im Falle von Silizium für Photovoltaik-Anwendungen führen diese Fremdphasen in Form von SiC- oder Si3N4-Ausscheidungen zu erheblichen Ausbeute- und Qualitätseinbußen und müssen deshalb minimiert werden. Durch eine starke Rührwirkung in der Schmelze ist dies grundsätzlich möglich. In einem weiteren Fall können bereits beim
Aufschmelzen in der Schmelze Fremdphasen in Form von Partikeln vorliegen. Je nach Größe und Dichte der
Partikel sowie in Abhängigkeit von der Strömungs- Intensität können diese Partikel durch Sedimentation auf den Boden der Schmelze absinken oder auf der
Schmelzoberfläche aufschwimmen. Das Aufschwimmen kann genutzt werden, um diese Partikel auf chemischem Wege über die Gasatmosphäre oder mechanisch aus der Schmelze zu entfernen, und damit die Schmelze effektiv aufzu- reinigen. Vorraussetzung für das Aufschwimmen ist eine hohe Strömungsintensität, so dass auch große und schwere Partikel auftreiben können. Dies wird in der Metallurgie zum Aufreinigen von metallischen Schmelzen, bspw. von Stahl oder auch von metallurgischem Silizium, genutzt .
Es gibt somit mehrere Anwendungsgebiete vor allem in den Bereichen Metallurgie und Kristallzüchtung, in denen bei der Herstellung von Festkörpern durch
Erstarren aus einer Schmelze die Konvektionsbedingungen in der Schmelze für eine gute Durchmischung und gute Rührwirkung kontrolliert werden müssen. Dies ist insbesondere bei großen Schmelzvolumina sehr wichtig, wie sie bei der Aufreinigung und Erstarrung von
Silizium für die Photovoltaik vorliegen. Speziell in diesem Anwendungsfall ist es aufgrund der Reinheitsanforderungen schwierig, mechanische Rührer direkt in der Schmelze einzusetzen. Auch die Realisierung einer Rotationsbewegung des Schmelzbehälters zur Erzeugung einer erzwungenen Konvektion ist aufgrund der großen Massen anlagentechnisch nur mit erheblichem Aufwand umzusetzen . Es besteht daher ein Bedarf an Verfahren und
Anordnungen, mit denen auf einfachem Wege berührungslos in einer elektrisch leitfähigen Schmelze eine kontrol- lierte Strömung erzeugt werden kann.
Stand der Technik
Für die berührungslose Erzeugung einer kontrol- Herten Strömungsbewegung ist es sowohl in der
Metallurgie als auch auf dem Gebiet der Kristallzüchtung bekannt, Magnetfelder einzusetzen. Hierbei werden in der Regel mittels Elektromagneten entweder statische oder zeitabhängige Magnetfelder erzeugt, die auf eine elektrisch leitfähige Schmelze Lorentzkräfte ausüben. Die Lorentzkraftverteilung in der Schmelze wechselwirkt mit der natürlichen Schmelzströmung, die durch Auftriebs- oder Oberflächenspannungseffekte hervorgerufen wird. Auf diese Weise werden neue
Strömungsstrukturen erzeugt, die den Erstarrungsprozess positiv beeinflussen sollen. Während statische Magnetfelder die Strömung im allgemeinen dämpfen, können zeitabhängige Magnetfelder eine Strömung erzwingen und dadurch eine Rührwirkung hervorrufen.
Beim sog. Czochralski-Verfahren (Cz) zur Herstellung von Siliziumkristallen werden Anordnungen mit alternierendem, wanderndem oder rotierendem Magnetfeld eingesetzt, um die Strömung der Schmelze in einem rotationssymmetrischen Tiegel in der gewünschten Art und Weise zu beeinflussen. Bei bekannten Anwendungen sind die Spulen zur Erzeugung der Magnetfelder so angeordnet, dass ein in Bezug zur Rotationsachse des Tiegels symmetrisches Magnetfeld erzeugt wird. Die Rotationsachse stellt hierbei die zentrale Achse des Schmelzvolumens bzw. Tiegels dar, die parallel zur Erstarrungsrichtung bzw. senkrecht zur Phasengrenze zwischen Schmelze und Festkörper verläuft. Außerdem wird häufig zusätzlich eine mechanische Rotation des wachsenden Kristalls und des Tiegels in gegenläufiger oder gleicher Richtung durchgeführt. Dies führt vor allem zu einer radialen Homogenisierung der Fremdstoff- konzentration sowie der Temperaturverteilung an der Phasengrenze .
Zur Erzeugung der magnetischen Wechselfelder werden Induktoren eingesetzt, die außerhalb oder innerhalb des Ofens zur Aufheizung der Schmelze
angeordnet sein können. Der Ofen ist in der Regel von einem geschlossenen Kessel umgeben, um die erforderliche Gasatmosphäre über der Schmelze einzustellen. Allerdings befinden sich zwischen den Induktoren und der Schmelze weitere elektrisch leitfähige Anlagenkomponenten, insbesondere die elektrisch leitfähigen Heizer oder die Kesselwand im Falle einer Anordnung der Induktoren außerhalb des Ofens, die eine Schwächung der magnetischen Flussdichte bewirken. Um dieses Problem der unnötigen Abschwächung des Magnetfeldes durch
Anlagenkomponenten zu lösen, ist es bspw. aus der EP 1 849 892 AI bekannt, mit Wechselstrom betriebene Heizmodule, sog. Magnetheizer, einzusetzen, bei denen das durch diese Heizer erzeugte magnetische Wechselfeld gezielt zur Strömungsbeeinflussung ausgenutzt wird. Die Magnetheizer sind dabei so angeordnet, dass sie ein Magnetfeld und damit eine Lorentzkraftverteilung in der Schmelze erzeugen, die symmetrisch zur zentralen Achse des Schmelzvolumens ist. Dabei sind mehrere Magnetheizer um das Schmelzvolumen herum angeordnet, die mit oder ohne Phasenverschiebung mit einem Wechselstrom beaufschlagt werden, um durch ein zeitlich veränder- liches Magnetfeld eine Rührwirkung in der Schmelze hervorzurufen. Der Wechselstrom durch die Magnetheizer kann mit einem Gleichstrom überlagert werden, um die Schmelztemperatur während der Prozessierung unabhängig von der Schmelzkonvektion kontrollieren zu können. Eine derartige Anordnung ist auch aus der DE 103 49 339 AI bekannt .
Durch eine symmetrische Anordnung der Magnetheizer bzgl. der zentralen Achse des Schmelzvolumens entsteht eine entsprechend symmetrische Lorentzkraftverteilung in der Schmelze, die eine Strömungsstruktur mit
mehreren Wirbeln zur Folge hat. Damit wird eine Rührwirkung in der Schmelze erzielt. Allerdings zeigen Simulationsergebnisse, dass die Effizienz der Rührwirkung des Magnetfeldes vermindert ist und dadurch keine hohen Strömungsintensitäten auftreten. Weiterhin bilden sich im Bereich der zentralen Achse nahe der Phasengrenze Gebiete mit minimaler Strömungsgeschwindigkeit heraus, in denen es mangels Durchmischung zur Anreicherung von Fremdstoffen kommen kann.
Die DE 102 59 588 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Einkristalls aus Silizium, bei dem durch eine nicht rotationssymmetrische Schmelzen- Strömung eine verringerte Durchbiegung der Phasengrenze, eine Homogenisierung des radialen Verlaufs der axialen Temperaturgradienten und eine Verringerung der radialen Konzentrationsgradienten für Sauerstoff erreicht werden kann. Hierzu wird die Rotationssymmetrie eines auf die Schmelze wirkenden Magnetfeldes durch zusätzliche metallische Abschirmungen gebrochen. In einer weiteren Ausgestaltung wird der Kristall bzgl. der Rotationsachse der Kristallzüchtungsanlage
außeraxial gezogen, um dadurch eine Abweichung der Rotationssymmetrie der Schmelzenströmung in Bezug auf den Kristall zu erreichen. Eine gleichzeitige Tiegel- und Kristallrotation führt zu einem Ausgleich der resultierenden thermischen Inhomogenitäten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Beeinflussung der Schmel zkonvektion bei der Herstellung eines Festkörpers durch Erstarrung aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze anzugeben, mit denen eine hohe Strömungsintensität bzw. Strömungsgeschwindigkeit und eine Strömungsstruktur in der Nähe der Phasengrenze zwischen dem Festkörper und der Schmelze erzeugt werden kann, die den Fremdstoff- und Fremdphaseneinbau in den Festkörper positiv beeinflusst. Weiterhin sollen das Verfahren und die Anordnung ermöglichen, ein möglichst homogenes Temperaturfeld senkrecht zur Erstarrungsbzw. Wachstumsrichtung zu gewährleisten, das
vernachlässigbare lokale Temperaturinhomogenitäten aufweist .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der
Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Beein- flussung oder Steuerung der Schmelzkonvektion, die in einem Schmelzvolumen bei der Herstellung eines
Festkörpers durch Erstarrung aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze auftritt, werden mittels
Magnetfeld erzeugender Einrichtungen äußere zeitlich veränderliche Magnetfelder an das Schmelzvolumen angelegt, die eine Verteilung von Lorentzkräften in dem Schmelzvolumen erzeugen. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeld
erzeugenden Einrichtungen so angesteuert werden, dass die Verteilung der Lorent zkräfte um eine zentrale Achse des Schmelzvolumens, die zumindest annähernd senkrecht zu einer Phasengrenze zwischen dem Festkörper und der Schmelze, d.h. parallel zur Erstarrungsrichtung des Festkörpers, verläuft, oder das daraus resultierende Strömungsmuster asymmetrisch ist.
Aufgrund dieser asymmetrischen Verteilung der Lorent zkräfte tritt in unmittelbarer Nähe der
Phasengrenze, d.h. in einem Abstandsbereich von etwa 0,1 mm bis etwa 1 cm zur Phasengrenze, in der Schmelze kein lokales Strömungsminimum auf der zentralen Achse auf. Die zentrale Achse verläuft dabei durch den geometrischen Schwerpunkt der Phasengrenze bzw. des Querschnitts des Schmelzbehältnisses parallel zur
Phasengrenze. Die asymmetrische Verteilung der
Lorent zkräfte betrifft hierbei Betrag und/oder Richtung dieser Kräfte. Weiterhin reduziert sich durch eine asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte die Anzahl der Strömungsrollen in der Schmelze, wodurch eine höhere mittlere Strömungsgeschwindigkeit vor allem in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze auftritt. Dadurch werden ebenfalls eine bessere Durchmischung an der Phasengrenze und eine gleichmäßigere Verteilung von Fremdatomen erreicht. Dies führt zu einer Minimierung der Fremdstoffanreicherung im Bereich der Phasengrenze und damit zu einem kontrollierten Fremdstoffeinbau sowie zur Unterdrückung der Bildung von Ausscheidungen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen so angesteuert, dass sich die asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte um die zentrale Achse mit der Zeit verändert, vorzugsweise um die zentrale Achse dreht. Dies kann kontinuierlich oder stufenweise erfolgen.
Durch diese Veränderung, bspw. Verschiebung oder
Drehung, werden eventuelle Bereiche minimaler
Strömungsgeschwindigkeit, sog. Totwasserzonen, örtlich verschoben. Im zeitlichen Mittel führt dies zum
Auflösen derartiger Totwasserzonen und gleichzeitig zu einem im zeitlichen Mittel homogeneren Temperaturfeld senkrecht zur Erstarrungs- oder Wachstumsrichtung in der Nähe der Phasengrenze zwischen Festkörper und
Schmelze. Eine Drehung der erzeugten Lorentzkraft- verteilung erfolgt dabei vorzugsweise in Stufen durch Umschalten der Stromzufuhr zwischen den Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen. Die Zeit zwischen einzelnen Umschaltvorgängen wird dabei in Abhängigkeit von der Wachstumsgeschwindigkeit des Festkörpers geeignet gewählt. Hier können bspw. Zeiten zwischen den
einzelnen Umschaltvorgängen gewählt werden, die zwischen 10 s und 10 min liegen oder auch bis zu 30 min, bis zu 1 h oder länger betragen können.
Vorteilhaft ist hierbei bereits der Einsatz einer um die zentrale Achse asymmetrischen Anordnung der
Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen, durch die ggf. in Verbindung mit einer entsprechend asymmetrischen
Ansteuerung die gewünschte asymmetrische . Lorentzkraft- verteilung in der Schmelze hervorgerufen wird. Durch die asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte um die zentrale Achse wird eine bessere Rührwirkung erzeugt und kann gleichzeitig eine senkrecht zur Wachstumsrichtung zeitlich gemittelte homogene Temperaturverteilung erreicht werden, durch die sowohl der
Fremdstoff- und Fremdphaseneinbau in den Festkörpern als auch die strukturellen Eigenschaften des Materials positiv beeinflusst werden.
Der bevorzugte Einsatz von Magnetheizern als
Magnetfeld erzeugende Einrichtungen bietet den Vorteil, dass die Erzeugung des Magnetfeldes gleichzeitig mit der Heizwirkung zur Aufrechterhaltung einer erforderlichen Temperatur der Schmelze erfolgen kann. Die
Magnetheizer werden dabei vorzugsweise mit einem
Gleichstromanteil zur Erzeugung einer Heizwirkung und einem dem Gleichstromanteil überlagerten Wechselstromanteil zur Erzeugung der Magnetfelder betrieben.
Dadurch lässt sich die Heizleistung unabhängig von der Erzeugung der Magnetfelder steuern.
Die Schmelze befindet sich in der Regel in einem Tiegel, der eine beliebige Form aufweisen kann,
insbesondere jedoch einen kreisförmigen oder recht- - li
eckigen Querschnitt aufweist. Die Einrichtungen zur Erzeugung der Magnetfelder, in der Regel elektrische Leiter oder Spulen bzw. die oben genannten Magnetheizer, können dabei seitlich, d.h. um den Tiegel bzw. die zentrale Achse herum, oder auch oberhalb und/oder unterhalb des Tiegels angeordnet sein. Im Falle von Magnetheizern wird hierbei auch von Seiten-, Deckenoder Bodenheizern gesprochen. Die Einrichtungen zur Erzeugung der Magnetfelder sind vorzugsweise in einzelne unabhängig voneinander elektronisch ansteuerbare Segmente aufgeteilt. Mit diesen Einrichtungen kann gezielt ein magnetisches Wanderfeld mit einer senkrecht zur Wachstumsrichtung asymmetrischen Lorent zkraftverteilung in der Schmelze erzeugt werden. Im Vergleich zur Rührwirkung, die durch eine um die zentrale Achse symmetrische Lorentzkraft- verteilung hervorgerufen wird, werden bei asymmetrischer Lorent zkraftverteilung bei gleicher
Stromstärke durch die Einrichtungen zur Erzeugung der
Magnetfelder deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze erreicht.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Beeinflussung bzw. Steuerung der Schmelzkonvektion umfasst mehrere
Magnetfeld erzeugende Einrichtungen, die um ein Volumen zur Aufnahme eines Behältnisses für eine Schmelze oder um ein derartiges Behältnis angeordnet und mit einer elektrischen Steuereinrichtung zur Ansteuerung der einzelnen Einrichtungen verbunden sind. Die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen können dabei um die zentrale Achse symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein. Die Steuereinrichtung weist ein Steuerprogramm auf, mit dem die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen so
angesteuert werden, dass eine asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte um eine zentrale Achse des Schmelz¬ volumens erhalten wird. Vorzugsweise ist die
Steuereinrichtung bzw. deren Steuerprogramm derart ausgebildet, dass die Ansteuerung der Magnetfeld erzeugenden Einsrichtungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt. Vorzugsweise sind die Magnetfeld erzeugenden
Einrichtungen hierbei als Magnetheizer bzw. Induktoren ausgebildet, wobei vorzugsweise in Wachstumsrichtung jeweils mindestens drei unabhängig voneinander
ansteuerbare Magnetheizer angeordnet sind, die
phasenverschoben über die Steuereinrichtung angesteuert werden. Selbstverständlich lässt sich die asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte bzw. das asymmetrische Strömungsmuster auch mit einer Anordnung aus nur einem oder zwei Magnetheizern erzeugen.
Bei einer Anordnung, bei der alle Magnetheizer mit Gleichstrom und mit überlagertem Wechselstrom versorgt werden, kann durch geeignete Ansteuerung erreicht werden, dass nur ein Teil der Magnetheizer magnetisch aktiv ist, d. h. eine Wechselstromamplitude größer als 0 hat. Die magnetisch aktiven Magnetheizer werden dabei durch die Steuereinrichtung vorzugsweise periodisch umgeschaltet, so dass sich die Lorent zkraftverteilung und das Strömungsmuster periodisch ändern.
Das Verfahren und die vorgeschlagene Anordnung bewirken auch höhere Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe der Phasengrenze, so dass Fremdphasen und Partikel in der Schmelze leichter Aufschwimmen können und so zum Aufreinigen von metallischen und Halbleiterschmelzen effektiver entfernt werden können. Die höheren
Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze in der Nähe der Erstarrungsfront haben außerdem zur Folge, dass im Fall der dendritischen Erstarrung von metallischen Legierungen leichter Fragmentierung, d. h. abbrechende Dendritenarme, auftreten kann, und sich somit ein feinkörnigeres Gefüge in der Legierung ausbildet. Dies ist für die mechanischen Eigenschaften des Festkörpers von Vorteil.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Anordnung lassen sich in unterschiedlichen Gebieten einsetzen. Ein Beispiel ist die gerichtete
Erstarrung von Halbleiterkristallen aus der Schmelze in Tiegeln, speziell die Erzeugung von multikristallinem und monokristallinem Silizium für die Photovoltaik. Ein weiteres Beispiel ist die gerichtete Erstarrung von Verbindungshalbleitern, Halogenid-, Fluorid- oder Oxid- haltigen Kristallen. Weiterhin lassen sich mit dem Verfahren und der Vorrichtung Kristallmaterialien aus metallischen Lösungen herstellen, z. B. Nitrid-Halbleiter aus Gallium-haltigen Lösungsmitteln. Das
Verfahren und die Anordnung sind auch geeignet zur
Verwendung bei der Erstarrung von Gläsern in Tiegeln oder Wannen, von metallischen Legierungen in Tiegeln oder bei der Konfektionierung (Durchmischung,
Homogenisierung, Reinigung) von elektrisch leitfähigen Schmelzen. Die Tiegel oder Schmelzbehältnisse können bei allen Anwendungen beliebige, speziell aber
quadratische, rechteckige oder rotationssymmetrische Grundflächen aufweisen Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die vorge- schlagene Anordnung werden nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der
Strömungsverhältnisse bei einer
symmetrischen Lorent zkraft erteilung gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung von
Magnetheizern zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
Fig. 3 mehrere weitere Beispiele für Anordnungen von Magnetheizern zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
Fig. 4 verschiedene Beispiele zur Ansteuerung der Magnetheizer der Figur 2; und
Fig. 5 ein Simulationsbeispiel zur
Veranschaulichung symmetrischer und asymmetrischer Lorent z kraftverteilung bzw. Strömungsmuster für eine Konfiguration mit seitlich übereinander angeordneten Magnetfeld erzeugenden
Segmenten .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei der Herstellung von Festkörpern durch Erstarrung aus der Schmelze, insbesondere bei der Herstellung von Kristallen oder Legierungen, besteht ein Ziel darin, den Festkörper mit möglichst homogener und minimaler Fremdstoffkonzentration im für die Verwertung relevanten Bereich (in der Regel der gesamte Bereich mit Ausnahme der Randbereiche) zu erzeugen, um homogen verteilte elektrische Eigenschaften zu erreichen.
Hierzu wird beim vorgeschlagenen Verfahren die
Schmelzströmung gezielt beeinflusst bzw. gesteuert. Primär ausschlaggebend für die Qualität des hergestellten Festkörpers sind die Strömungs- und Temperatur- gegebenheiten in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze, da hier die Segregationsprozesse stattfinden und diese von der lokalen Fremdstoffkonzentration sowie der lokalen Temperatur abhängen. Die Schmelzströmung wird zum Teil durch die Temperaturbedingungen in der
Schmelze beeinflusst. Durch das Anlegen von Magnetfeldern beeinflusst die Lorentzkraft die Schmelzströmungsstruktur. Durch die von den Magnetfeldern ausgeübten Lorentzkräfte kommt es zur Ausbildung einer geordneten Strömungsstruktur, die sich im Auftreten von einer oder mehreren Strömungsrollen im Schmelzvolumen zeigt. Von besonderer Bedeutung ist die Strömungsstruktur in direkter bzw. unmittelbarer Nähe der
Phasengrenze, da die Bedingungen, insbesondere
Durchmischung, Konzentrationsprofile und Temperatur- Verteilung, hier besonders großen Einfluss auf den wachsenden Festkörper haben.
Die Strömungsstruktur kann in einem zweidimensionalen Schnitt in einer Ebene parallel und in unmittelbarer Nähe zur Phasengrenze (x-y-Ebene)
betrachtet werden. Hierbei ist zu beachten, dass die Phasengrenze in der Praxis häufig gewölbt oder gekrümmt ist, z.T. mit mehreren lokalen Krümmungen, so dass in strengem Sinne keine Ebene sondern eine entsprechend gekrümmte Fläche betrachtet werden muss. Anhand dieser Ebene bzw. Fläche lassen sich folgende geometrische Elemente zur Beschreibung der Symmetrie definieren. Zum einen die zentrale Achse, die durch die geometrische Mitte (Mittelpunkt) bzw. den geometrischen Schwerpunkt dieser Ebene innerhalb des Schmelzvolumens, d. h. in der Regel des Schmelztiegels, und parallel zur
Wachstumsrichtung bzw. Erstarrungsrichtung, d. h.
senkrecht zu dieser Ebene, verläuft. Zum anderen lassen sich in dieser Ebene Linien definieren, die diesen Mittelpunkt kreuzen. Figur 1 zeigt in der linken
Teilabbildung die Schnittebene A durch das Schmelzvolumen und den Mittelpunkt 1 sowie Mittellinien 2 in dieser Ebene innerhalb des Schmelztiegels 3. Der
Schwerpunkt 1 bzw. die zentrale Achse 8 können als Bezugspunkt für die Ebene bzw. als Bezugsachse für das Schmelzvolumen dienen, um die Symmetrieeigenschaften des Strömungsmusters der Schmelze zu beschreiben. Den Mittelpunkt 1 kreuzende Linien bzw. die zentrale Achse enthaltende Ebenen können zur Achsen- bzw. Ebenenspiegelung dienen.
Bei Verfahren des Standes der Technik zur Beein- flussung der Schmelzkonvektion treten bei symmetrischer Anordnung der Magnetheizer symmetrische Temperaturverteilungen auf. Die symmetrische Anordnung der
Magnetheizer führt zu einer ebenfalls symmetrischen Struktur der Schmelzströmung aufgrund des natürlichen Auftriebes in Form von Konvektionsrollen . Die
Symmetrieachsen bzw. -Ebenen verlaufen dabei durch das Zentrum der Phasengrenze, d. h. durch die zentrale Achse. Da in diesem Bereich Strömungsrollen 4 mit entgegengesetzter Strömungsrichtung aufeinander
treffen, bilden sich im Bereich des Zentrums der
Phasengrenze Gebiete mit minimaler Strömungsgeschwin¬ digkeit heraus, d. h. es kommt zur Ausbildung einer sog. Totwasserzone 5. Dies ist in der zweidimensionalen Darstellung der linken Teilabbildung der Figur 1 angedeutet, in der die Richtung der Strömungsrollen 4 mit Pfeilen dargestellt ist. In diesen Totwasserzonen 5 kann es mangels Durchmischung zur Anreicherung von Fremdstoffen kommen, was sich negativ auf die Qualität der erzeugten Festkörper auswirkt. Die rechte
Teilabbildung der Figur 1 stellt eine Ansicht der
Schnittebene B durch das Schmelzvolumen dar, in der die sich im Schmelztiegel 3 ausbildenden Strömungsrollen 4 besser erkennbar sind.
Zur Vermeidung dieser Problematik wird bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren ein Konvektionsmuster erzeugt, bei dem die oben genannte Symmetrie bezüglich der zentralen Achse bewusst vermieden wird. Durch die gewählte Asymmetrie wird auch eine Rotationssymmetrie um die zentrale Achse beseitigt, indem die Magnetfelder und somit die durch die Magnetfelder ausgeübten
Lorent zkräfte unsymmetrisch bezogen auf die zentrale Achse gewählt werden. Entscheidend ist bereits, dass die Lorent zkraftverteilung nicht symmetrisch um die zentrale Achse ausgeprägt ist. Spiegelebenen dürfen weiterhin existieren, sofern im Zentrum bzw. in
unmittelbarer Zentrumsnähe der Ebene parallel zur
Phasengrenze keine Totwasserzone, d.h. keine lokales Minimum der Strömungsgeschwindigkeit, existiert. Das Verschwinden dieser Symmetrie hat zur Folge, dass bei erzwungener Drehung der erzeugten Lorent zkraft- Verteilung um die zentrale Achse eventuell an anderer Stelle noch vorhandene Totwasserzonen örtlich
verschoben werden, da diese nicht mehr im Bereich des Mittelpunktes bzw. der zentralen Achse liegen. Zeitlich gemittelt können damit Totwasserzonen auch in
Zentrumsnähe eliminiert werden, wodurch die lokale Anreicherung von Fremdstoffen in diesem Gebiet
minimiert wird. Die zeitliche Änderung der Lorentz- kraftVerteilung kann mit einer vergleichsweise großen Zeitkonstante erfolgen, die in der Größenordnung von Sekunden, Minuten oder Stunden liegt. Zu einem
Zeitpunkt eventuell existierende Totwasserzonen (außer im ohnehin ausschussbehafteten Randbereich) werden durch die zeitliche Änderung der Hauptströmungsstruktur durch geeignete Änderung der äußeren Magnetfelder so verschoben, dass sie zeitlich gemittelt verschwinden. Dadurch resultiert zeitlich gemittelt wiederum eine gleichmäßige Temperatur- und Strömungsverteilung mit Strömungsgeschwindigkeitsminima nur am Rand des
Schmelzvolumens, was zu einer vergleichsweise ebenen
Phasengrenze und einer minimalen Fremdstoffanreicherung im ausbeuterelevanten Zentrum des Festkörpers führt. Weiterhin führt die vorgeschlagene asymmetrische
Lorent zkraftverteilung aufgrund einer geringeren Anzahl von Strömungswirbeln zu einer Erhöhung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze, so dass dadurch ebenfalls eine bessere Durchmischung erreicht wird. Bei den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden
Magnetheizer bzw. Induktoren zur Erzeugung der Magnetfelder eingesetzt. Ein Grundgedanke bei der Realisierung der vorgeschlagenen Anordnung besteht darin, nicht wie bisher einen die Schmelze umgebenden Induktor einzusetzen, sondern einzelne unabhängig voneinander elektronisch ansteuerbare Segmente. Die einzelnen
Segmente stellen hierbei eigenständige Induktoren dar und werden bzgl. der zentralen Achse des Schmelzvolumens asymmetrisch angeordnet oder entsprechend asymmetrisch angesteuert, um die gewünschte Lorentz- kraftverteilung in der Schmelze zu erzeugen. Die
Magnetheizer bzw. Induktoren werden dabei mit
Wechselstrom betrieben, dem auch ein Gleichstrom zur unabhängigen Steuerung der Temperatur überlagert sein kann .
In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt eine zeitlich veränderliche Ansteuerung der Segmente, bspw. durch Umschalten zwischen unterschiedlichen Segmenten in Umfangsrichtung des Schmelzvolumens bzw. der
zentralen Achse. Dadurch wird eine zeitliche Veränderung der Lorentzkraftverteilung erreicht. Die
Frequenz des Umschaltens der Segmente wird dabei so gewählt, dass sich nach jedem Umschaltvorgang die
Strömungsstruktur ändert und im zeitlichen Mittel ein homogenes Temperaturfeld senkrecht zur Wachstumsrichtung in unmittelbarer Nähe der Phasengrenze
erhalten wird.
Figur 2 zeigt ein erstes Beispiel für eine
mögliche Ausgestaltung und Anordnung der Magnetheizer 6, die hier seitlich um ein Schmelzvolumen 7 angeordnet sind. Grundsätzlich können beliebige Querschnittsflächen der Magnetheizer und des Schmelzvolumens genutzt werden. Die Magnetheizer können bspw. eine quadratische, rechteckige oder runde Querschnittsfläche aufweisen, insbesondere auch als plattenförmige
Heizelemente ausgebildet sein, wie sie in der Figur 2 zu erkennen sind. In Figur 2 ist beispielhaft eine rechteckige
Anordnung der Magnetheizer 6 bei einer rechteckigen Grundfläche des Schmelzvolumens 7 dargestellt. Auf jeder der vier Seiten des Schmelzvolumens 7 sind hierbei drei Segmente bzw. Magnetheizer 6 übereinander angeordnet. Die einzelnen Magnetheizer jeder Seite werden phasenverschoben angesteuert, bspw. mit einem Phasenwinkel von 0°, 60° und 120° des Wechselstromes, wie im unteren Teil der Figur mit den Heizern in perspektivischer Sicht von oben dargestellt. LI, L2 und L3 stellen dabei die Wechselstromphasen dar, wobei das Beispiel eine Verteilung der Stromphasen zeigt, mit dem die angegebenen Phasenwinkel gewährleistet werden. Alle Magnetheizer 6 werden in diesem Beispiel mit Gleichstrom und gleichzeitig überlagertem Wechselstrom betrieben und verfügen über eigene Stromanschlüsse. Der Betrag von Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten bestimmt die Wärmeleistung, während die Wechselstromparameter (Amplitude, Frequenz, Phasenverschiebung) die Lorent zkräfte in der Schmelze bestimmen. Mindestens die Amplitude oder die Phasenverschiebung oder die Frequenz des Wechselstromes sind bei den Magnetheizern 6 jeder Seite unabhängig einstellbar. Durch unterschiedliche Ansteuerung mindestens einer Seite im Vergleich zu den jeweiligen anderen Seiten wird ein asymmetrisches
Magnetfeld bzw. eine asymmetrische Lorent zkraft- verteilung um die zentrale Achse 8 bei gleichzeitiger symmetrischer Beheizung erreicht. So können bspw. die Magnetheizer einer der vier Seiten mit einer geringeren Wechselstrom-Amplitude W (bspw. W=0) angesteuert werden als die Magnetheizer der anderen Seiten. Durch
Umschalten dieser Ansteuerung kann dann eine Drehung der damit erzeugten Lorent zkraftverteilung um die zentrale Achse 8 erreicht werden. Unter Umschaltung wird hierbei ein Wechsel der Seiten bei der Ansteuerung verstanden, bspw. zyklischer Wechsel bezogen auf die zentrale Achse, auf denen die Magnetheizer mit einer geringeren Wechselstrom-Amplitude angesteuert werden.
Figur 3 zeigt in den Teilabbildungen a bis f weitere Beispiele für die Anordnung der Magnetheizer bei der vorgeschlagenen Anordnung bzw. dem vorgeschlagenen Verfahren. So ist in Figur 3a eine Anordnung zu erkennen, die sich von der Anordnung der Figur 2 lediglich durch eine höhere Anzahl von Magnetheizern 6 auf jeder Seite unterscheidet. Auch hier wird die asymmetrische Lorent zkraftverteilung wie bei dem
Beispiel der Figur 2 durch geeignete nicht identische Ansteuerung der einzelnen Seiten dieser Anordnung erreicht .
Figur 3b zeigt eine Anordnung, bei der sich jeweils die oberen Magnetheizer 6 über zwei aneinander- grenzende Seiten erstrecken, während jede Seite einen separaten unteren Magnetheizer 6 aufweist. Auch mit einer derartigen Anordnung kann durch geeignete
Ansteuerung der Magnetheizer ein asymmetrisches
Magnetfeld und somit eine asymmetrische Lorent zkraft- Verteilung bezüglich der zentralen Achse erhalten werden . Figur 3c zeigt eine Anordnung und Ausgestaltung der Magnetheizer, bei der zwei Segmente und ein Teil eines Segmentes bzw. Magnetheizers 6 mäanderförmig ausgebildet sind. Durch die dadurch erhaltene
asymmetrische Anordnung bzw. Ausbildung der Magnetheizer 6 bzgl. der zentralen Achse wird hier auch ohne spezielle asymmetrische Ansteuerung ein asymmetrisches Magnetfeld bzw. eine asymmetrische Lorentzkraft- verteilung bzgl. der zentralen Achse im Schmelzvolumen 7 erreicht.
Figur 3d zeigt eine Ausgestaltung, bei der
übereinander drei umlaufende Magnetheizer 6 vorgesehen sind, die jedoch einen größeren Spalt zwischen den Stromanschlüssen aufweisen. Auch hierdurch wird ein asymmetrisches Magnetfeld bzw. eine asymmetrische
Lorentzkraftverteilung bzgl. der zentralen Achse im Schmelzvolumen 7 erreicht. Auch durch Weglassen
einzelner Segmente bzw. Magnetheizer 6 bei einer
Ausgestaltung wie die der Figur 2a oder 3a kann eine derartige asymmetrische Verteilung ohne speziell asymmetrische Ansteuerung erreicht werden. In
derartigen Fällen kann jedoch die Asymmetrie durch eine zusätzlich asymmetrische Ansteuerung noch erhöht werden.
Selbstverständlich können die gewünschten
asymmetrischen Magnetfelder bzw. Lorentzkraftver- teilungen auch durch Anordnung der Magnetheizer 6 als Boden- oder Deckenheizer erzeugt werden, wie dies durch Figur 3e veranschaulicht ist. Die Heizeranordnung dieses Beispiels weist jeweils sechs parallele Segmente bzw. Magnetheizer 6 oberhalb und unterhalb des Schmelzvolumens auf. Dies ermöglicht die Erzeugung eines magnetischen Wanderfeldes annähernd senkrecht zur Wachstumsrichtung. Durch eine phasenversetzte
Ansteuerung der Magnetheizer 6, bspw. mit 60°
Phasenverschiebung, wird ein magnetisches Wanderfeld zum Rand der Schmelze erzeugt, was zu einer asymmetrischen Lorentzkraftverteilung bzgl. der zentralen Achse in der Schmelze und damit zu einer signifikant höheren Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zu einer symmetrischen Lorent zkraftverteilung führt.
Figur 3f zeigt eine Anordnung, bei der ein oder mehrere Magnetheizer 6 parallel zur Wachstumsrichtung des Festkörpers bzw. zur zentralen Achse verlaufen. Die Asymmetrie wird in diesem Beispiel wie bei dem Beispiel der Figur 2a durch eine unterschiedliche Ansteuerung der einzelnen Seiten erreicht.
Figur 3g zeigt schließlich noch eine Anordnung, bei der das Schmelzvolumen bzw. der Schmelztiegel einen runden Querschnitt aufweist. Die Form der Magnetheizer ist dabei an diesen runden Querschnitt angepasst. Diese Anordnung kann in gleicher Weise betrieben werden wie die Anordnung der Figur 2.
Selbstverständlich stellen die obigen Beispiele keine abschließende Darstellung der möglichen
Anordnungen dar. Die dargestellten Beispiele lassen sich auch nahezu beliebig kombinieren oder variieren.
Die Ansteuerung der Magnetheizer kann bei dem vorliegenden Verfahren grundsätzlich so erfolgen, dass ein Teil der Magnetheizer nur eine Gleichstrom- komponente aufweist, so dass die Leistungsversorgung dadurch vereinfacht wird. Die fehlenden Wechselstrom¬ komponenten bei einzelnen Magnetheizern führen dann zu der Asymmetrie in der Lorentzkraftverteilung. Bei einer Ansteuerung aller Magnetheizer nur mit Wechselstrom, dessen Amplitude in jedem Segment so ausgewählt ist, dass gleichzeitig eine hohe Lorentzkraft und
ausreichende Beheizung gewährleistet ist, wird die asymmetrische Lorentzkraftverteilung durch unter- schiedliche geometrische Formen der Magnetheizer an den unterschiedlichen Seiten erreicht, bspw. wie dies in der Figur 3c dargestellt ist.
Im folgenden Beispiel wird eine Heizeranordnung mit jeweils drei Magnetheizern auf jeder der vier
Seiten betrachtet, wie sie in der Figur 2 dargestellt ist. Die Phasenverschiebung zwischen dem unteren und dem mittleren und zwischen dem mittleren und dem oberen Heizer beträgt jeweils 60°, so dass ein magnetisches Wanderfeld nach oben im Schmelzvolumen entsteht. Bei identischer Ansteuerung aller vier Seiten zur Erzeugung eines Magnetfeldes wird eine symmetrische Lorentzkraftverteilung um die zentrale Achse erzeugt, die in diesem Bereich an der Phasengrenze zu einer unerwünschten Totwasserzone führt. Diese Situation ist in dem
Simulationsbeispiel der Figur 5a (Schnittebenen A und B wie bei Fig. 1) auf der linken Seite zu erkennen, die die Seitenheizer 6 um den Schmelztiegel 3 bzw. das Schmelzvolumen sowie die Lorentzkraftdichten F im
Schmelzvolumen zeigt. Werden lediglich drei oder zwei der Seiten zur Erzeugung eines Magnetfeldes angesteuert, so wird die gewünschte Asymmetrie in der
Lorentzkraftverteilung erreicht (vgl. rechte Seite der Figur 5a) . Fl und F2 stellen dabei die Lorent zkraft- dichten im symmetrischen (Fl) und asymmetrischen Fall (F2) dar, wobei Fl = F2 (maximale Lorent zkraftdichte ist in beiden Fällen gleich) . Numerische Simulationen zeigen hierbei, dass bei einer kleineren Anzahl von magnetisch aktiven Seiten und einer daraus resultierenden weniger symmetrischen Lorent zkraftverteilung das Strömungsmuster in der Schmelze ebenfalls an
Symmetrie verliert und weniger Wirbel bzw. Strömungs- rollen 4 aufweist und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Diese Strömungsmuster sind in den beiden Teilabbildungen der Figur 5b (Schnittebenen A und B wie bei Fig. 1) zu erkennen. Ul und U2 stellen dabei die Strömungsgeschwindigkeiten im symmetrischen (Ul) und asymmetrischen Fall (U2) dar. Außerdem steigt die maximale Strömungsgeschwindigkeit (Ul < U2). Durch Umschaltung der magnetisch aktiven Seiten oder Segmente wird ein unerwünschter Einfluss der Strömung auf die . Form der Phasengrenze reduziert. Dies wird vorzugsweise durch periodisches Umschalten der magnetisch aktiven
Seiten erreicht. Hierbei ergeben sich bei vier Seiten 1 bis 4 jeweils die Zustände Κι+2, 2 + 3 , 3+4, Κ4+ι, Κχ+2 usw., falls jeweils zwei Seiten gleichzeitig betrieben werden. In gleicher Weise lässt sich dies selbstver- ständlich auch mit drei aktiven Seiten durchführen. Das Strömungsmuster ändert sich hierbei im Falle einer Siliziumschmelze in einem quadratischen Tiegel mit einer Kantenlänge von 22 cm innerhalb von etwa 10 bis 20 s nach einem Umschaltvorgang. Eine Umschaltperiode von 500 s (Zeit zwischen zwei Umschaltvorgängen) kann hierbei ausreichend sein, um auf der einen Seite ein zeitlich gemitteltes homogenes Temperaturfeld zu erreichen, auf der anderen Seite aber die Strömungs- geschwindigkeit in jedem Zustand noch ausreichend hoch zu halten, um eine gute Durchmischung zu gewährleisten.
Durch eine Zusammenschaltung von mehreren
Segmenten bzw. Magnetheizern kann erreicht werden, dass die Anzahl von Leistungsversorgungen für die Segmente sowie Stromdurchführungen durch den Anlagenkessel gegebenenfalls reduziert werden (vgl. Figur 4) . Alle Segmente können dabei noch immer eigene Anschlüsse haben, so dass die Schaltung und damit die Lorentz- kraftverteilung ohne Änderung in der Anordnung der Segmente flexibel während des Kristallzüchtungsprozesses geändert werden kann. Figur 4 zeigt verschiedene Beispiele für die
Zusammenschaltung von Segmenten, um die Anzahl der Leitungsversorgungen zu reduzieren. Im Beispiel der Figur 4a werden drei übereinander angeordnete
Seitenheizer aus jeweils vier Segmenten entsprechend der Ausgestaltung der Figur 2 betrachtet. Hierbei werden zwei benachbarte Magnetheizer 6 jeweils in der dargestellten Weise als Reihenschaltung zusammengeschaltet. Damit lässt sich auch hier die gewünschte asymmetrische Lorentzkraftverteilung erzeugen. In der Figur sind auch die Phasenwinkel des Wechselstroms in der Ansteuerung der übereinander liegenden Magnetheizer bzw. zusammengeschalteten Magnetheizer angegeben. LI, L2 und L3 stellen dabei die Wechselstromphasen dar. Figur 4b zeigt ein Beispiel für die Verschaltung eines Deckenheizers aus sechs Segmenten, wobei eine in der Figur angegebene Phasenverschiebung zum Zentrum erfolgt. Jeweils zwei der Magnetheizer bzw. Segmente sind dabei in der dargestellten Weise in Reihe
geschaltet. Figur 4c zeigt ein weiteres Beispiel für die Ansteuerung eines Deckenheizers aus sechs
Segmenten, wobei in diesem Fall die Phasenverschiebung zum Rand erfolgt. Auch hier sind jeweils zwei der
Magnetheizer bzw. Segmente in der dargestellten Weise in Reihe geschaltet. Die Phasenwinkel in jedem Segment sind in der Figur jeweils angegeben. LI, L2 und L3 stellen dabei die Wechselstromphasen dar.
Durch Verwendung von Magnetheizern mit einer asymmetrischen geometrischen Konfiguration und/oder einer asymmetrischen elektrischen Ansteuerung bzgl. der zentralen Achse werden bei gleicher Lorentzkraftdichte, d. h. gleicher Stromstärke und Frequenz und damit gleicher thermischer Leistung des jeweiligen mit
Wechselstrom betriebenen Magnetheizers, deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze erzielt als bei einer entsprechenden symmetrischen Magnetheizer- Konfiguration oder -Ansteuerung.
Die höheren Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze führen zu einer besseren Durchmischung. Bei einer höheren Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar vor der Erstarrungsfront verringert sich die Ausdehnung der Konzentrationsrandschicht und der Aufstau von Fremdatomen und Ausscheidungen wird kleiner. Damit wird die Löslichkeitsgrenze von Fremdatomen während der
Erstarrung oder Kristallisation nicht überschritten und es bilden sich bspw. bei Kristallisation von multikristallinem Silizium keine bzw. weniger störende SiC- oder Si3N4-Ausscheidungen . Gleichzeitig ergibt sich eine stärkere Annäherung an den Grenzfall eines rein konvektiven Transports in der Schmelze. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Einbau von Fremdatomen und
Legierungselementen entlang der Wachstumsrichtung und damit zu homogeneren Materialeigenschaften.
Mit der Verringerung der Anzahl der Strömungswirbel vor der Phasengrenze zwischen Schmelze und
Festkörper existieren weniger Bereiche mit deutlich geringerer Strömungsgeschwindigkeit (Totwasserzonen) , in denen es zu einem Aufstau von Fremdatomen oder
Ausscheidungen kommen kann. Dadurch wird auch ein gleichmäßigerer Einbau der Fremdatome und Legierungselemente senkrecht zur Wachstumsrichtung und damit ebenfalls eine verbesserte Homogenität der Material- eigenschaften erreicht.
Eine asymmetrische Ansteuerung der Magnetheizer in Verbindung mit einem Umschalten einzelner Heizsegmente gewährleitstet , dass die gute Durchmischung in der Schmelze gleichzeitig mit einem im zeitlichen Mittel homogenen Temperaturfeld in der Nähe der Phasengrenze eingestellt werden kann. Dieses homogene Temperaturfeld ist notwendig, wenn eine symmetrische, nahezu ebene oder leicht konvexe Form der Erstarrungsfront oder Kristallisationsfront erzielt und die Bildung von
Kristalldefekten, bspw. in Form von Versetzungen, unterdrückt werden soll, die bspw. für die Anwendung in der Photovoltaik als extrem schädlich angesehen werden. Auch wenn in den vorliegenden Beispielen Magnetheizer zur Erzeugung der Magnetfelder eingesetzt werden, so können das Verfahren und die Anordnung selbstverständlich auch von den Heizelementen getrennte Einrichtungen zur Erzeugung der Magnetfelder aufweisen, bspw. Elektromagnete, die dann wie vorliegend
beschrieben angeordnet sein können und angesteuert werden .
Bezugs zeichenliste
1 Mittelpunkt
2 Mittellinie
3 Schmelztiegel
4 Strömungsrollen
5 Totwasserzone
6 Magnetheizer
7 Schmelzvolumen
8 zentrale Achse
A Schnittebene
B Schnittebene
Ul Strömungsgeschwindigkeit im symmetrischen Fall
U2 Strömungsgeschwindigkeit im asymmetrischen Fall
Fl Lorentzkraftdichte im symmetrischen Fall
F2 Lorent zkraftdichte im asymmetrischen Fall
L1-L3 Wechselstromphasen

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Beeinflussung einer Schmelz- konvektion, die in einem Schmelzvolumen (7) bei der Herstellung eines Festkörpers durch Erstarrung aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze
auftritt, bei dem
- mittels Magnetfeld erzeugender Einrichtungen äußere zeitlich veränderliche Magnetfelder an das Schmelzvolumen (7) angelegt werden, die
Lorent zkräfte auf die Schmelze ausüben,
- wobei die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen so angesteuert werden, dass eine asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte oder ein asymmetrisches Strömungsmuster um eine zentrale Achse (8) des Schmelzvolumens (7), die senkrecht zu einer Phasengrenze zwischen dem Festkörper und der Schmelze verläuft, erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelder zeitlich so gesteuert werden, dass sich die asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte bzw. das asymmetrische Strömungsmuster mit der Zeit verändert.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelder zeitlich so gesteuert werden, dass sich die asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte bzw. das asymmetrische Strömungs- muster mit der Zeit um die zentrale Achse (8) dreht .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass als Magnetfeld erzeugende Einrichtungen mit Wechselstrom betriebene Magnetheizer (6)
eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetheizer (6) mit einem Gleichstromanteil zur Erzeugung einer Heizwirkung und einem dem Gleichstromanteil überlagerten Wechselstromanteil zur Erzeugung der Magnetfelder betrieben werden .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass mit den Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen ein magnetisches Wanderfeld erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass für die asymmetrische Verteilung der
Lorent zkräfte bzw. das asymmetrische Strömungsmuster jeweils ein Teil der Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen, die um das Schmelzvolumen
angeordnet sind, nicht oder mit einer verminderten Amplitude zur Erzeugung von Magnetfeldern
angesteuert wird. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Teil der Magnetfeld erzeugenden
Einrichtungen, der nicht oder mit einer
verminderten Amplitude zur Erzeugung von
Magnetfeldern angesteuert wird, durch Umschalten zwischen den um das Schmelzvolumen angeordneten Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen in zeitlichen Abständen verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Umschalten zwischen den um das Schmelzvolumen angeordneten Magnetfeld erzeugenden
Einrichtungen in zeitlichen Abständen erfolgt, die zwischen von 10 s und 1 h liegen.
Anordnung zur Beeinflussung einer Schmelz- konvektion, die in einem Schmelzvolumen (7) bei der Herstellung eines Festkörpers durch Erstarrung aus einer elektrisch leitfähigen Schmelze
auftritt, bei der
- mehrere Magnetfeld erzeugende Einrichtungen um das Schmelzvolumen (7) angeordnet und mit einer Steuereinrichtung verbunden sind,
- wobei die Steuereinrichtung ein Steuerprogramm aufweist, mit dem die Magnetfeld erzeugenden
Einrichtungen so angesteuert werden, dass eine asymmetrische Verteilung der Lorent zkräfte oder ein asymmetrisches Strömungsmuster um eine
zentrale Achse (8) des Schmelzvolumens (7), die senkrecht zu einer Phasengrenze zwischen dem
Festkörper und der Schmelze verläuft, erhalten wird .
Anordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9 ausgebildet ist .
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen nicht symmetrisch um die zentrale Achse (8) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen nicht symmetrisch bezüglich der zentralen Achse (8) ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen Magnetheizer (6) sind.
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