DE102008022882A1

DE102008022882A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kristallisieren eines Halbleitermaterials, inbesondere von Silizium

Info

Publication number: DE102008022882A1
Application number: DE200810022882
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Müller; Uwe Dr. Sahr; Frank-Thomas Dr. Lentes; Frank Dr. Büllesfeld
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Bei einem Verfahren zum Kristallisieren eines Halbleitermaterials, insbesondere von ein- oder polykristallinem Silizium, ist zur Erzielung einer verkürzten Aufschmelzzeit vorgesehen, dass ein in den Schmelztiegel zusätzlich einzubringendes festes, stückiges Halbleiter-Rohmaterial außerhalb des Schmelztiegels durch gezielten Wärmeeintrag auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Halbleiter-Rohmaterials erwärmt wird und das erwärmte Halbleiter-Rohmaterial anschließend im erwärmten Zustand in den Schmelztiegel eingebracht wird. Der Wärmeeintrag kann durch Einkopplung elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise eines Mikrowellenfeldes oder eines Laserstrahls, realisiert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
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.
Hintergrund der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Um ein schnelleres Aufschmelzen des Rohmaterials zu ermöglichen, ist aus dem Stand der Technik das Vorwärmen von Rohmaterial beim Nachchargieren in den Schmelztiegel bekannt.
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 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.
Ein entsprechendes Vorheizen durch Wärmetauscherröhren ist aus dem US-Patent 4,353,726 auch für das Nachchargieren von pulverförmigen Materialien bei der Glasherstellung bekannt.
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.
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 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.
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.
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 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 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.
Zusammenfassung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Figurenübersicht
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:
1 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung zur Herstellung von ein- oder polykristallinem Silizium gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
4 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Nachfolgend wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Kristallisationsanlage anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden.
Ausführungsbeispiel 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.
Ausführungsbeispiel 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.
Ausführungsbeispiel 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.
Ausführungsbeispiel 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.
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.
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.

1: Vorratsbehälter
2: Fördereinrichtung
3: granulares Rohmaterial
4: Heizelemente
5: Schmelze bzw. festes Rohmaterial
6: Wärmeisolierung
7a: Deckenheizer
7b: Mantelheizer
8: Schmelztiegel
9: Kühlplatte
10: Laserstrahl
11: Durchführung für Laserstrahl/Wellenleiter
12: Magnetron
13: Spülgas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6743293 B2 [0004]
- DE 3217414 C1 [0009]
- DE 4213481 C1 [0010]
- US 4353726 [0011]
- EP 0315156 B1 [0013]
- EP 1338682 A2 [0014]
- JP 01-148780 A [0014]
- US 2004/0226504 A1 [0015]
- US 2006/0060133 A1 [0015]
- JP 07-277874 A [0016]
- JP 2006-188376 A [0017]
- JP 07-118089 A [0018]

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der gezielte Wärmeeintrag auf der Innenseite einer Wärmeisolierung (6) des den Behälter (8) aufnehmenden Schmelzofens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gezielte Wärmeeintrag durch Einwirken von elektromagnetischer Strahlung erfolgt.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleiter-Rohmaterial (3) diskontinuierlich erwärmt und in den Behälter eingebracht wird.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Füllstand durch Abstandsmessung, insbesondere Laser-Abstandsmessung, überwacht wird.
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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei das eingebrachte Halbleiter-Rohmaterial beim Nachfüllen über den Querschnitt des Behälters (8) vergleichmäßigt wird.
Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19 kristallisierten Siliziums in der Photovoltaik.
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.