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DE102007061704A1 - Process for producing a monocrystalline or polycrystalline material - Google Patents

Process for producing a monocrystalline or polycrystalline material Download PDF

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DE102007061704A1
DE102007061704A1 DE200710061704 DE102007061704A DE102007061704A1 DE 102007061704 A1 DE102007061704 A1 DE 102007061704A1 DE 200710061704 DE200710061704 DE 200710061704 DE 102007061704 A DE102007061704 A DE 102007061704A DE 102007061704 A1 DE102007061704 A1 DE 102007061704A1
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DE
Germany
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crucible
raw material
melted
silicon
additional
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE200710061704
Other languages
German (de)
Inventor
Uwe Dr. Sahr
Matthias Dr. Müller
Ingo Dr. Schwirtlich
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
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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 AT08171560T priority patent/ATE544884T1/en
Priority to TW097148600A priority patent/TW200938664A/en
Priority to US12/334,646 priority patent/US8101019B2/en
Priority to CNA200810184099XA priority patent/CN101463497A/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren, bei dem stückiges Rohmaterial (20) in einen Schmelztiegel (2) eingebracht und in diesem geschmolzen wird und nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren gerichtet erstarrt. Um Verunreinigungen und Beschädigungen durch das Verspritzen von flüssiger Schmelze zu unterbinden, wird das Rohmaterial (20) vom oberen Ende des Schmelztiegels her geschmolzen, sodass geschmolzenes Mterial nach unten sickert und das noch nicht geschmolzene Rohmaterial (20) in dem Schmelztiegel (2) allmählich zusammensackt. Dabei wird das zusätzliche Rohmaterial (20) von oben her auf eine Zone (21) aus noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial in den Schmelztiegel nachgefüllt, um eine Volumenschrumpfung des Rohmaterials zumindest teilweise zu kompensieren und den Füllstand des Tiegels zu erhöhen. Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von polykristallinem Silizium für die Photovoltaik, aber auch für die Herstellung von Germanium- und Calciumfluorid-Einkristallen.The invention relates to a method for producing a monocrystalline or polycrystalline material according to the vertical gradient freeze method, in which lumpy raw material (20) is introduced into a crucible (2) and melted therein and after the vertical gradient freeze Method directed solidified. In order to suppress impurities and damage by liquid melt spraying, the raw material (20) is melted from the top of the crucible so that molten material seeps down and the unmelted raw material (20) in the crucible (2) gradually collapses , In this case, the additional raw material (20) from above to a zone (21) of not yet melted or not completely molten raw material is refilled into the crucible to at least partially compensate for a volume shrinkage of the raw material and to increase the level of the crucible. The method is suitable for the production of polycrystalline silicon for photovoltaics, but also for the production of germanium and calcium fluoride single crystals.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ein- oder polykristallinem Material nach dem so genannten Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren (nachfolgend VGF-Verfahren) und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium für Anwendungen in der Photovoltaik.The The present invention relates to a process for the preparation of monocrystalline or polycrystalline material according to the so-called vertical gradient freeze method (hereinafter VGF method) and in particular relates to a method for the production of polycrystalline silicon for applications in the photovoltaic.

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 aufwendiger und somit kostspieliger ist, werden preiswertere Solarzellen üblicherweise aus polykristallinem Silizium gefertigt, was weniger aufwendig und somit kostengünstiger ist. Gerade bei der Herstellung von polykristallinem Silizium spielen daher Merkmale, die zu einer Senkung der Kosten und des technologischen Aufwandes 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 thus more expensive cheaper solar cells usually made of polycrystalline Silicon made, 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 Expense lead, a significant role.

Üblicherweise wird der Schmelztiegel mit stückigem Silizium befüllt. 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 the crucible is filled with lumpy silicon. The subsequent melting leads to liquid silicon it leads to a significant volume shrinkage, due to the significantly different densities of molten Silicon to the previously existing bed. Thus, can in conventional processes only a small part of the crucible volume be used effectively. From the prior art are various Measures known to compensate for volume shrinkage.

US 6,743,293 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silizium, bei dem auf den oberen Rand des Schmelztiegels ein ringförmiger Aufsatz mit korrespondierendem Profil aufgesetzt wird, um insgesamt einen Behälteraufbau mit einem größeren Volumen auszubilden. 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 geeignet formstabilen ringförmigen Aufsatz zur Wiederverwendung bereitzustellen. US 6,743,293 B2 discloses a process for the production of polycrystalline silicon, in which an annular cap with a corresponding profile is placed on the upper edge of the crucible in order to form 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 suitably dimensionally stable annular top for reuse.

Als Alternative zu obigem Verfahren ist in Kristallisationsanlagen, die nach dem Czochralsky-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 method is in crystallization plants, which work according to the Czochralsky process, a continuous one or discontinuous refilling of lumpy Raw material known to shrink volume due to 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 dem Schmelztiegel über ein Zuführungsrohr zugeführt wird. In dem Zuführungsrohr sind Verlangsamungsmittel in Form von Querschnittsverengungen oder Profilbiegungen vorgesehen, um die Fallgeschwindigkeit des kristallinen Materials zu verringern. EP 0 315 156 B1 discloses such a crystallizer in which crystalline material is fed 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 the falling rate of the crystalline material.

EP 1 338 682 A2 offenbart eine Kristallisationsanlage nach dem Czochralsky-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 das Verspritzen der heißen Schmelze in der Kristallisationsanlage führt zur Beschädigung von Komponenten und zu Verunreinigungen, die nur schwer wieder zu entfernen sind. EP 1 338 682 A2 discloses a crystallization plant according to the Czochralsky process in which crystalline material slips over a sloped pipe 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. Because the splashing of the hot melt in the crystallization plant leads to the damage of components and to impurities that are difficult to remove again.

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. 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.

Eine Alternative zu den vorgenannten mechanischen Lösungen stellt eine geeignete Wahl der Prozessparameter dar, um die Oberfläche der Schmelze zum Zeitpunkt des Nachfüllens von kristallinem Material teilweise zu verfestigen. Dies ist bspw. in JP 11/236290 A oder JP 62/260791 A offenbart. Die Verfestigung der Oberfläche der Schmelze in dem Schmelztiegel führt jedoch zu einer unerwünschten Verlangsamung des Prozesses.An alternative to the aforementioned mechanical solutions is a suitable choice of process parameters to partially solidify the surface of the melt at the time of refilling crystalline material. This is, for example, in JP 11/236290 A or JP 62/260791 A disclosed. However, the solidification of the surface of the melt in the crucible leads to an undesirable slowing down of the process.

EP 1 337 697 B1 offenbart eine Kristallisationsanlage nach dem Czochralsky-Verfahren, bei dem kristallines Silizium nur auf Inseln von noch festem Silizium aufgeschüttet wird. Diese Inseln müssen mit Hilfe eines Videosystems und einer aufwendigen Bildauswertung ermittelt werden. Um diese Inseln zu treffen, muss die Fördereinrichtung zum Fördern des kristallinen Siliziums in den Schmelztiegel geeignet verfahren werden, was aufwendig ist. EP 1 337 697 B1 discloses a crystallization plant according to the Czochralsky method in which crystalline silicon is only poured onto islands of still solid silicon. These islands must be determined using a video system and a complex image analysis. In order to meet these islands, the conveyor must be moved to convey the crystalline silicon in the crucible suitable, which is expensive.

Bei sämtlichen nach dem Czochralsky-Verfahren arbeitenden Kristallisationsanlagen wird der Schmelztiegel vom Boden her geheizt. Bei der Herstellung von kristallinen Materialien nach dem VGF-Verfahren wird das Rohmaterial von oben her aufgeschmolzen.In all Czochralsky crystallizer plants, the crucible is heated from the bottom. In the production of crystalline materials after the VGF process, the raw material is melted from above.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials nach dem VGF-Verfahren bereitzustellen, wobei stückiges Rohmaterial weitestgehend spritzfrei in den Schmelztiegel nachgefüllt werden kann, um der Volumenschrumpfung beim Aufschmelzen des Rohmaterials in dem Schmelztiegel zumindest teilweise entgegen zu wirken und einen hohen Füllstand des Tiegels zu erreichen.task The present invention is a process for the preparation a monocrystalline or polycrystalline material according to the VGF method provide, with lumpy raw material as much as possible can be refilled into the crucible without any spatter, to the volume shrinkage during melting of the raw material in At least partially counteract the crucible and a high To reach the level of the crucible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere Vorteile auf der Ausführungsform sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.These Task is solved by a method with the features according to claim 1. Further advantages on the embodiment are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird bei einem VGF-Verfahren zusätzliches Rohmaterial in den Schmelztiegel von oben her auf eine Zone von noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial nachgefüllt, um die Volumenschrumpfung des Rohmaterials in dem Schmelztiegel zumindest teilweise zu kompensieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohmaterial in dem Schmelztiegel von oben her erhitzt, bspw. durch einen sich im wesentlich über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels erstreckenden und oberhalb von diesem angeordneten Deckenheizer. Somit schmilzt das Rohmaterial in dem Schmelztiegel von oben her, sodass eine Inselbildung im oberen Tiegelbereich nicht begünstigt wird. Vielmehr sickert die am oberen Rand des Schmelztiegels ausgebildete Schmelze nach unten, wo diese darunter liegende Zwischenräume im Rohmaterial ausfüllt bzw. die Struktur des darunter befindlichen Rohmaterials verändert, insbesondere dessen Oberfläche anschmilzt. Insgesamt ist die Oberfläche des Rohmaterials in dem Schmelztiegel auch nach Erreichen der Schmelztemperatur eher fest als flüssig, sodass das zusätzlich eingetragene stückige bzw. kristalline Rohmaterial zu keinen oder vernachlässigbaren Spritzern im Schmelztiegel führt. Diese Zone erstreckt sich bevorzugt über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels.According to the invention in a VGF process additional raw material in the Crucible from above on a zone of not yet melted or not completely melted raw material refilled, the volume shrinkage of the raw material in the crucible at least partially compensate. In the inventive Method, the raw material in the crucible from above heated, for example, by a substantially above the entire cross-section of the crucible extending and above arranged by this ceiling heater. Thus, the raw material melts in the crucible from above, so that island formation in the upper Crucible area is not favored. Rather, the seeps melt formed at the upper edge of the crucible, where these underlying gaps in the raw material complies or the structure of the underlying raw material changed, in particular, its surface melts. All in all is the surface of the raw material in the crucible even after reaching the melting temperature rather solid than liquid, so that the additional registered lumpy or crystalline raw material to no or negligible splashes in the crucible leads. This zone preferably extends over the entire cross section of the crucible.

FigurenübersichtLIST OF FIGURES

Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:following the invention will be described by way of example and with reference to be described on the accompanying drawings. It demonstrate:

1 in einem schematischen Querschnitt eine Kristallisationsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung; und 1 in a schematic cross section of a crystallization plant according to the present invention; and

2a bis 2c drei unterschiedliche Phasen beim Aufschmelzen des kristallinen Rohmaterials in dem Schmelztiegel gemäß der 1. 2a to 2c three different phases in the melting of the crystalline raw material in the crucible according to the 1 ,

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten AusführungsbeispielenDetailed description of preferred embodiments

Gemäß der 1 umfasst die insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Kristallisationsanlage einen Quarztiegel 3 der vollständig und eng anliegend in einem kastenartigen und nach oben offenen Stützsystem 4 aufgenommen ist, um den bei der Schmelztemperatur des Siliziums erweichten Quarztiegel 3 ausreichend mechanisch abzustützen. Der Quarztiegel 3 reicht bis zum oberen Rand des Stützsystems 4, sodass ein direkter Kontakt der Siliziumschmelze mit Graphit oder anderen verunreinigenden Materialien ausgeschlossen ist. Der Quarztiegel 3 ist ein kommerziell erhältlicher Quarztiegel mit einer Grundfläche von bspw. 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 Tiegels ist ein Deckenheizer 5 vorgesehen, dessen Grundfläche größer oder gleich der Grundfläche des Tiegels ist. An den Seitenflächen des Tiegels ist ein diesen umgebender Mantelheizer 6 angeordnet. Dabei ist der Abstand zwischen dem Mantelheizer 6 und der Tiegelwand konstant über den gesamten Umfang des Tiegels.According to the 1 includes the whole with the reference numeral 1 designated crystallization plant a quartz crucible 3 the complete and close fitting in a box-like and open-topped support system 4 is absorbed to the softened at the melting temperature of the silicon quartz crucible 3 sufficiently mechanically supported. The quartz crucible 3 extends to the top of the support system 4 so that direct contact of the silicon melt with graphite or other contaminating materials is excluded. The quartz crucible 3 is a commercially available quartz 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 is a ceiling heater 5 provided, whose base area is greater than or equal to the base of the crucible. On the side surfaces of the crucible is a surrounding coat heater 6 arranged. Here is the distance between the jacket heater 6 and the crucible wall constant over the entire circumference of the crucible.

Unterhalb des Tiegels ist eine Kühlplatte 8 angeordnet, die von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Zwischen dem Tiegel und der Kühlplatte 8 ist eine Isolationsplatte bzw. Tiegelaufstellplatte 7 angeordnet. Dabei ist die eigentliche Halterung des vorgenannten Tiegels so ausgebildet, dass zwischen der den Tiegel abstützenden Tiegelaufstellplatte 7 und der Kühlplatte 8 ein Spalt ausgebildet ist. Bei dem VGF-Kristallisationsverfahren sind alle Heizer 5, 6 temperaturgeregelt. Dazu werden die Oberflächentemperaturen der Heizer 5, 6 durch Pyrometer an geeigneter Stelle erfasst und in eine Steuerungseinheit eingegeben, die die an den Heizern 5, 6 anliegende Spannung geeignet steuert bzw. regelt. Genauer gesagt wird bei dem VGF-Verfahren mit feststehendem Tiegel ein axialer Temperaturgradient aufgebaut. Das Temperaturprofil wird durch elektronische Variation der Heizertemperatur 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 Erstarrung des flüssigen Siliziums zu polykristallinem Silizium. Die Temperaturregelung erfolgt dabei so, dass in dem Schmelztiegel möglichst ebene Isothermen ausgebildet sind.Below the crucible is a cooling plate 8th arranged, which can be flowed through by a coolant. Between the crucible and the cooling plate 8th is an insulation plate or crucible mounting plate 7 arranged. In this case, the actual holder of the aforementioned crucible is formed so that between the crucible mounting plate supporting the crucible 7 and the cooling plate 8th a gap is formed. In the VGF crystallization process, all are heaters 5 . 6 temperature-controlled. For this purpose, the surface temperatures of the heaters 5 . 6 captured by pyrometer at a suitable location and entered into a control unit, which is connected to the heaters 5 . 6 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 electronically varying the heater temperature 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 directional solidification of the liquid silicon to polycrystalline silicon. The temperature control takes place in such a way that as even as possible isotherms are formed in the crucible.

Dabei kann der Mantelheizer ausgelegt sein, um einen Temperaturgradienten vom oberen Rand zum unteren Rand des Schmelztiegels aufzubauen. Zu diesem Zweck kann der Mantelheizer 6 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 gleichem Höhenniveau angeordneten Segmente führen zur Ausbildung von ebenen, horizontalen Isothermen und somit zur Ausbildung einer ebenen, horizontalen Phasengrenze.In this case, the jacket heater can be designed to build a temperature gradient from the upper edge to the lower edge of the crucible. For this purpose, the jacket heater 6 Also be divided into two or more vertically stacked segments having a decreasing from the upper edge to the lower end of the crucible heating power. 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 Tiegel weist bevorzugt einen vieleckigen Querschnitt, insbesondere einen rechteckförmigen oder quadratischen Querschnitt, auf. 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, on. In this way, the waste for the production of the usually polygonal, in particular rectangular or square solar cells be minimized for the photovoltaic.

Die gesamte Kristallisationsanlage 1 ist von einer bevorzugt druckfesten oder gasdichten Umhüllung 9 umgeben, sodass im inneren eine inerte oder reduzierende Schutzgasatmosphäre aufgebaut werden kann.The entire crystallization plant 1 is of a preferably pressure-resistant or gas-tight enclosure 9 surrounded, so that inside an inert or reducing inert gas atmosphere can be built.

Gemäß der 1 ist seitlich zur Kristallisationsanlage ein Nachfüllbehälter 14 für festes Silizium mit der Kristallisationsanlage 1 verbunden. Bei dem festen Silizium handelt es sich um schüttfähiges, stückiges Silizium, das eine geeignete Form und Schüttdichte besitzt. Bevorzugt ist dieses Silizium kristallines Silizium. Am unteren Ende des Behälters 14 ist ein Nachfülltrichter 13 vorgesehen, der auf eine zweite Fördereinrichtung gerichtet ist, sodass Siliziummaterial aus dem Behälter 14 auf die zweite Fördereinrichtung 12 rutscht. Am unteren Ende des Trichters 13 ist ein Dosiermechanismus vorgesehen, bspw. eine Klappe oder ein Ventil. Die zweite Fördereinrichtung befindet sich bevorzugt vollständig außerhalb der Kristallisationsanlage 1, insbesondere außerhalb des beheizten Bereichs der Kristallisationsanlage. Gemäß der 1 fördert die zweite Fördereinrichtung 12 das Rohmaterial parallel zur Zeichenebene der 1. Der zweiten Fördereinrichtung 12 nachgeordnet ist eine erste Fördereinrichtung 11. Die erste Fördereinrichtung 11 ragt in den beheizten Bereich der Kristallisationsanlage 1 hinein, beispielsweise um etwa 1/3 Ihrer Gesamtlänge, und ragt mit ihrem vorderen Ende in etwa bis zur Mitte des Schmelztiegels. Bei den Fördereinrichtungen 11, 12 handelt es sich um herkömmliche Rüttelförderer, welche das Rohmaterial über temperaturbeständige Förderschienen, bspw. aus Siliziumcarbid, fördern. Die Kristallisationsanlage 1 weist somit zwei unabhängige Fördereinrichtungen 11, 12 auf, die übereinander angeordnet sind, sodass das von der ersten Fördereinrichtung 11 geförderte Rohmaterial vollständig in den Schmelztiegel entleert werden kann. Somit wird die Gefahr von Verunreinigungen oder gar einem Festsetzen der ersten Fördereinrichtung 11 verhindert.According to the 1 is laterally to the crystallization plant a refill container 14 for solid silicon with the crystallization plant 1 connected. The solid silicon is pourable, particulate silicon that has a suitable shape and bulk density. Preferably, this silicon is crystalline silicon. At the bottom of the container 14 is a refill funnel 13 provided, which is directed to a second conveyor, so that silicon material from the container 14 on the second conveyor 12 slips. At the bottom of the funnel 13 a metering mechanism is provided, for example. A flap or a valve. The second conveyor is preferably located completely outside the crystallization plant 1 , in particular outside the heated area of the crystallization plant. According to the 1 promotes the second conveyor 12 the raw material parallel to the drawing plane of the 1 , The second conveyor 12 downstream is a first conveyor 11 , The first conveyor 11 protrudes into the heated area of the crystallization plant 1 in, for example, about 1/3 of its total length, and protrudes with its front end approximately to the middle of the crucible. For the conveyors 11 . 12 These are conventional vibratory conveyors which convey the raw material via temperature-resistant conveyor rails, for example of silicon carbide. The crystallization plant 1 thus has two independent conveyors 11 . 12 on, which are arranged one above the other, so that of the first conveyor 11 subsidized raw material can be completely emptied into the crucible. Thus, the risk of contamination or even a setting of the first conveyor 11 prevented.

Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, können bei der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage auch beliebige andere Fördereinrichtungen verwendet werden, die ausreichend temperaturstabil sind und schüttfähiges Rohmaterial in den Schmelztiegel befördern können.As the skilled person will be readily apparent, can in the crystallization plant according to the invention also any other conveyors can be used which are sufficiently stable in temperature and pourable Can transport raw material into the crucible.

Dem Nachfüllbehälter 14 ist ein Sensor 16 zugeordnet, der die Menge an ausgegebenem Rohmaterial erfassen kann. Diese Erfassung kann insbesondere mechanisch, bevorzugt durch Erfassen des aktuellen Gewichts der zweiten Fördereinrichtung 12, akustisch, optisch oder in anderer Weise berührungslos erfolgen. Oberhalb des Schmelztiegels ist weiter ein Temperatursensor 17 zur Erfassung der Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung 10 angeordnet. Bei dem Sensor 17 kann es sich um ein Pyrometer handeln. Oberhalb des Tiegels befindet sich außerdem ein visuelles Inspektionssystem 18, das die gesamte Oberfläche der Tiegelfüllung 10 erfasst, insbesondere mittels einer nicht dargestellten Videokamera, deren Bilder in der zentralen Steuereinrichtung CPU ausgelesen und ausgewertet werden. Hierzu können geeignete Bildauswertungsalgorithmen eingesetzt werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. Oberhalb des Tiegels ist gemäß der 1 außerdem ein Abstandssensor 19 angeordnet, der den Abstand der Oberfläche der Tiegelfüllung 10 zum Sensor 19 misst. Bevorzugt wird zu diesem Zweck ein Laser-Abstandsmessgerät verwendet. In Kenntnis der Höhe des Abstandssensors 19 oberhalb des Bodens des Tiegels kann somit der aktuelle Füllstand im Schmelztiegel kontinuierlich erfasst werden.The refill container 14 is a sensor 16 assigned, which can detect the amount of raw material output. This detection can in particular mechanically, preferably by detecting the current weight of the second conveyor 12 , acoustically, visually or otherwise done without contact. Above the crucible is still a temperature sensor 17 for recording the surface temperature of the crucible filling 10 arranged. At the sensor 17 it can be a pyrometer. Above the crucible is also a visual inspection system 18 covering the entire surface of the crucible filling 10 detected, in particular by means of a video camera, not shown, whose images are read out and evaluated in the central control unit CPU. For this purpose, suitable image evaluation algorithms can be used, as described in more detail below. Above the crucible is according to the 1 also a distance sensor 19 arranged the distance of the surface of the crucible filling 10 to the sensor 19 measures. Preferably, a laser distance measuring device is used for this purpose. In knowledge of the height of the distance sensor 19 above the bottom of the crucible thus the current level in the crucible can be continuously detected.

Die gesamte Kristallisationsanlage 1 wird unter Steuerung einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung CPU betrieben. Diese ist nicht nur für eine geeignete Regelung der Heizer 5, 6 sowie der Kühlplatte 8 verantwortlich sondern auch zum Steuern des Nachfüllens von Silizium-Rohmaterial durch dosierte Ausgabe aus dem Behälter 14 und Steuerung der Fördereinrichtung 11, 12 sowie für die Auswertung der Sensoren 16 bis 19.The entire crystallization plant 1 is operated under the control of a central control unit CPU. This is not just for a suitable control of the heater 5 . 6 and the cooling plate 8th responsible but also for controlling the replenishment of silicon raw material by metered output from the container 14 and control of the conveyor 11 . 12 as well as for the evaluation of the sensors 16 to 19 ,

Anhand der 2a bis 2c wird nachfolgend zunächst das Prinzip des erfindungsgemäßen VGF-Verfahrens zur Herstellung von polykristallinem Silizium beschrieben. Gemäß der 2a ist zu Beginn des Prozesses der Schmelztiegel 2 bis zu seinem oberen Rand mit einer geeigneten Silizium-Schüttung 20 gefüllt. Zum Aufschmelzen des Siliziums heizt der Deckenheizer der Kristallisationsanlage die Silizium-Schüttung von oben her auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Siliziums. Die Energiezufuhr kann zusätzlich auch über den seitlichen Mantelheizer 6 (vgl. 1) und ggf. über einen Bodenheizer erfolgen. Die Silizium-Schüttung 20 wird also zunächst am oberen Rand des Schmelztiegels 2 aufgeschmolzen. Wie durch die Pfeile angedeutet, rinnt bzw. sickert das aufgeschmolzene, flüssige Silizium nun durch die darunter befindliche Silizium-Schüttung nach unten. Beim Hinabsickern wird die darunter befindliche Silizium-Schüttung teilweise angeschmolzen, sodass sich deren Form und Schüttdichte auch durch teilweises Wiedererstarren verändert. Insgesamt kommt es so, wie in der 2b gezeigt, zur Ausbildung einer so genannten „Matschzone” 21 am oberen Rand der Tiegelfüllung. Diese Zone 21 erstreckt sich in Form eines mehr oder weniger dünnen Bandes über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels 2 und besteht aus noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial. In diesem Zustand ist die Tiegelfüllung in dem Schmelztiegel 2 um eine gewisse Distanz zusammen gesackt bzw. geschrumpft, was durch den Abstandssensor 19 erfasst wird. Das Zusammensacken kann auch mit Hilfe des visuellen Inspektionssystems 18 und geeignete Bildauswertung festgestellt werden. Bei dem Prozess erfasst der Temperatursensor 17 kontinuierlich die Temperatur der Oberfläche der Tiegelfüllung. Insbesondere wird mit Hilfe des Temperatursensors 17 erfasst, dass und zu welchem Zeitpunkt die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung die Schmelztemperatur des Rohmaterials erreicht oder überschreitet. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben, löst die zentrale Steuereinrichtung bei geeigneter Ausbildung der Matschzone 21, wie durch die Sensoren 17 bis 19 detektiert, das Nachfüllen von Silizium-Rohmaterial 20 aus. Hierzu wird, wie vorstehend beschrieben, die Ausgabe von Silizium-Rohmaterial aus dem Behälter 14 (vergleiche 1) und die Betätigung der Fördereinrichtung 12, 11 ausgelöst. Die tatsächlich in den Schmelztiegel 2 eingebrachte Menge an Silizium-Rohmaterial 20 wird mit Hilfe des dem Nachfüllbehälter 14 zugeordneten Fördersensors 16 erfasst. Die zentrale Steuereinrichtung gewährleistet, dass nicht zu viel Silizium-Rohmaterial 20 nachgefüllt wird, dieses insbesondere nicht über den oberen Rand des Schmelztiegels 2 hinausragt. Das Nachfüllen von Silizium-Rohmaterial 20 kann kontinuierlich oder in mehreren, zeitverzögerten Prozessschritten erfolgen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben.Based on 2a to 2c the principle of the VGF process according to the invention for the production of polycrystalline silicon is first described below. According to the 2a is the crucible at the beginning of the process 2 up to its upper edge with a suitable silicon charge 20 filled. To melt the silicon heats the ceiling heater of the crystallization system, the silicon charge from above to a temperature above the melting temperature of the silicon. The energy supply can additionally via the lateral jacket heater 6 (see. 1 ) and possibly via a bottom heater. The silicon bed 20 So first, it will be at the top of the crucible 2 melted. As indicated by the arrows, this trickles or seeps up molten, liquid silicon now through the underlying silicon bulk down. In the case of seepage, the silicon bed underneath is partially melted, so that its shape and bulk density also change as a result of partial re-solidification. Altogether it happens like in the 2 B shown, to form a so-called "mud zone" 21 at the top of the crucible filling. This zone 21 extends in the form of a more or less thin band over the entire cross section of the crucible 2 and consists of raw material that has not yet been melted or completely melted. In this condition, the crucible filling is in the crucible 2 slumped or shrunk together by a certain distance, resulting in the distance sensor 19 is detected. The collapse can also with the help of the visual inspection system 18 and appropriate image evaluation can be determined. In the process, the temperature sensor detects 17 continuously the temperature of the surface of the crucible filling. In particular, with the help of the temperature sensor 17 detects that and at what time the surface temperature of the crucible filling reaches or exceeds the melting temperature of the raw material. As described in more detail below, the central control device triggers with suitable design of the mud zone 21 as through the sensors 17 to 19 detected, the refilling of silicon raw material 20 out. To this end, as described above, the output of silicon raw material from the container 14 (see 1 ) and the operation of the conveyor 12 . 11 triggered. The actually in the crucible 2 introduced amount of silicon raw material 20 is done with the help of the refill container 14 assigned conveyor sensor 16 detected. The central controller ensures that not too much silicon raw material 20 is refilled, this particular not on the upper edge of the crucible 2 protrudes. Refilling of silicon raw material 20 can be done continuously or in multiple, time-delayed process steps, as described in more detail below.

Schließlich wird der Zustand gemäß der 2c erreicht, in welchem der Schmelztiegel 2 bis zu seinem oberen Rand hin vollständig mit einer Siliziumschmelze 22 gefüllt ist. In diesem Zustand erfolgt dann die weitere Abkühlung und Erstarrung der Siliziumschmelze 22 zu polykristallinem Silizium nach dem bekannten VGF-Verfahren. Nach dem Prozess verbleibt ein Siliziumingot, dessen Querschnitt dem des Schmelztiegels 2 entspricht. Um den Verschnitt bei der Herstellung von Photovoltaikelementen zu minimieren, ist der Schmelztiegel 2 erfindungsgemäß vieleckig, insbesondere rechteckförmig oder quadratisch.Finally, the state according to the 2c reached, in which the crucible 2 completely up to its upper edge with a silicon melt 22 is filled. In this state, then the further cooling and solidification of the silicon melt 22 to polycrystalline silicon according to the known VGF process. After the process remains a silicon ingot whose cross-section that of the crucible 2 equivalent. To minimize wastage in the manufacture of photovoltaic elements, the crucible is 2 polygonal according to the invention, in particular rectangular or square.

Nachfolgend wird der Betrieb der Kristallisationsanlage gemäß der 1 anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.Hereinafter, the operation of the crystallization plant according to the 1 will be described in more detail with reference to preferred embodiments.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Mit Hilfe des Temperatursensors 17 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 Fördereinrichtungen zusätzliches Silizium-Rohmaterial in den Schmelztiegel eingebracht. Die Förderrate wird dabei geeignet in Abhängigkeit von der tatsächlichen Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels eingestellt. Die tatsächlich in den Schmelztiegel eingebrachte Menge an Silizium-Rohmaterial wird mit Hilfe des Sensors 16 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 tatsächlich verwendeten Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels.With the help of the temperature sensor 17 For example, the surface temperature of the silicon bed in the crucible is continuously detected. Thus it can be stated that and when the melting temperature of silicon is reached. Depending on the heat output for heating the crucible, the silicon bed suffers more or less rapidly. The silicon bed melts from the surface. A predetermined period of time after reaching the melting temperature of silicon additional silicon raw material is introduced into the crucible with the aid of the conveyors. The delivery rate is suitably adjusted depending on the actual heating power for heating the crucible. The amount of silicon raw material actually introduced into the crucible is determined by means of the sensor 16 detected. The silicon bed continuously collapses in the crucible. The addition of the additional silicon raw material can be carried out continuously or at predetermined time intervals and metering amounts, in each case corresponding to the actually used heating power for heating the crucible.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Mit Hilfe des Temperatursensors 17 wird die Oberflächentemperatur der Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel kontinuierlich erfasst. Die zentrale Steuereinrichtung hat zuvor erfasst, welche Menge an Silizium-Schüttung in dem Schmelztiegel eingebracht worden ist. Oder diese Menge kann in der zentralen Steuereinrichtung im Voraus eingegeben werden. In Abhängigkeit von der aktuellen Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels und der sich aktuell in dem Schmelztiegel befindlichen Menge Rohmaterial wird eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieses Nachfüllen kann kontinuierlich oder in mehreren, zeitverzögerten Schritten erfolgen, zu denen jeweils eine vorgegebene Menge zusätzlichen Rohmaterials eingebracht wird.With the help of the temperature sensor 17 For example, the surface temperature of the silicon bed in the crucible is continuously detected. The central controller has previously detected what amount of silicon charge has been introduced in the crucible. Or this amount may be entered in advance in the central controller. Depending on the actual heat output for heating the crucible and the amount of raw material currently in the crucible, a predetermined amount of additional raw material is replenished into the crucible. This refilling can be carried out continuously or in several, time-delayed steps, to each of which a predetermined amount of additional raw material is introduced.

Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3

Mit Hilfe des Sensors 17 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 des Schmelztiegels eine vorbestimmte Menge zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt. Dieser Schritt wird nach vorbestimmten Zeitintervallen, entsprechend der aktuellen Heizleistung des Schmelztiegels wiederholt, solange bis der Zustand gemäß der 2c erreicht ist.With the help of the sensor 17 the surface temperature of the crucible filling is detected continuously and thus determines the time at which the melting temperature of silicon is reached. A predetermined time after reaching the melting point, depending on the actual heating power of the crucible, a predetermined amount of additional raw material in the Refilled crucible. This step is repeated after predetermined time intervals corresponding to the actual heating power of the crucible, until the condition according to the 2c is reached.

Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4

Mit Hilfe des Temperatursensors 17 wird die Oberflächentemperatur der Tiegelfüllung kontinuierlich überwacht. Ferner wird mit Hilfe des visuellen Inspektionssystems 18 und/oder des Abstandssensors 19 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 abgesackt 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.With the help of the temperature sensor 17 the surface temperature of the crucible filling is continuously monitored. Further, using the visual inspection system 18 and / or the distance sensor 19 the level of the crucible continuously monitored. 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 in the crucible. This step is repeated when the level of the crucible after refilling is again bagged by a second predetermined height. 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.

Zur Prozesssteuerung kann die zentrale Steuereinrichtung auf Erfahrungswerte zurückgreifen. Dies betrifft insbesondere die erforderliche Zeitdauer zum Aufschmelzen der Schüttung bei bekannter Heizleistung, die ja unter anderem auch von der Wärmeleitfähigkeit des Schmelztiegels abhängig ist. Solche Erfahrungswerte können Anhand vorheriger Prozesse oder Anhand numerischer 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 includes, among other things, the thermal conductivity of the crucible is dependent. Such experience can be based on previous processes or numerical Simulations are determined. The empirical values can also continuously updated by monitoring other processes become.

Der Schmelzpunkt von Silizium wird in einem sehr eng definierten Temperaturbereich angegeben. Die Phasendiagramme von anderen Materialien können jedoch im Bereich des Schmelzpunktes erheblich abweichen. Deshalb kann auch das visuelle Inspektionssystem weitere Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Tiegelfüllung und die Existenz einer sog. „Matschzone” liefern. Insbesondere kann die Bildauswertung des visuellen Inspektionssystems in ähnlicher Weise erfolgen, wie in der EP 1 337 697 B1 offenbart, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugsnahme ausdrücklich zu Offenbarungszwecken mit beinhaltet sei. Eine solche Bildauswertung kann insbesondere auch zur Bestimmung von noch ungeschmolzenen Oberflächenbereichen der Tiegelfüllung herangezogen werden.The melting point of silicon is given in a very narrow temperature range. However, the phase diagrams of other materials may vary significantly in the melting point range. Therefore, the visual inspection system can provide further conclusions on the condition of the crucible filling and the existence of a so-called "mud zone". In particular, the image analysis of the visual inspection system can be carried out in a similar manner as in the EP 1 337 697 B1 the entire contents of which are hereby expressly included for purposes of disclosure by reference. Such an image evaluation can be used in particular for the determination of still unmelted surface areas of the crucible filling.

Die Position, bei der das von der ersten Fördereinrichtung eingebrachte Rohmaterial in den Schmelztiegel gelangt, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform auch durch Verstellen des vorderen Endes der ersten Fördereinrichtung variiert werden, insbesondere auch in Anpassung an die Auswertung der Information des visuellen Inspektionssystems. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das vordere Ende der ersten Fördereinrichtung auch hin und her bewegt werden, um den Eintrag des Rohmaterials in den Schmelztiegel über die gesamte Oberfläche der Tiegelfüllung zu vergleichmässigen. 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.The Position at which the first conveyor introduced raw material enters the crucible can, according to a another embodiment also by adjusting the front End of the first conveyor can be varied, in particular also in adaptation to the evaluation of the information of the visual Inspection system. According to another embodiment may the front end of the first conveyor also out and moved to the entry of the raw material in the crucible over the entire surface of the crucible filling to uniform. 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
Kristallisationsanlagecrystallization system
22
Schmelztiegel (allgemeine Bezeichnung)melting pot (general name)
33
Quarztiegelquartz crucible
44
TiegelstützsystemPot support system
55
Deckenheizerceiling heaters
66
Mantelheizerjacket heater
77
Tiegelaufstellplattecrucible mounting
88th
Kühlplattecooling plate
99
Umhüllungwrapping
1010
Tiegelfüllungfilling of the crucible
1111
Erste FördereinrichtungFirst Conveyor
1212
Zweite FördereinrichtungSecond Conveyor
1313
Nachfülltrichterreplenishing hopper
1414
Nachfüllbehälterrefill
1515
Flanschflange
1616
FördergutsensorFördergutsensor
1717
Pyrometer/TemperatursensorPyrometer / temperature sensor
1818
Visuelles Inspektionssystemvisual inspection system
1919
Abstandssensordistance sensor
2020
Stückiges Silizium/Rohmateriallumpy Silicon / Raw
2121
”Matschzone”/Zone mit teilweise geschmolzenem Material"Mud zone" / Zone with partially molten material
2222
Schmelzemelt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 6743293 B2 [0004] - US 6743293 B2 [0004]
  • - EP 0315156 B1 [0006] - EP 0315156 B1 [0006]
  • - EP 1338682 A2 [0007] - EP 1338682 A2 [0007]
  • - JP 01-148780 A [0007] JP 01-148780 A [0007]
  • - US 2004/0226504 A1 [0008] US 2004/0226504 A1 [0008]
  • - US 2006/0060133 A1 [0008] US 2006/0060133 A1 [0008]
  • - JP 11/236290 A [0009] - JP 11/236290 A [0009]
  • - JP 62/260791 A [0009] - JP 62/260791 A [0009]
  • - EP 1337697 B1 [0010, 0035] - EP 1337697 B1 [0010, 0035]

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung eines ein- oder polykristallinen Materials nach dem Vertical-Gradient-Freeze-Verfahren, bei dem stückiges Rohmaterial (20) in einen Schmelztiegel (2) eingebracht und in diesem geschmolzen wird und gerichtet erstarrt, wobei vom oberen Ende zum Boden des Schmelztiegels (2) ein Temperaturprofil aufgebaut wird, das so axial verschoben wird, dass die Phasengrenze, welche die flüssige Phase von auskristallisiertem Material trennt, beginnend vom Boden des Schmelztiegels allmählich zum oberen Ende des Schmelztiegels hin wandert, bei welchem Verfahren das Rohmaterial (20) vom oberen Ende des Schmelztiegels her geschmolzen wird, sodass geschmolzenes Material nach unten sickert und noch nicht geschmolzenes Rohmaterial (20) in dem Schmelztiegel (2) allmählich zusammensackt und zusätzliches Rohmaterial (20) in den Schmelztiegel von oben her auf eine Zone (21) von noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial nachgefüllt wird, um eine Volumenschrumpfung des Rohmaterials zumindest teilweise zu kompensieren.Process for the preparation of a monocrystalline or polycrystalline material according to the vertical gradient freeze process, in which lumpy raw material ( 20 ) in a crucible ( 2 ) is introduced and is melted in this and directionally solidified, wherein from the upper end to the bottom of the crucible ( 2 ) is built up a temperature profile which is axially displaced so that the phase boundary which separates the liquid phase of crystallized material, starting from the bottom of the crucible gradually towards the upper end of the crucible wanders, in which process the raw material ( 20 ) is melted from the top of the crucible, so that molten material seeps down and not yet molten raw material ( 20 ) in the crucible ( 2 ) and additional raw material ( 20 ) into the crucible from above onto a zone ( 21 ) is replenished with raw material that has not yet been melted or not completely melted in order to at least partially compensate for volume shrinkage of the raw material. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Rohmaterial in dem Schmelztiegel (2) so von dessen oberem Ende her geschmolzen wird, dass sich die Zone (21) als Band aus noch nicht geschmolzenem oder nicht vollständig geschmolzenem Rohmaterial über den gesamten Querschnitt des Schmelztiegels (2) erstreckt.Process according to claim 1, wherein the raw material in the crucible ( 2 ) is melted from its upper end so that the zone ( 21 ) as a band of raw material not yet melted or not completely melted over the entire cross-section of the crucible ( 2 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberflächentemperatur des Rohmaterials (20) in dem Schmelztiegel (2) kontinuierlich erfasst wird und nach einer vorbestimmten Zeitdauer oder unmittelbar nach Erreichen der Schmelztemperatur des Rohmaterials das zusätzliche Rohmaterial mit einer Rate, die der Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels entspricht, kontinuierlich in den Schmelztiegel eingebracht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a surface temperature of the raw material ( 20 ) in the crucible ( 2 ) is continuously detected, and after a predetermined period of time or immediately after reaching the melting temperature of the raw material, the additional raw material is continuously introduced into the crucible at a rate corresponding to the heating power for heating the crucible. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Oberflächentemperatur des Rohmaterials (20) in dem Schmelztiegel (2) kontinuierlich erfasst wird und in Abhängigkeit von der Heizleistung zum Heizen des Schmelztiegels und von der Menge des aktuell in dem Schmelztiegel befindlichen Rohmaterials eine vorbestimmte Menge des zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt wird.A method according to claim 1 or 2, wherein a surface temperature of the raw material ( 20 ) in the crucible ( 2 ) is continuously detected, and a predetermined amount of the additional raw material is replenished into the crucible depending on the heating power for heating the crucible and the amount of the raw material currently in the crucible. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Oberflächentemperatur des Rohmaterials (20) in dem Schmelztiegel (2) kontinuierlich erfasst wird, um einen Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem die Schmelztemperatur des Rohmaterials erreicht ist, und wobei nach einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Zeitpunkt in Abhängigkeit von der Heizleistung eine vorbestimmte Menge des zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt wird.A method according to claim 1 or 2, wherein a surface temperature of the raw material ( 20 ) in the crucible ( 2 ) is continuously detected to determine a time at which the melting temperature of the raw material is reached, and after a predetermined period of time after the time depending on the heating power, a predetermined amount of the additional raw material is replenished in the crucible. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Füllstand des Schmelztiegels (2) kontinuierlich überwacht wird und nach einem Absinken des Füllstands um eine vorbestimmte Höhe, die von dem aktuellen Füllstand abhängig ist, eine vorbestimmte Menge des zusätzlichen Rohmaterials in den Schmelztiegel nachgefüllt wird.A method according to claim 1 or 2, wherein a level of the crucible ( 2 ) 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 the additional raw material is replenished in the crucible. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Füllstand durch Abstandsmessung, insbesondere Laser-Abstandsmessung, überwacht wird.The method of claim 6, wherein the level monitored by distance measurement, in particular laser distance measurement becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Schritt des Nachfüllens solange wiederholt wird, bis der Schmelztiegel (2) bis nahe seinem oberen Rand mit einer Schmelze gefüllt ist.Method according to one of claims 4 to 7, wherein the step of refilling is repeated until the crucible ( 2 ) is filled to near its upper edge with a melt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zusätzliche Rohmaterial beim Nachfüllen über den Querschnitt des Schmelztiegels vergleichmäßigt wird.Method according to one of the preceding claims, with the additional raw material when refilling over the cross section of the crucible evened becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zusätzliche Rohmaterial mit Hilfe von zumindest zwei Fördereinrichtungen (11, 12) eingebracht wird, von denen sich eine Fördereinrichtung (12) stromaufwärts und außerhalb eines beheizten Bereichs befindet und eine andere Fördereinrichtung dieser nachgeordnet und zumindest teilweise innerhalb des beheizten Bereichs angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the additional raw material with the aid of at least two conveyors ( 11 . 12 ) is introduced, of which a conveyor ( 12 ) located upstream and outside a heated area and another conveyor downstream of this and arranged at least partially within the heated area. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Füllstand des Schmelztiegels (2) kontinuierlich überwacht wird und das Nachfüllen des zusätzlichen Rohmaterials abgebrochen wird, bevor eine Überfüllung des Schmelztiegels erfolgt ist.Method according to one of the preceding claims, wherein a level of the crucible ( 2 ) is continuously monitored and the refilling of the additional raw material is stopped before overfilling of the crucible has occurred. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rohmaterial stückiges Silizium ist, insbesondere schüttfähiges polykristallines Silizium.Method according to one of the preceding claims, wherein the raw material is particulate silicon, in particular pourable polycrystalline silicon.
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TW097148600A TW200938664A (en) 2007-12-19 2008-12-12 Method for producing a monocrystalline or polycrystalline semiconductor material
US12/334,646 US8101019B2 (en) 2007-12-19 2008-12-15 Method for producing a monocrystalline or polycrystalline semiconductor material
CNA200810184099XA CN101463497A (en) 2007-12-19 2008-12-17 Method for producing a monocrystalline or polycrystalline semiconductor material

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4495300A1 (en) * 2023-07-18 2025-01-22 Siltronic AG Method and apparatus for determining a set-up height of a crucible unit

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101942692A (en) * 2010-09-25 2011-01-12 孙国志 High temperature microwave silicon material smelting furnace
KR20140017604A (en) 2011-03-15 2014-02-11 지티에이티 코포레이션 Automated vision system for a crystal growth apparatus
CN102230217A (en) * 2011-07-26 2011-11-02 湖南阳东磁性材料有限公司 Polycrystalline silicon ingot casting furnace
CN106637397A (en) * 2016-12-30 2017-05-10 江西赛维Ldk太阳能高科技有限公司 Polycrystalline silicon ingot, preparation method of polycrystalline silicon ingot and polycrystalline silicon ingot furnace

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62260791A (en) 1986-05-08 1987-11-13 Toshiba Ceramics Co Ltd Device for pulling up silicon single crystal
JPH01148780A (en) 1987-12-03 1989-06-12 Toshiba Ceramics Co Ltd Granular body feeder
EP0315156B1 (en) 1987-11-02 1991-10-16 Mitsubishi Materials Corporation Apparatus for growing crystals
JPH11236290A (en) 1998-02-25 1999-08-31 Shin Etsu Handotai Co Ltd Raw material addition system for single crystal pulling-up device
DE19855061A1 (en) * 1998-11-28 2000-05-31 Ald Vacuum Techn Ag Melting furnace used in the production of silicon wafers for solar cells has floor heating beneath the crucible
EP1338682A2 (en) 2002-02-20 2003-08-27 Hemlock Semiconductor Corporation Flowable chips and methods and apparatus for their preparation and use of same
US6743293B2 (en) 2000-12-01 2004-06-01 Shusaku Kabushiki Kaiksha Cruicible and growth method for polycrystal silicon using same
US20040226504A1 (en) 2003-05-16 2004-11-18 Katsunori Nakashima Apparatus and method for supplying crystalline materials in Czochralski method
US6896732B2 (en) * 2003-04-24 2005-05-24 Bryan Fickett Source material feeder apparatus for industrial crystal growth systems
EP1337697B1 (en) 2000-11-09 2005-12-14 MEMC Electronic Materials, Inc. Method and apparatus for preparing molten silicon melt from polycrystalline silicon charge
US20060060133A1 (en) 2004-09-21 2006-03-23 Katsunori Nakashima Apparatus and method for supplying raw material in Czochralski method
EP1820885A2 (en) * 2001-11-15 2007-08-22 MEMC Electronic Materials, Inc. Intermittent feeding technique for increasing the melting rate of polycrystalline silicon

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62260791A (en) 1986-05-08 1987-11-13 Toshiba Ceramics Co Ltd Device for pulling up silicon single crystal
EP0315156B1 (en) 1987-11-02 1991-10-16 Mitsubishi Materials Corporation Apparatus for growing crystals
JPH01148780A (en) 1987-12-03 1989-06-12 Toshiba Ceramics Co Ltd Granular body feeder
JPH11236290A (en) 1998-02-25 1999-08-31 Shin Etsu Handotai Co Ltd Raw material addition system for single crystal pulling-up device
DE19855061A1 (en) * 1998-11-28 2000-05-31 Ald Vacuum Techn Ag Melting furnace used in the production of silicon wafers for solar cells has floor heating beneath the crucible
EP1337697B1 (en) 2000-11-09 2005-12-14 MEMC Electronic Materials, Inc. Method and apparatus for preparing molten silicon melt from polycrystalline silicon charge
US6743293B2 (en) 2000-12-01 2004-06-01 Shusaku Kabushiki Kaiksha Cruicible and growth method for polycrystal silicon using same
EP1820885A2 (en) * 2001-11-15 2007-08-22 MEMC Electronic Materials, Inc. Intermittent feeding technique for increasing the melting rate of polycrystalline silicon
EP1338682A2 (en) 2002-02-20 2003-08-27 Hemlock Semiconductor Corporation Flowable chips and methods and apparatus for their preparation and use of same
US6896732B2 (en) * 2003-04-24 2005-05-24 Bryan Fickett Source material feeder apparatus for industrial crystal growth systems
US20040226504A1 (en) 2003-05-16 2004-11-18 Katsunori Nakashima Apparatus and method for supplying crystalline materials in Czochralski method
US20060060133A1 (en) 2004-09-21 2006-03-23 Katsunori Nakashima Apparatus and method for supplying raw material in Czochralski method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4495300A1 (en) * 2023-07-18 2025-01-22 Siltronic AG Method and apparatus for determining a set-up height of a crucible unit

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CN101463497A (en) 2009-06-24

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