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DE102008022882A1 - Producing monocrystalline or polycrystalline semiconductor material using a vertical gradient freeze method, involves introducing lumpy semiconductor raw material into a melting crucible, melting there, and directionally solidifying - Google Patents

Producing monocrystalline or polycrystalline semiconductor material using a vertical gradient freeze method, involves introducing lumpy semiconductor raw material into a melting crucible, melting there, and directionally solidifying Download PDF

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DE102008022882A1
DE102008022882A1 DE200810022882 DE102008022882A DE102008022882A1 DE 102008022882 A1 DE102008022882 A1 DE 102008022882A1 DE 200810022882 DE200810022882 DE 200810022882 DE 102008022882 A DE102008022882 A DE 102008022882A DE 102008022882 A1 DE102008022882 A1 DE 102008022882A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
raw material
container
semiconductor
semiconductor raw
crucible
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE200810022882
Other languages
German (de)
Inventor
Matthias Dr. Müller
Uwe Dr. Sahr
Frank-Thomas Dr. Lentes
Frank Dr. Büllesfeld
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
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Priority to EP08171560.9A priority patent/EP2072645B2/en
Priority to TW097148600A priority patent/TW200938664A/en
Priority to AT08171560T priority patent/ATE544884T1/en
Priority to US12/334,646 priority patent/US8101019B2/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Producing monocrystalline or polycrystalline semiconductor material using a vertical gradient freeze method, involves introducing lumpy semiconductor raw material (33) into a melting crucible (38), melting there and directionally solidifying, in which temperature profile is established from the upper end to the base of the crucible, the temperature profile being axially displaced in such a way that the phase boundary separating the liquid phase from the crystallized out material migrates, starting from base of the crucible, gradually toward the upper end of the crucible. Producing a monocrystalline or polycrystalline semiconductor material using a vertical gradient freeze method, involves introducing lumpy semiconductor raw material (33) into a melting crucible (38), melting there and directionally solidifying, in which temperature profile is established from the upper end to the base of the melting crucible, the temperature profile being axially displaced in such a way that the phase boundary separating the liquid phase from the crystallized out material migrates, starting from the base of the melting crucible, gradually toward the upper end of the melting crucible, in which method the semiconductor raw material is melted from the upper end of the melting crucible, so that molten material trickles downward and semiconductor raw material, which has not yet melted gradually slumps in the melting crucible and additional semiconductor raw material is replenished to the melting crucible from above onto a zone of semiconductor raw material which has not yet melted or not completely melted, in order at least partly to compensate for a volumetric shrinkage of the semiconductor raw material.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kristallisieren eines Halbleitermaterials, insbesondere von Silizium. Eine bevorzugte Anwendung betrifft die Herstellung von ein- oder polykristallinem Silizium für Anwendungen in der Photovoltaik.The The invention relates to a method and a device for crystallizing a semiconductor material, in particular of silicon. A preferred Application relates to the production of monocrystalline or polycrystalline Silicon for applications in photovoltaics.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Generell können Solarzellen für die Photovoltaik aus einkristallinem Silizium oder polykristallinem Silizium hergestellt werden. Während hochwertige Solarzellen aus Silizium-Einkristallen hergestellt werden, was technologisch aufwändiger und somit kostspieliger ist, werden preiswertere Solarzellen üblicherweise aus polykristallinem Silizium gefertigt, was weniger aufwändig und somit kostengünstiger ist. Gerade bei der Herstellung von polykristallinem Silizium spielen daher Merkmale, die zu einer Senkung der Kosten und des technologischen Aufwands zur Herstellung führen, eine bedeutende Rolle.As a general rule Solar cells for photovoltaic can be made of single crystal Silicon or polycrystalline silicon are produced. While high-quality solar cells made of silicon single crystals, which is technologically more complex and therefore more expensive, cheaper solar cells are usually made of polycrystalline Made of silicon, which is less expensive and therefore less expensive. Especially in the production of polycrystalline silicon play Therefore, features leading to a reduction in costs and technological Costs for manufacturing lead, a significant role.

Üblicherweise wird ein Schmelztiegel zur Herstellung von Silizium mit stückigem Silizium gefüllt. Beim nachfolgenden Aufschmelzen zu flüssigem Silizium kommt es dabei zu einer erheblichen Volumenschrumpfung, bedingt durch die erheblich voneinander abweichenden Dichten von geschmolzenem Silizium zur vorher vorliegenden Schüttung. Somit kann bei herkömmlichen Verfahren nur ein kleiner Teil des Schmelztiegelvolumens effektiv genutzt werden. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Volumenschrumpfung zu kompensieren.Usually is a crucible for the production of silicon with lumpy Silicon filled. During subsequent melting to liquid Silicon, it comes to a significant volume shrinkage, due to the significantly different densities of molten silicon to previously existing bed. Consequently In conventional methods, only a small part of the Crucible volume can be used effectively. From the state of Technique, various measures are known to reduce the volume to compensate.

US 6,743,293 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium, bei dem auf dem oberen Rand eines Schmelztiegels ein ringförmiger Aufsatz mit korrespondierendem Profil aufgesetzt wird, um insgesamt einen Behälteraufbau mit einem größeren Volumen bereit zu stellen. In den Behälteraufbau wird eine Siliziumschüttung eingebracht. Nach dem Schmelzen des Siliziums füllt die Siliziumschmelze den gesamten Schmelztiegel, nicht jedoch das von dem ringförmigen Aufsatz eingeschlossene Volumen aus. Der Behälteraufbau erfordert jedoch eine Kristallisationsanlage mit größerem Volumen, insbesondere einer größeren Höhe, was aus energetischen Gründen unerwünscht ist. Ferner ist es schwierig, einen geeigneten formstabilen ringförmigen Aufsatz zur Wiederverwendung bereitzustellen. US 6,743,293 B2 discloses a process for the production of polycrystalline silicon in which a ring-shaped attachment with a corresponding profile is placed on the upper edge of a crucible in order to provide an overall container structure with a larger volume. In the container structure, a silicon bed is introduced. After melting the silicon, the silicon melt fills the entire crucible but not the volume trapped by the annular cap. However, the container construction requires a crystallization unit with a larger volume, in particular a greater height, which is undesirable for energetic reasons. Furthermore, it is difficult to provide a suitable dimensionally stable annular top for reuse.

Die Energie zum Aufheizen und Aufschmelzen des Silizium-Rohmaterials wird zum einem über Wärmeleitung und Wärmestrahlung zunächst in den Schmelztiegel eingebracht, um dann über Wärmeleitung und -strahlung an das Schmelzgut weitergegeben zu werden. Zum anderen wird das Schmelzgut auf der Oberseite hauptsächlich über Wärmestrahlung direkt von den Heizern erwärmt. Der Wärmetransport im Inneren des mit dem Schmelzgut gefüllten Schmelztiegels erfolgt ebenfalls über Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Dabei spielen die Materialeigenschaften, Wärmeleitfähigkeit und Extinktion eine wichtige Rolle. Zusätzlich werden die Wärmetransporteigenschaften von den physikalischen Eigenschaften des Rohmaterials bestimmt, da es an den Grenzflächen zu einer Behinderung der Wärmeleitung kommt.The Energy for heating and melting the silicon raw material becomes the one about heat conduction and heat radiation first introduced into the crucible, then over Heat conduction and radiation passed on to the melt to become. On the other hand, the melt on the top is mainly over Heat radiation heated directly from the heaters. The heat transfer inside the filled with the melt Crucible also takes place via heat conduction and heat radiation. The material properties, Thermal conductivity and extinction an important Role. In addition, the heat transfer properties determined by the physical properties of the raw material, as it is at the interfaces to a hindrance of heat conduction comes.

Um möglichst kostengünstig und energieeffizient zu arbeiten, ist es erwünscht, das Volumen des Schmelztiegels möglichst groß zu gestalten, um auch entsprechend große Silizium-Kristalle zu erhalten. Das große Tiegelvolumen geht mit einer längeren Aufschmelzzeit einher, da die in den Tiegel eingebrachte Wärmemenge durch die Größe der für die Absorption der Wärme effektiven Oberfläche des Schmelzgutes begrenzt ist. Eine weitere Begrenzung ergibt sich aus der Begrenzung der Tiegeltemperatur, da die Tiegelmaterialien keinen höheren Temperaturen standhalten und das empfindliche Schmelzgut eine starke Überhitzung über den Schmelzpunkt hinaus nicht unbeschadet ohne eine Kontaktreaktion mit dem Tiegel übersteht.Around as cost effective and energy efficient as possible work, it is desired, the volume of the crucible to make it as big as possible, in accordance with it to get big silicon crystals. The great Crucible volume is associated with a longer melting time, because the amount of heat introduced into the crucible through the Size of the absorption of heat effective surface of the melt is limited. A further limitation results from the limitation of the crucible temperature, since the crucible materials can not withstand higher temperatures and the sensitive melt overheats a strong overheating the melting point not unscathed without a contact reaction with the crucible survives.

Absorbierende Materialien lassen sich über das Einbringen von elektromagnetischen Wechselfeldern erwärmen. Dabei kann durch die geeignete Wahl der Frequenz eine an die Tiegelabmessungen angepasste Eindringtiefe gewählt werden, so dass das Schmelzgut auch im Volumen beheizt werden kann. Bei starker Temperaturabhängigkeit und bei größerer Höhe des Schmelztiegels ist jedoch die elektromagnetische Beheizung auf oberflächennahe Bereiche begrenzt.absorbent Materials can be about the introduction of electromagnetic Heat alternating fields. It can by the appropriate choice the frequency of an adapted to the crucible dimensions penetration depth be chosen so that the melt also in volume can be heated. With strong temperature dependence and at greater height of the crucible However, the electromagnetic heating to near-surface areas limited.

Um ein schnelleres Aufschmelzen des Rohmaterials zu ermöglichen, ist aus dem Stand der Technik das Vorwärmen von Rohmaterial beim Nachchargieren in den Schmelztiegel bekannt.Around to allow a faster melting of the raw material, is the preheating of raw material from the prior art when recharging in the crucible known.

DE 32 17 414 C1 offenbart das Vorwärmen von Glasscherben beim Nachchargieren in eine Schmelzwanne einer Glasschmelzanlage. Hierzu dient ein Plattenwärmetauscher, in dessen Zwischenräume Glasscherben ständig nachgefüllt werden. Während des Betriebs wird die gleiche Menge an Glasscherben in die Zwischenräume zugeführt, die an deren unterem Ende von einem Rüttelförderer abtransportiert Wird. Durch den Plattenwärmetauscher werden die beim Schmelzvorgang anfallenden Abgase mit einer Temperatur von etwa 420°C geführt, wodurch die Glasscherben auf eine Temperatur von ca. 245°C vor erwärmt werden. Eine vertikale Bewegbarkeit des Plattenwärmetauschers verhindert ein Anbacken der Glasscherben sowie eine Brückenbildung in den Zwischenräumen des Plattenwärmetauschers. Der Aufbau ist jedoch insgesamt vergleichsweise aufwändig. DE 32 17 414 C1 discloses the preheating of broken glass when recharging in a melting tank of a glass melting plant. For this purpose, a plate heat exchanger, in the interstices glass shards are constantly refilled. During operation, the same amount of broken glass is fed into the spaces, which is transported away at the lower end of a vibrating conveyor. Through the plate heat exchanger, the exhaust gases obtained during the melting process are conducted at a temperature of about 420 ° C, whereby the glass shards are heated to a temperature of about 245 ° C before. A vertical Be The movability of the plate heat exchanger prevents caking of the broken glass and bridging in the interstices of the plate heat exchanger. The structure is, however, comparatively complex overall.

DE 42 13 481 C1 offenbart einen entsprechenden Plattenwärmetauscher, wobei dem Vorwärmen der Glasscherben ein Trocknungsschritt vorgeschaltet ist. Hierzu wird in einer Trockenzone im Einführbereich des Schmelzguts durch gesonderte Zuführung von heißem Heizgas in bereits abgekühlten Heizgasströmen die Feuchtigkeit im Schmelzgut verdampft. DE 42 13 481 C1 discloses a corresponding plate heat exchanger, wherein the preheating of the broken glass is preceded by a drying step. For this purpose, in a drying zone in the introduction of the melt by separate supply of hot fuel gas in already cooled Heizgasströmen the moisture is evaporated in the melt.

Ein entsprechendes Vorheizen durch Wärmetauscherröhren ist aus dem US-Patent 4,353,726 auch für das Nachchargieren von pulverförmigen Materialien bei der Glasherstellung bekannt.A corresponding preheating by heat exchanger tubes is from the U.S. Patent 4,353,726 Also known for the Nachchargieren of powdery materials in glass production.

Als Alternative zu den obigen Verfahren ist in Kristallisationsanlagen, die nach dem Czochralski-Verfahren arbeiten, ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Nachfüllen von stückigem Rohmaterial bekannt, um die Volumenschrumpfung aufgrund des Schmelzens des Rohmaterials in dem Schmelztiegel zumindest teilweise zu kompensieren.When Alternative to the above methods is in crystallization plants, who work according to the Czochralski method, a continuous or discontinuous refilling of lumpy raw material Known to the volume shrinkage due to the melting of the raw material in the crucible at least partially compensate.

EP 0 315 156 B1 offenbart eine solche Kristallisationsanlage, bei der kristallines Material über ein Zuführungsrohr dem Schmelztiegel zugeführt wird. In dem Zuführungsrohr sind Verlangsamungsmittel in Form von Querschnittsverengungen oder Profilbiegungen vorgesehen, um eine Fallgeschwindigkeit des kristallinen Materials zu verringern. Eine aktive Vorerwärmung des kristallinen Materials ist nicht offenbart. EP 0 315 156 B1 discloses such a crystallizer in which crystalline material is supplied to the crucible via a feed tube. In the feed tube, slowdown means in the form of cross-sectional constrictions or profile bends are provided to reduce a falling rate of the crystalline material. Active preheating of the crystalline material is not disclosed.

EP 1 338 682 A2 offenbart eine Kristallisationsanlage nach dem Czochralski-Verfahren, bei dem kristallines Material über ein geneigtes Rohr in den Schmelztiegel rutscht. JP 01-148780 A offenbart einen entsprechenden Aufbau. Dabei müssen jedoch aufwendige Vorkehrungen getroffen werden, um den Eintrag von kristallinem Rohmaterial in den Schmelztiegel spritzfrei zu ermöglichen. Denn dass Verspritzen der heißen Schmelze in der Kristallisationsanlage führt zur Beschädigung von Komponenten und zu Verunreinigungen, die nur schwer wieder zu entfernen sind. Eine aktive Vorerwärmung des kristallinen Materials ist nicht offenbart. EP 1 338 682 A2 discloses a crystallization plant according to the Czochralski method in which crystalline material slips over an inclined tube into the crucible. JP 01-148780 A discloses a corresponding structure. However, complex precautions must be taken to enable the entry of crystalline raw material into the crucible without spatter. This is because spattering of the hot melt in the crystallization plant causes damage to components and impurities that are difficult to remove. Active preheating of the crystalline material is not disclosed.

US 2004/0226504 A1 offenbart einen aufwendigen Klappenmechanismus, um die Fallgeschwindigkeit des kristallinen Materials beim Einfüllen in den Schmelztiegel geeignet zu reduzieren. US 2006/0060133 A1 offenbart eine Kristallisationsanlage, bei der kristallines Silizium aus einem vertikalen Rohr in den Schmelztiegel hinab fällt. Das untere Ende des Rohrs wird von einem konischen Absperrkörper verschlossen, der dem kristallinen Material eine radiale Bewegungskomponente verleiht. Eine aktive Vorerwärmung des kristallinen Materials ist nicht offenbart. US 2004/0226504 A1 discloses a sophisticated flap mechanism to suitably reduce the falling rate of the crystalline material upon filling in the crucible. US 2006/0060133 A1 discloses a crystallizer in which crystalline silicon falls down a vertical tube into the crucible. The lower end of the tube is closed by a conical stopper, which gives the crystalline material a radial component of motion. Active preheating of the crystalline material is not disclosed.

JP 07-277874 A offenbart das Nachchargieren von flüssigem Silizium bei der Herstellung von einkristallinem Silizium nach dem Czochralski-Verfahren. Zu diesem Zweck wird eine Silizium-Rohmaterialstange unmittelbar oberhalb des Schmelztiegels mit Hilfe eines Schmelzheizers aufgeschmolzen. Das aufgeschmolzene Silizium fließt unmittelbar und kontinuierlich in den Schmelztiegel. JP 07-277874 A discloses the recharging of liquid silicon in the production of single crystal silicon according to the Czochralski method. For this purpose, a silicon raw material rod is melted immediately above the crucible with the aid of a melting heater. The molten silicon flows directly and continuously into the crucible.

JP 2006-188376 A offenbart die Herstellung eines einkristallinen Materials nach dem Czochralski-Verfahren, wobei polykristallines Rohmaterial dadurch nachchargiert wird, dass ein stabförmiges polykristallines Rohmaterial aufgeschmolzen wird. Hierzu wird das stabförmige Rohmaterial in einem Haltekörper gehalten und in eine Rohmaterialschmelze in dem Schmelztiegel eingetaucht. JP 2006-188376 A discloses the production of a single crystal material by the Czochralski method, wherein polycrystalline raw material is recharged by fusing a rod-shaped polycrystalline raw material. For this purpose, the rod-shaped raw material is held in a holding body and immersed in a raw material melt in the crucible.

JP 07-118089 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls nach dem Czochralski-Verfahren, bei dem granulares polykristallines Rohmaterial über ein Zuführrohr in den Schmelztiegel eingebracht wird. Um eine SiO-Bildung beim Nachchargieren zu verhindern, wird auf die Oberfläche der Siliziumschmelze ein reduzierendes Gas (d. h. Wasserstoff oder ein Wasserstoff-Inertgas-Gemisch) geblasen. JP 07-118089 A discloses a method for producing a silicon single crystal by the Czochralski method in which granular polycrystalline raw material is introduced into the crucible via a feed tube. In order to prevent SiO 2 formation during recharging, a reducing gas (ie, hydrogen or a hydrogen-inert gas mixture) is blown onto the surface of the silicon melt.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Trotz erheblicher Anstrengungen im Stand der Technik besteht weiterer Verbesserungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der Erzielung einer kürzeren Aufschmelzzeit. Erfindungsgemäß soll somit ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt werden, womit sich insbesondere bei großen Tiegelvolumen und bevorzugt bei Verwendung des VGF-Verfahrens (Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren) beim Nachchargieren von festem, stückigem Rohmaterial eine kürzere Aufschmelzzeit und gleichmäßigere Erwärmung des Schmelzguts erzielen lässt.In spite of considerable efforts are made in the art Room for improvement, especially with regard to achieving a shorter melting time. According to the invention Thus, a method and an apparatus are provided, which especially with large crucible volume and preferred when using the VGF method (vertical gradient freeze method) when recharging solid, lumpy raw material a shorter one Melting time and more uniform heating of the melt can be achieved.

Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 21 und eine Verwendung nach Anspruch 20 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.These and further objects are according to the present Invention by a method according to claim 1, an apparatus according to claim 21 and a use according to claim 20. Further advantageous embodiments are the subject the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird das zusätzlich einzubringende Halbleiter-Rohmaterial außerhalb des die Schmelze aufnehmenden Behälters durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiter-Rohmaterials erwärmt und anschließend im erwärmten Zustand in den Behälter eingebracht. Erfindungsgemäß können die Temperaturbedingungen in dem Schmelztiegel besser kontrolliert werden. Denn das eingebrachte, beinahe auf die Schmelztemperatur erwärmte Halbleiter-Rohmaterial beeinflusst die Temperaturbedingungen in dem Schmelztiegel nur noch geringfügig. Somit können beliebige Heizverfahren, insbesondere auch der Eintrag von elektromagnetischer Strahlung von oben her auf die Schmelze, verwendet werden. Gleichzeitig kann das einzubringende Halbleiter-Rohmaterial kontrolliert erwärmt werden, was eine präzisere Vorgabe der Prozessparameter weiter verbessert. Erfindungsgemäß kann ein schnelleres Aufschmelzen erreicht werden, wobei es erfindungsgemäß unerheblich ist, ob sich im Schmelztiegel bereits geschmolzenes oder noch ungeschmolzenes Halbleitermaterial befindet oder nicht.According to the invention, the semiconductor raw material to be additionally introduced outside the container receiving the melt is heated by targeted introduction of heat to a temperature below the melting temperature of the semiconductor raw material and then heated in the heated state introduced the container. According to the invention, the temperature conditions in the crucible can be better controlled. Because the introduced, almost heated to the melting temperature semiconductor raw material affects the temperature conditions in the crucible only slightly. Thus, any heating method, in particular the entry of electromagnetic radiation from above onto the melt can be used. At the same time, the semiconductor raw material to be introduced can be heated in a controlled manner, which further improves a more precise predefinition of the process parameters. According to the invention a faster melting can be achieved, wherein it is irrelevant according to the invention whether molten or non-molten semiconductor material is or is not already present in the crucible.

Zweckmäßig erfolgt die Erwärmung des Halbleiter-Rohmaterials während des Transports in den Schmelztiegel, jedoch außerhalb des Schmelztiegels. Bevorzugt wird hierzu das einzubringende Halbleiter-Rohmaterial mittels einer Fördereinrichtung an einer Wärmequelle vorbei bewegt. Durch Variieren der Fördergeschwindigkeit und/oder der Intensität der Erwärmung kann so leicht die Erwärmung des Halbleiter-Rohmaterials kontrolliert werden.expedient the heating of the semiconductor raw material takes place during the transport into the crucible, but outside the Crucible. For this purpose, the semiconductor raw material to be introduced is preferred by means of a conveyor to a heat source moved over. By varying the conveying speed and / or the intensity of the heating can be so easily controls the heating of the semiconductor raw material become.

Geringere Energieverluste ergeben sich dann, wenn der gezielte Wärmeeintrag in das einzubringende Halbleiter-Rohmaterial auf der Innenseite einer Wärmeisolierung des den Schmelztiegel aufnehmenden Schmelzofens erfolgt. Grundsätzlich kann der Wärmeeintrag jedoch auch im Bereich der Wärmeisolierung oder auch auf deren Außenseite erfolgen.lower Energy losses occur when the targeted heat input in the semiconductor raw material to be introduced on the inside of a Thermal insulation of the crucible receiving melting furnace he follows. Basically, however, the heat input also in the field of thermal insulation or on their Outside done.

Bevorzugt erfolgt der Wärmeeintrag durch Einwirken von elektromagnetischer Strahlung. Hierzu wird das einzubringende Rohmaterial geeignet flächig ausgebreitet bzw. verteilt, und zwar zu einer vergleichsweise dünnen Halbleiter-Rohmaterialschicht, deren Dicke eine ausreichende Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht. Zu diesem Zweck kann Wärmestrahlung oder Strahlung einer optischen Strahlungsquelle, insbesondere eines Lasers, oder auch Mikrowellenstrahlung oder hoch- oder mittelfrequente Strahlung auf das einzubringende Halbleiter-Rohmaterial einwirken.Prefers the heat input is effected by the action of electromagnetic Radiation. For this purpose, the raw material to be introduced is suitably flat spread or distributed, and that to a relatively thin Semiconductor raw material layer whose thickness is sufficient action allows the electromagnetic radiation. To this end can heat radiation or radiation of an optical radiation source, in particular a laser, or microwave radiation or high or Medium frequency radiation on the semiconductor raw material to be introduced act.

Zum Transport des Halbleiter-Rohmaterials wird bevorzugt eine Fördereinrichtung verwendet, welche ausgelegt ist, um das feste, stickige Halbleiter-Rohmaterial flächig auszubreiten bzw. zu verteilen. Zu diesem Zweck kann insbesondere ein Rüttelförderer mit einer vorbestimmten Breite verwendet werden, der so ausgelegt ist, dass das Halbleiter-Rohmaterial bevorzugt in einer Einfachlage oder Doppellage flächig ausgebreitet wird.To the Transport of the semiconductor raw material is preferably a conveyor which is designed to be the solid, stuffy semiconductor raw material spread or distribute. To this end In particular, a vibrating conveyor with a predetermined width, which is designed so that the semiconductor raw material preferably in a single layer or double layer is spread flat.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform streicht über das Halbleiter-Rohmaterial während des Transports durch die Fördereinrichtung ein Spülgas gegenläufig zur Förderrichtung, um das erwärmte Halbleiter-Rohmaterial von adsorbiertem H2O und dergleichen zu befreien. Als Spülgas wird bevorzugt ein geeignet erwärmtes inertes Gas, das auch Wasserstoff enthalten kann, verwendet.According to another embodiment, via the semiconductor raw material during transport through the conveyor, a purge gas sweeps counter to the conveyance direction to free the heated semiconductor raw material from adsorbed H 2 O and the like. The purge gas used is preferably a suitably heated inert gas, which may also contain hydrogen.

Ganz besonders bevorzugt wird das Halbleiter-Rohmaterial erfindungsgemäß diskontinuierlich erwärmt und in den Behälter eingebracht, in Abhängigkeit von dem jeweiligen Füllstand in dem Schmelztiegel. Bevorzugt wird der Schmelztiegel solange nachgefüllt, bis die Schmelze sich bis nahe dem oberen Rand des Schmelztiegels erstreckt.All Particularly preferably, the semiconductor raw material is heated discontinuously according to the invention and placed in the container, depending from the respective level in the crucible. Prefers the crucible is refilled until the melt extends to near the top of the crucible.

FigurenübersichtLIST OF FIGURES

Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:following the invention will be described by way of example and with reference are described on the accompanying drawings, from which provide further features, advantages and tasks to be solved become. Show it:

1 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zur Herstellung von ein- oder polykristallinem Silizium gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 in a schematic sectional view of an apparatus for producing mono- or polycrystalline silicon according to a first embodiment of the present invention;

2 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; 2 in a schematic sectional view of an apparatus according to a second embodiment of the invention;

3 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 3 in a schematic sectional view of an apparatus according to a third embodiment of the present invention; and

4 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 in a schematic representation of an apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.

In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.In the figures denote identical reference numerals identical or Substantially equal elements or groups of elements.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten AusführungsbeispielenDetailed description of preferred embodiments

Gemäß der 1 umfasst die Kristallisationsanlage zur Herstellung von ein- oder polykristallinem Silizium einen Schmelztiegel 8, der aus einem Quarztiegel besteht, der eng anliegend in einem Graphittiegel aufgenommen ist, um den bei der Schmelztemperatur des Siliziums erweichten Quarztiegel ausreichend mechanisch abzustützen. Der Quarztiegel reicht bis zum oberen Rand des Graphittiegels, so dass ein direkter Kontakt der Siliziumschmelze bzw. des festen Rohmaterials 5 mit dem Graphit ausgeschlossen ist. Der Tiegel ist ein kommerziell erhältlicher Quarztiegel mit einer Grundfläche von beispielsweise 550 × 550 mm2, 720 × 720 mm2 oder 880 × 880 mm2 und weist eine Innenbeschichtung als Trennschicht zwischen SiO2 des Tiegels und Silizium auf. Oberhalb des Schmelztiegels 8 ist ein Deckenheizer 7a vorgesehen, dessen Grundfläche größer oder gleich der Grundfläche des Schmelztiegels 8 ist. An den Seitenflächen des Schmelztiegels 8 sind mehrere flächige Heizelemente 7b unter geringem Abstand zu den Seitenflächen des Schmelztiegels 8 angeordnet. Dabei ist der Abstand zwischen den Heizelementen des Mantelheizers 7b und den Seitenwänden des Schmelztiegels 8 konstant über den gesamten Umfang des Tiegels.According to the 1 For example, the crystallization plant for producing monocrystalline or polycrystalline silicon comprises a crucible 8th which consists of a quartz crucible which is tightly received in a graphite crucible to sufficiently mechanically support the quartz crucible softened at the melting temperature of the silicon. The quartz crucible extends to the upper edge of the graphite crucible, so that a direct contact of the silicon melt or the solid raw material 5 is excluded with the graphite. The crucible is a commercially available Quark crucible with a footprint of, for example, 550 × 550 mm 2 , 720 × 720 mm 2 or 880 × 880 mm 2 and has an inner coating as a separating layer between SiO 2 of the crucible and silicon. Above the crucible 8th is a ceiling heater 7a provided whose base area is greater than or equal to the base of the crucible 8th is. At the side surfaces of the crucible 8th are several flat heating elements 7b at a small distance to the side surfaces of the crucible 8th arranged. Here is the distance between the heating elements of the jacket heater 7b and the side walls of the crucible 8th constant over the entire circumference of the crucible.

Unterhalb des Schmelztiegels 8 ist eine Kühlplatte 9 angeordnet, die von einem Kühlmittel durchströmt wird. Zwischen dem Schmelztiegel 8 und der Kühlplatte 9 ist eine Tiegelaufstellplatte angeordnet (nicht gezeigt). Bei dem VGF-Kristallisationsverfahren sind alle Heizer 7a, 7b temperaturgeregelt. Dazu werden die Oberflächentemperaturen der Heizer 7a, 7b durch Thermoelemente oder Pyrometer an geeigneter Stelle erfasst und in eine Steuerungseinheit eingegeben, die die an den Heizern 7a, 7b anliegende Spannung geeignet steuert bzw. regelt. Genauer gesagt wird bei dem VGF-Verfahren mit feststehendem Tiegel ein axialer Temperaturgradient aufgebaut. Das Temperaturprofil wird durch Variation der Heizertemperaturen so verschoben, dass die Phasengrenze, welche die flüssige Phase von dem auskristallisierten Silizium trennt, beginnend vom Boden des Tiegels allmählich zum oberen Rand des Tiegels hin wandert. Dies führt zu einer gerichteten, säulenartigen Erstarrung des flüssigen Siliziums zu polykristallinem Silizium. Die Temperaturregelung erfolgt dabei so, dass in dem Schmelztiegel 8 möglichst ebene Isothermen ausgebildet sind.Below the crucible 8th is a cooling plate 9 arranged, which is flowed through by a coolant. Between the crucible 8th and the cooling plate 9 a crucible mounting plate is arranged (not shown). In the VGF crystallization process, all are heaters 7a . 7b temperature-controlled. For this purpose, the surface temperatures of the heaters 7a . 7b detected by thermocouples or pyrometers at a suitable location and entered into a control unit, which is connected to the heaters 7a . 7b applied voltage controls or regulates suitable. More specifically, in the fixed crucible VGF method, an axial temperature gradient is established. The temperature profile is shifted by varying the heater temperatures so that the phase boundary separating the liquid phase from the crystallized silicon gradually migrates from the bottom of the crucible to the top of the crucible. This leads to a directed, columnar solidification of the liquid silicon to polycrystalline silicon. The temperature control is carried out so that in the crucible 8th as even as possible isotherms are formed.

Dabei kann der Mantelheizer 7b ausgelegt sein, um einen Temperaturgradienten vom oberen Rand zum unteren Rand des Schmelztiegels 8 aufzubauen. Zu diesem Zweck können die Heizelemente auch in zwei oder mehrere vertikal übereinander angeordnete Segmente unterteilt sein, die eine vom oberen Rand zum unteren Ende des Schmelztiegels hin abnehmende Heizleistung aufweisen. Die auf gleichen Höhenniveau angeordneten Segmente führen zur Ausbildung von ebenen, horizontalen Isothermen und somit zur Ausbildung einer ebenen, horizontalen Phasengrenze.Here, the coat heater 7b be designed to a temperature gradient from the top to the bottom of the crucible 8th build. For this purpose, the heating elements can also be subdivided into two or more segments arranged vertically one above the other, which have a heating power decreasing from the upper edge to the lower end of the crucible. The arranged at the same height level segments lead to the formation of planar, horizontal isotherms and thus to form a flat, horizontal phase boundary.

Der Schmelztiegel weist bevorzugt einen vieleckigen Querschnitt auf, insbesondere einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt. Auf diese Weise kann der Verschnitt zur Herstellung der üblicherweise vieleckigen, insbesondere rechteckförmigen oder quadratischen, Solarzellen für die Photovoltaik minimiert werden.Of the Crucible preferably has a polygonal cross-section, in particular a rectangular or square Cross-section. In this way, the waste for the production of the usual polygonal, in particular rectangular or square, Solar cells for photovoltaics are minimized.

Die gesamte Kristallisationsanlage ist von einer bevorzugt druckfesten oder gasdichten Umhüllung (nicht gezeigt) umgeben, so dass im Inneren eine inerte oder reduzierende Schutzgasatmosphäre aufgebaut werden kann.The entire crystallization plant is of a preferably pressure-resistant or gas-tight envelope (not shown) surrounded, so that built inside an inert or reducing inert gas atmosphere can be.

Gemäß der 1 ragt eine Fördereinrichtung 2 durch die Wärmeisolierung 6 hindurch in den Innenraum des Schmelzofens hinein, um nachzufüllendes festes, stückiges Rohmaterial 3 vom unteren Ende des Vorrats- und Dosierbehälters 1 in den Schmelztiegel 8 zu fördern. Erfindungsgemäß wird das feste, stückige Rohmaterial 3 während des Transports durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Rohmaterials erwärmt. Das erwärmte Rohmaterial fällt dann vom vorderen Ende der Fördereinrichtung 2 der Schwerkraft folgend in den Schmelztiegel 8 herab.According to the 1 protrudes a conveyor 2 through the thermal insulation 6 through into the interior of the furnace into refillable solid, lumpy raw material 3 from the bottom of the storage and dosing tank 1 in the crucible 8th to promote. According to the invention, the solid, lumpy raw material 3 heated during transport by targeted heat input to a temperature below the melting temperature of the raw material. The heated raw material then falls from the front end of the conveyor 2 following gravity into the crucible 8th down.

Gemäß der 1 dient zur Erwärmung ein Rohrofen, welcher von im Bereich der Wärmeisolierung 6 angeordneten Heizelementen 4 ausgebildet ist und die Fördereinrichtung 2 abschnittsweise umgibt. Die Fördereinrichtung selbst ist als Rüttelrinne 2 in bekannter Weise ausgebildet und beispielsweise aus CFC oder Siliziumcarbid (SiC) gefertigt. Die Rüttelrinne 2 breitet gleichzeitig das einzubringende Rohmaterial flächig aus, so dass der Wärmeeintrag im Bereich des Rohrofens 4 in das bereits flächig ausgebreitete Rohmaterial erfolgen kann. Dabei wird das Rohmaterial bevorzugt als Einfach- oder Doppellage flächig ausgebreitet gefördert, wobei die Dicke der Einfach- oder Doppellage bevorzugt kleiner als die Eindringtiefe von elektromagnetischer Strahlung in das einzubringende Rohmaterial ist. Gemäß der 1 streicht über das auf der Rüttelrinne 2 transportierte feste, stückige Rohmaterial ein Spülgas 13 im Gegenstrom, und zwar nachgeordnet der Erwärmungseinrichtung 4, um das vorgewärmte Rohmaterial von adsorbiertem H2O und weiteren Restgasen zu befreien.According to the 1 is used for heating a tube furnace, which is used in the field of thermal insulation 6 arranged heating elements 4 is formed and the conveyor 2 surrounds in sections. The conveyor itself is called Rüttelrinne 2 formed in a known manner and made for example of CFC or silicon carbide (SiC). The vibrating trough 2 at the same time spreads the raw material to be introduced flat, so that the heat input in the area of the tube furnace 4 can be done in the already extensively spread raw material. In this case, the raw material is preferably conveyed flat as a single or double layer, wherein the thickness of the single or double layer is preferably smaller than the penetration depth of electromagnetic radiation into the raw material to be introduced. According to the 1 sweeps over the on the vibrating trough 2 transported solid, lumpy raw material a purge gas 13 in countercurrent, and that downstream of the heating device 4 to free the preheated raw material from adsorbed H 2 O and other residual gases.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 erfolgt der Wärmeeintrag durch Bestrahlung mit einem CO2-Laserstrahl 10, der über ein Fenster 11 und eine Strahlführung in die Fördereinrichtung 2 eingekoppelt wird. Eine geeignete Abbildungsoptik sorgt für eine geeignete Aufweitung bzw. Abbildung des Laserstrahls auf das auf der Fördereinrichtung 2 flächig ausgebreitete Rohmaterial. Die Fördereinrichtung 2 ist als Rüttelrinne ausgebildet.In the embodiment according to the 2 the heat input takes place by irradiation with a CO 2 laser beam 10 that's over a window 11 and a beam guide in the conveyor 2 is coupled. A suitable imaging optics provides for a suitable expansion or imaging of the laser beam onto that on the conveyor 2 flat spread raw material. The conveyor 2 is designed as Rüttelrinne.

Bei der Ausführungsform gemäß der 3 erfolgt die Wärmeeintragung durch Mikrowellenstrahlung, die von einem Magnetron 12 über einen Wellenleiter 11 in das von der Fördereinrichtung 2 geförderte Rohmaterial eingekoppelt wird.In the embodiment according to the 3 Heat is transferred by microwave radiation from a magnetron 12 over a waveguide 11 in the from the conveyor 2 subsidized raw material is coupled.

Bei einer Variante der vierten Ausführungsform, wie in der 4 gezeigt, kann der Abstand zwischen dem Zentrum des Schmelztiegels 8 und dem vorderen Ende der Fördereinrichtung 2 durch waagerechte Verschiebung der Fördereinrichtung 2 beim Einbringen des Rohmaterials verkürzt werden. Auf diese Weise werden Spritzer und mechanische Beschädigungen einer Innenbeschichtung des Schmelztiegels 8 wirkungsvoll verhindert. Gemäß der 4 erfolgt der Wärmeeintrag zur Vorerwärmung des zusätzlich eingebrachten Rohmaterials über den Deckenheizer.In a variant of the fourth embodiment form, as in the 4 shown, the distance between the center of the crucible 8th and the front end of the conveyor 2 by horizontal displacement of the conveyor 2 be shortened when introducing the raw material. In this way, splashes and mechanical damage of an inner coating of the crucible 8th effectively prevented. According to the 4 the heat input for preheating the additionally introduced raw material via the ceiling heater.

Durch die Führung des Spülgases 13 im Gegenstrom zu dem nachzufüllenden Rohstoff, die auch optional an- und wieder abgeschaltet werden kann, kann bei geringem Förderstrom bzw. maximalen Heizleistungen zeitlich partiell auf die Zusatzheizung verzichtet werden.By guiding the purge gas 13 in countercurrent to the raw material to be replenished, which can also be optionally switched on and off again, the auxiliary heating can be partially dispensed with at a low flow rate or maximum heat output.

Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, können bei der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage auch beliebige andere Fördereinrichtungen verwendet werden, die ausreichend temperaturstabil sind und füllfähiges Rohmaterial in den Schmelztiegel befördern können. Bevorzugt werden dabei Materialien mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, das Silizium nicht verunreinigt, beispielsweise Siliziumnitrid (Si3N4) oder das bereits genannte CFC oder SiC.As will be readily apparent to one skilled in the art, any other conveyor means which are sufficiently temperature stable and capable of conveying fillable raw material into the crucible may be used in the crystallization unit of the present invention. Preference is given to materials with low electrical conductivity, the silicon is not contaminated, such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the already mentioned CFC or SiC.

Nachfolgend wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.following is the operation of the crystallization plant according to the invention on the basis of preferred embodiments closer to be discribed.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Mit Hilfe eines Temperatursensors wird die Oberflächentemperatur der Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel kontinuierlich erfasst. So kann festgestellt werden, dass und wann die Schmelztemperatur von Silizium erreicht ist. Je nach Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels sackt die Silizium-Schüttung mehr oder minder rasch zusammen. Die Silizium-Schüttung schmilzt dabei von der Oberfläche her. Eine vorbestimmte Zeitdauer nach Erreichen der Schmelztemperatur von Silizium wird mit Hilfe der Fördereinrichtung zusätzliches Silizium-Rohmaterial in den Schmelztiegel eingebracht. Die Förderrate wird dabei geeignet in Abhängigkeit von der tatsächlichen Heizleistung eingestellt. Die tatsächlich in den Schmelztiegel eingebrachte Menge an Silizium-Rohmaterial wird mit Hilfe des Sensors erfasst. Die Silizium-Schüttung sackt kontinuierlich in dem Schmelztiegel zusammen. Der Eintrag des zusätzlichen Silizium-Rohmaterials kann kontinuierlich oder in vorbestimmten Zeitabständen und Dosierungsmengen erfolgen, jeweils entsprechend der tatsächlichen Heizleistung. Das zusätzliche Silizium-Rohmaterial ist durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur wenig unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium erwärmt, sodass die Schmelze in dem Schmelztiegel nur geringfügig abkühlt und rasch wieder auf die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur gebracht werden kann.With Help of a temperature sensor becomes the surface temperature the silicon bed in the crucible continuously detected. Thus, it can be determined that and when the melting temperature of silicon is reached. Depending on the heating power for heating the crucible The silicon packing collapses more or less quickly. The Silicon fill melts from the surface ago. A predetermined period of time after reaching the melting temperature of silicon becomes additional with the aid of the conveyor Silicon raw material introduced into the crucible. The delivery rate is suitable depending on the actual Heating power set. The actually in the crucible introduced amount of silicon raw material is using the sensor detected. The silicon bed sank continuously the crucible together. The entry of the additional Silicon raw material can be continuous or in predetermined Time intervals and dosage amounts take place, in each case according to the actual heating power. The additional silicon raw material is by selective heat input to a temperature little heated below the melting temperature of silicon, so the melt in the crucible only slightly cools and quickly back to the intended operating temperature can be brought.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Mit Hilfe eines Temperatursensors wird die Oberflächentemperatur der Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel kontinuierlich erfasst. Eine zentrale Steuereinrichtung hat zuvor erfasst, welche Menge an Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel eingebracht worden ist. Oder diese Menge kann der zentralen Steuereinrichtung eingegeben werden. In Abhängigkeit von der aktuellen Heizleistung und der sich aktuell in dem Schmelztiegel befindlichen Menge Rohmaterials wird eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in dem Schmelztiegel nachgefüllt. Dieses Nachfüllen kann kontinuierlich oder in mehreren, zeitverzögerten Schritten erfolgen, zu denen jeweils eine vorgegebene Menge zusätzlichen Rohmaterials eingebracht wird. Das zusätzliche Silizium-Rohmaterial ist durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur wenig unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium erwärmt, sodass die Schmelze in dem Schmelztiegel nur geringfügig abkühlt und rasch wieder auf die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur gebracht werden kann.With Help of a temperature sensor becomes the surface temperature the silicon bed in the crucible continuously detected. A central controller has previously detected what amount introduced to silicon bed in the crucible has been. Or this amount may be the central controller be entered. Depending on the current heating power and the amount of raw material currently in the crucible becomes a predetermined amount of additional raw material refilled in the crucible. This refilling can be continuous or in multiple, time-delayed steps carried out, to each of which a predetermined amount of additional raw material introduced becomes. The additional silicon raw material is targeted through Heat input to a temperature just below the melting temperature heated by silicon, so that the melt in the crucible only slightly cools and quickly returns to the intended operating temperature brought can be.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3

Mit Hilfe eines Sensors wird die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung kontinuierlich erfasst und so der Zeitpunkt ermittelt, zu dem die Schmelztemperatur von Silizium erreicht ist. Eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Erreichen des Schmelzpunkts wird in Abhängigkeit von der tatsächlichen Heizleistung eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieser Schritt wird nach vorbestimmten Zeitntervallen, entsprechend der aktuellen Heizleistung wiederholt, solange bis ein vorbestimmter Füllstand des Schmelztiegels erreicht ist. Das zusätzliche Silizium-Rohmaterial ist durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur wenig unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium erwärmt, sodass die Schmelze in dem Schmelztiegel nur geringfügig abkühlt und rasch wieder auf die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur gebracht werden kann.With Help of a sensor will increase the surface temperature of the Crucible filling continuously recorded and so the timing determined, to which the melting temperature of silicon is reached. A predetermined time after reaching the melting point becomes depending on the actual heating power a predetermined amount of additional raw material in the Refilled crucible. This step will be after predetermined Time intervals, repeated according to the current heat output, until a predetermined level of the crucible is reached. The additional silicon raw material is through targeted heat input to a temperature little heated below the melting temperature of silicon, so the melt in the crucible only slightly cools and quickly brought back to the intended operating temperature can be.

Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4

Mit Hilfe eines Temperatursensors wird die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung kontinuierlich überwacht. Ferner wird mit Hilfe eines visuellen Inspektionssystems und/oder eines Abstandssensors der Füllstand des Schmelztiegels kontinuierlich überwacht. Nach Absinken des Füllstands um eine vorbestimmte Höhe, verursacht durch die Volumenschrumpfung der Silizium-Schüttung, wird eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieser Schritt wird wiederholt, wenn der Füllstand des Schmelztiegels nach dem Nachfüllen wieder um eine zweite vorbestimmte Höhe abgesunken ist. Die Höhe, um die der Füllstand zwischen den einzelnen Nachfüllschritten absinkt, reduziert sich aufgrund der zunehmenden Füllung des Schmelztiegels. Alternativ, statt in diskreten vorbestimmten Schritten zu arbeiten, kann das Nachfüllen von Rohmaterial auch immer dann ausgelöst werden, wenn ein vorbestimmter Füllstand des Schmelztiegels unterschritten ist. Das zusätzliche Silizium-Rohmaterial ist durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur wenig unterhalb der Schmelztemperatur von Silizium erwärmt, sodass die Schmelze in dem Schmelztiegel nur geringfügig abkühlt und rasch wieder auf die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur gebracht werden kann.With the aid of a temperature sensor, the surface temperature of the crucible filling is continuously monitored. Furthermore, the level of the crucible is continuously monitored by means of a visual inspection system and / or a distance sensor. After dropping the level by a predetermined amount, caused by the volume shrinkage of the silicon bed, a predetermined amount of additional raw material is replenished into the crucible. This step is repeated when the level of the crucible after refilling has dropped again by a second predetermined level. The height by which the level drops between the refilling steps is reduced due to the increasing filling of the crucible. Alternatively, instead of operating in discrete predetermined steps, the replenishment of raw material may also be initiated whenever a predetermined level of the crucible is exceeded. The additional silicon raw material is heated by targeted heat input to a temperature slightly below the melting temperature of silicon, so that the melt in the crucible only slightly cools and can be quickly brought back to the intended operating temperature.

Zur Prozesssteuerung kann die zentrale Steuereinrichtung auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Dies betrifft insbesondere die erforderliche Zeitdauer zum Aufschmelzen der Schüttung bei bekannter Heizleistung, die unter anderem auch von der thermischen Isolierung des Schmelztiegels abhängig ist. Solche Erfahrungswerte können anhand vorheriger Prozesse oder anhand numerischer oder physikalischer Simulationen ermittelt werden. Die Erfahrungswerte können auch durch Überwachung weiterer Prozesse kontinuierlich aktualisiert werden.to Process control can be the central control device based on empirical values To fall back on. This concerns in particular the required Time to melt the bed at known Heating power, which among other things also from the thermal insulation of the crucible is dependent. Such experience can be based on previous processes or numerical or physical simulations. The experience can also by monitoring other processes be updated continuously.

Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Herstellung von polykristallinem Silizium nach dem VGF-Verfahren sondern auch zur Herstellung von beliebigen Einkristallen, insbesondere von Germanium- und Calciumfluorid-Einkristallen.As the skilled person will be readily apparent that is suitable inventive method not only for the production polycrystalline silicon according to the VGF method but also for the production of any single crystals, in particular of germanium and calcium fluoride single crystals.

11
Vorratsbehälterreservoir
22
FördereinrichtungConveyor
33
granulares Rohmaterialgranular raw material
44
Heizelementeheating elements
55
Schmelze bzw. festes Rohmaterialmelt or solid raw material
66
Wärmeisolierungthermal insulation
7a7a
Deckenheizerceiling heaters
7b7b
Mantelheizerjacket heater
88th
Schmelztiegelmelting pot
99
Kühlplattecooling plate
1010
Laserstrahllaser beam
1111
Durchführung für Laserstrahl/Wellenleiterexecution for laser beam / waveguide
1212
Magnetronmagnetron
1313
Spülgaspurge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - JP 07-118089 A [0018] JP 07-118089 A [0018]

Claims (21)

Verfahren zum Kristallisieren eines Halbleitermaterials, insbesondere von Silizium, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Behälters (8) zum Aufnehmen einer Schmelze (5) des Halbleitermaterials; Einbringen von festem, stückigem Halbleiter-Rohmaterial in den Behälter (8); Schmelzen des Rohmaterials (3) zu der Schmelze (5) des Halbleitermaterials; und Kristallisieren der Schmelze (5) zu einem ein- oder polykristallinen Halbleitermaterial, insbesondere Silizium; weiterhin umfassend den Schritt des zusätzlichen Einbringens von Halbleiter-Rohmaterial (3) in den Behälter (8) mit den Schritten: Erwärmen des Halbleiter-Rohmaterials außerhalb des Behälters durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiter-Rohmaterials; und Einbringen des Halbleiter-Rohmaterials im erwärmten Zustand in den Behälter.Process for crystallizing a semiconductor material, in particular silicon, comprising the steps of: providing a container ( 8th ) for receiving a melt ( 5 ) of the semiconductor material; Introduction of solid, lumpy semiconductor raw material into the container ( 8th ); Melting of the raw material ( 3 ) to the melt ( 5 ) of the semiconductor material; and crystallizing the melt ( 5 ) to a single- or polycrystalline semiconductor material, in particular silicon; further comprising the step of additionally introducing semiconductor raw material ( 3 ) in the container ( 8th comprising the steps of: heating the semiconductor raw material outside the container by selective heat input to a temperature below the melting temperature of the semiconductor raw material; and introducing the semiconductor raw material in the heated state into the container. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gezielte Wärmeeintrag auf der Innenseite einer Wärmeisolierung (6) des den Behälter (8) aufnehmenden Schmelzofens erfolgt.Method according to claim 1, wherein the targeted heat input on the inside of a thermal insulation ( 6 ) of the container ( 8th ) receiving melting furnace takes place. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gezielte Wärmeeintrag durch Einwirken von elektromagnetischer Strahlung erfolgt.The method of claim 1 or 2, wherein the targeted Heat input by the action of electromagnetic radiation he follows. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die elektromagnetische Strahlung wahlweise durch Abbilden von Wärmestrahlung oder von Strahlung einer optischen Strahlungsquelle (10), insbesondere eines Lasers, oder durch Beaufschlagung mit einer Mikrowellenstrahlung oder einer hoch- oder mittelfrequenten Strahlung auf das Halbleiter-Rohmaterial (3) einwirkt, um dieses zu erwärmen.The method of claim 3, wherein the electromagnetic radiation is selectively formed by imaging thermal radiation or radiation from an optical radiation source ( 10 ), in particular a laser, or by application of microwave radiation or high-frequency or medium-frequency radiation to the semiconductor raw material ( 3 ) acts to heat it. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das feste, stückige Halbleiter-Rohmaterial (3) während des Transports durch eine Fördereinrichtung (2) flächig ausgebreitet wird und der gezielte Wärmeeintrag in das bereits flächig ausgebreitete Halbleiter-Rohmaterial erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the solid, lumpy semiconductor raw material ( 3 ) during transport through a conveyor ( 2 ) is spread flat and the targeted heat input takes place in the already flat-spreading semiconductor raw material. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das feste, stückige Halbleiter-Rohmaterial während des Transports zu einer Einfach- oder Doppellage, bevorzugt zu einer Einfachlage, flächig ausgebreitet wird.The method of claim 5, wherein the solid, lumpy Semiconductor raw material during transport to a Single or double layer, preferably to a single layer, flat is spread. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Fördereinrichtung (2) das Halbleiter-Rohmaterial (3) vom unteren Ende eines Halbleiter-Rohmaterial-Vorrats- und -Dosierbehälters (1) in einen den Behälter (8) aufnehmenden Schmelzofen fördert.Method according to claim 5 or 6, wherein the conveyor device ( 2 ) the semiconductor raw material ( 3 ) from the lower end of a semiconductor raw material storage and dosing container ( 1 ) into a container ( 8th ) receiving melting furnace promotes. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein vorderes Ende der Fördereinrichtung (2) vor dem Einbringen des Halbleiter-Rohmaterials (3) durch eine Wärmeisolierung (6) des Schmelzofens hindurch in den Innenraum des Schmelzofens verfahren wird.Method according to claim 7, wherein a front end of the conveyor ( 2 ) before introducing the semiconductor raw material ( 3 ) by a thermal insulation ( 6 ) of the melting furnace is passed through into the interior of the melting furnace. Verfahren der Ansprüche 5 bis 8, wobei während des Transports durch die Fördereinrichtung (2) ein Spülgas (13) gegenläufig über das Halbleiter-Rohmaterial (3) streicht, um das erwärmte Halbleiter-Rohmaterial von adsorbiertem H2O zu befreien.The method of claims 5 to 8, wherein during transport through the conveyor ( 2 ) a purge gas ( 13 ) in opposite directions over the semiconductor raw material ( 3 ) to free the heated semiconductor raw material from adsorbed H 2 O. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei zum Einbringen des Halbleiter-Rohmaterials ein vorderes Ende der Fördereinrichtung (2) durch waagerechte Verschiebung der Fördereinrichtung (2) so zum Zentrum des Behälters (8) hin bewegt wird, dass eine Vorerwärmung des Halbleiter-Rohmaterials durch einen Deckenheizer erfolgt.Method according to one of claims 5 to 9, wherein for introducing the semiconductor raw material, a front end of the conveyor ( 2 ) by horizontal displacement of the conveyor ( 2 ) so to the center of the container ( 8th ) is moved, that a preheating of the semiconductor raw material is performed by a ceiling heater. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiter-Rohmaterial und/oder die Schmelze in dem Behälter von oben und/oder seitlich über einen Deckenheizer (7a) und/oder mittels flächigen, beabstandet zu Seitenwänden des Behälters angeordneten Heizelementen (7b) erwärmt wird und die Schmelze durch ein axiales Temperaturprofil, das kontrolliert verschoben wird, gerichtet zu dem ein- oder polykristallinen Halbleitermaterial, insbesondere zu dem ein- oder polykristallinen Silizium, erstarrt.Method according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor raw material and / or the melt in the container from above and / or laterally via a ceiling heater ( 7a ) and / or by means of flat, spaced from the side walls of the container heating elements ( 7b ) and the melt is solidified by an axial temperature profile which is shifted in a controlled manner to the monocrystalline or polycrystalline semiconductor material, in particular to the monocrystalline or polycrystalline silicon. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiter-Rohmaterial (3) diskontinuierlich erwärmt und in den Behälter eingebracht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the semiconductor raw material ( 3 ) is heated discontinuously and introduced into the container. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberflächentemperatur des Halbleiter-Rohmaterials in dem Behälter (8) kontinuierlich erfasst wird und eine vorbestimmte Zeitdauer oder unmittelbar nach Erreichen der Schmelztemperatur des Halbleiter-Rohmaterials das zusätzliche Halbleiter-Rohrmaterial mit einer Rate, die der Heizleistung entspricht, kontinuierlich in den Behälter eingebracht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a surface temperature of the semiconductor raw material in the container ( 8th ) is continuously detected and the predetermined semiconductor material is continuously introduced into the container at a rate corresponding to the heating power for a predetermined period of time or immediately after reaching the melting temperature of the semiconductor raw material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Oberflächentemperatur des Halbleiter-Rohmaterials in dem Behälter (8) kontinuierlich erfasst wird und in Abhängigkeit von der Heizleistung und der Menge des aktuell in dem Behälter befindlichen Halbleiter-Rohmaterials eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Halbleiter-Rohmaterials in den Behälter nachgefüllt wird.A method according to any one of claims 1 to 12, wherein a surface temperature of said semiconductor raw material in said container ( 8th ) is continuously detected, and a predetermined amount of additional semiconductor raw material is replenished into the container depending on the heating power and the amount of the semiconductor raw material currently in the container. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Oberflächentemperatur des Halbleiter-Rohmaterials in dem Behälter (8) kontinuierlich erfasst wird, um einen Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem die Schmelztemperatur des Halbleiter-Rohmaterials erreicht ist, und wobei eine vorbestimmte Zeitdauer nach dem Zeitpunkt in Abhängigkeit von der Heizleistung eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Halbleiter-Rohmaterials im Behälter nachgefüllt wird.A method according to any one of claims 1 to 12, wherein a surface temperature of said semiconductor raw material in said container ( 8th ) is continuously detected to determine a time at which the melting temperature of the semiconductor raw material is reached, and wherein a predetermined amount of time after the time depending on the heating power, a predetermined amount of additional semiconductor raw material is replenished in the container. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Füllstand des Behälters (8) kontinuierlich überwacht wird und nach einem Absinken des Füllstands um eine vorbestimmte Höhe, die von dem aktuellen Füllstand abhängig ist, eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Halbleiter-Rohmaterials in den Behälter nachgefüllt wird.Method according to one of claims 1 to 12, wherein a level of the container ( 8th ) is continuously monitored and after a decrease in the level by a predetermined amount, which is dependent on the current level, a predetermined amount of additional semiconductor raw material is refilled into the container. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Füllstand durch Abstandsmessung, insbesondere Laser-Abstandsmessung, überwacht wird.The method of claim 16, wherein the level monitored by distance measurement, in particular laser distance measurement becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Schritt des Nachfüllens solange wiederholt wird, bis der Behälter (8) nahe seinem oberen Rand mit einer Halbleiter-Schmelze gefüllt ist.Method according to one of claims 14 to 17, wherein the step of refilling is repeated until the container ( 8th ) is filled near its upper edge with a semiconductor melt. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das eingebrachte Halbleiter-Rohmaterial beim Nachfüllen über den Querschnitt des Behälters (8) vergleichmäßigt wird.Method according to one of claims 13 to 18, wherein the introduced semiconductor raw material during refilling over the cross section of the container ( 8th ) is evened out. Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 kristallisierten Siliziums in der Photovoltaik.Use of the method according to one of Claims 1 to 19 crystallized silicon in photovoltaics. Vorrichtung zum Kristallisieren eines Halbleitermaterials, insbesondere von Silizium, umfassend: einen Behälter (8) zum Aufnehmen einer Schmelze (5) des Halbleitermaterials; eine Heizeinrichtung (7a, 7b) zum Erwärmen des Behälters (8) auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials; und ein Fördermittel (2) zum Einbringen von festem, stückigem Halbleiter-Rohmaterial (3) in den Behälter, wobei das Fördermittel ausgelegt ist, um das feste, stückige Halbleiter-Rohmaterial während des Schmelzens oder nach dem Schmelzen des Halbleiter-Rohmaterials in dem Behälter (8) zu der Schmelze (5) nachzufüllen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fördermittel (2) eine Heizeinrichtung (4; 10 bis 12) zugeordnet ist, so dass das feste, stückige Halbleiter-Rohmaterial (3) außerhalb des Behälters durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiter-Rohmaterials erwärmbar ist und das Halbleiter-Rohmaterial im erwärmten Zustand in den Behälter (8) eingebracht werden kann.Device for crystallizing a semiconductor material, in particular of silicon, comprising: a container ( 8th ) for receiving a melt ( 5 ) of the semiconductor material; a heating device ( 7a . 7b ) for heating the container ( 8th ) to a temperature above the melting temperature of the semiconductor material; and a grant ( 2 ) for introducing solid, lumpy semiconductor raw material ( 3 ) in the container, wherein the conveying means is adapted to the solid, particulate semiconductor raw material during melting or after melting of the semiconductor raw material in the container ( 8th ) to the melt ( 5 ), characterized in that the subsidy ( 2 ) a heating device ( 4 ; 10 to 12 ), so that the solid, lumpy semiconductor raw material ( 3 ) is heated outside the container by targeted heat input to a temperature below the melting temperature of the semiconductor raw material and the semiconductor raw material in the heated state in the container ( 8th ) can be introduced.
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