NL8006003A

NL8006003A - Melting silicon in vessel with discharge outlet - giving prod. for use in e.g. photovoltaic cells

Info

Publication number: NL8006003A
Application number: NL8006003A
Authority: NL
Original assignee: Semix Inc
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1980-11-03
Publication date: 1982-06-01

Abstract

Melting of Si is carried out by charging a melting vessel with Si, heating the Si to a temp. above its m.pt., and allowing the molten Si to flow downwards through an outlet in the melting vessel. The process can be operated continuously, giving semicrystalline Si suitable for use in semiconductor devices (e.g. photovoltaic cells). It is simpler than the Czochraloki method and does not require such high temps. as the process of US Appl. 751341.

Description

ê A. * t T Tj/Se/Simex-2 L—- sê A. * t T Tj / Se / Simex-2 L-s

Werkwijze en inrichting voor het continu gieten van silicium.Method and device for continuous casting of silicon.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op een werkwijze en een inrichting voor het smelten en gieten van silicium en silicium bevattende materialen, en heeft meer in het bijzonder betrekking op een.werkwijze en inrich-5 ting voor het continu smelten van silicium voor gebruik in halfgeleiderinrichtingen teneinde de tijd en bijbehorende kosten ten opzichte van het/c§nventionele wijze smelten en vorminderen.The invention generally relates to a method and an apparatus for melting and casting silicon and silicon-containing materials, and more particularly relates to a method and apparatus for continuous melting of silicon for use in semiconductor devices in order to melt and shape the time and associated costs relative to the conventional manner.

Alhoewel de onderhavige uitvinding hier'in hoofd-10 zaak besproken zal worden met betrekking tot het smelten van silicium voor gebruik in inrichtingen van het halfgeleider-type, in het bijzonder van fotovaltoische cellen, zal het duidelijk zijn, dat de toepasbaarheid van de uitvinding niet daartoe is beperkt.Although the present invention will be discussed herein mainly with respect to the melting of silicon for use in semiconductor-type devices, in particular of photovaltoic cells, it will be understood that the applicability of the invention is not this is limited.

15 Bij het op conventionele wijze smelten en vormen van silicium voor gebruik in halfgeleiders, is het in het algemeen de praktijk om een quartz vat met stukken silicium van verschillende grootte te vullen en daarna het vat onder een schermgasdeken te verhitten tot een temperatuur die vol-20 doende hoog is om het silicium te doen smelten. Het silicium wordt dan tot een monokristallijne staaf gevormd met de Czochralski methode, waarbij in het gesmolten silicium een kern wordt gestoken, die daarna langzaam teruggetrokken wordt met een van het gesmolten silicium in het vat gevormde 25 staaf. Deze werkwijze is in het algemeen tamelijk tijdrovend . en vereist kostbare apparatuur.In conventional melting and molding of silicon for use in semiconductors, it is generally the practice to fill a quartz vessel with pieces of silicon of different sizes and then heat the vessel under a shielding gas blanket to a temperature that is satisfactory. 20 is high to melt the silicon. The silicon is then formed into a monocrystalline rod by the Czochralski method, inserting a core into the molten silicon, which is then slowly withdrawn with one of the molten silicon formed in the vessel. This method is generally quite time consuming. and requires expensive equipment.

In de Amerikaanse octrooiaanvrage 751.341 van aanvrager, wordt eenverkwijze voor het vormen van silicium tot een semikristallijn produkt beschreven. Bij die werkwijze 30 wordt silicium in een smeltvat gesmolten en daarna onder beheerste omstandigheden afgekoeld voor het vormen van een semikristallijn siliciumprodukt dat bruikbaar is voor de fabricage van fotovoltaische cellen. Deze werkwijze heeft bepaalde kostenvoordelen ten opzichte van de Czochralski me- 8006003 * 'N» i 3 -2-.In the applicant's U.S. patent application 751,341, a method of forming silicon into a semi-crystalline product is described. In that process, silicon is melted in a melting vessel and then cooled under controlled conditions to form a semicrystalline silicon product useful for the manufacture of photovoltaic cells. This method has certain cost advantages over the Czochralski me-8006003 * 'N »i 3 -2-.

u--- thode voor het produceren van silicium voor fotovoltaische cellen.u --- method of producing silicon for photovoltaic cells.

Aan de bovengenoemde werkwijze voor het vervaardigen van semikristallijn silicium voor gebruik in halfgelei-5 derinrichtingen zoals fotovoltaische cellen kleven echter een aantal problemen. Eén probleem is, dat het vaak moeilijk is om de verhitting van het silicium tot een temperatuur vlak boven het smeltpunt van silicium van 14lO°C , te beheersen. Om te verzekeren, dat alle silicium gesmolten is, 10 en omdat het moeilijk is om de verhitting van het vat bij dergelijke hoge temperaturen nauwkeurig te beheersen, wordt het silicium vaak verhit op een temperatuur, die boven het smeltpunt ligt, de temperatuur van het silicium kan bijvoorbeeld 1450°C of meer bereiken. Een dergelijke verhitting van 15 het silicium kan schadelijke'-spanningen veroorzaken in het vat dat gebruikt wordt voor het gesmolten silicium, en kan ongewenste reakties tussen het silicium en het vat veroorzaken, en kan de tijd vergroten, die noodzakelijk is voor de totale bewerking van het smelten en vormen van het silicium.However, the above method of manufacturing semicrystalline silicon for use in semiconductor devices such as photovoltaic cells has a number of problems. One problem is that it is often difficult to control the heating of the silicon to a temperature just above the melting point of silicon at 1410 ° C. To ensure that all silicon is melted, and because it is difficult to precisely control the heating of the vessel at such high temperatures, the silicon is often heated at a temperature above the melting point, the temperature of the silicon can reach, for example, 1450 ° C or more. Such heating of the silicon may cause harmful stresses in the vessel used for the molten silicon, and may cause undesired reactions between the silicon and the vessel, and may increase the time required for the total processing of melting and forming the silicon.

20 Omdat quartz en het silicium verschillende thermi sche uitzettingscoëfficiënten hebben, gebeurt het bovendien-vaak bij het stollen van het silicium, dat het vat scheurt of zelfs breekt, waardoor het vat verder onbruikbaar wordt. Quartzvaten voor het smelten van silicium zijn tamelijk 25 kostbaar, en het gevolg is, dat breuk van de vaten de totale kosten van de van met conventionele methoden vervaardigde silicium gemaakte halfgeleiderinrichtingen aanzienlijk vergroten. Het is daarom een doel van de onderhavige uitvinding om een werkwijze en inrichting te verschaffen voor het 30 smelten van silicium, die de mogelijkheid van het te ver verhitten van het silicium en het bijbehorende smeltvat aanzienlijk verkleint.Moreover, because quartz and the silicon have different thermal expansion coefficients, it often happens when the silicon solidifies that the vessel cracks or even breaks, further rendering the vessel unusable. Quartz vessels for melting silicon are quite expensive, and, as a result, breakage of the vessels significantly increases the overall cost of the semiconductor devices made of silicon made by conventional methods. It is, therefore, an object of the present invention to provide a method and apparatus for melting silicon that greatly reduces the possibility of overheating the silicon and the associated melting vessel.

Een ander doel van de onderhavige uitvinding is een werkwijze en inrichting te verschaffen voor het smelten 35 van silicium, die de mogelijkheid van breuk van het smeltvat verkleint, en daardoor de kosten van de smeltbewerking vermindert.Another object of the present invention is to provide a method and apparatus for melting silicon which reduces the possibility of breakage of the melting vessel and thereby reduces the cost of the melting operation.

8006003 ) -3-.8006003) -3-.

. '·*. * · *

Weer een ander doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een werkwijze en inrichting voor het smelten van silicium die continu kan werken.Yet another object of the present invention is to provide a silicon melting method and apparatus which can operate continuously.

Weer een ander doel van de onderhavige uitvinding 5 is het verschaffen van een werkwijze en inrichting voor het smelten en gieten van silicium waarbij vaten van relatief goedkoop materiaal kunnen worden gebruikt.Yet another object of the present invention is to provide a method and apparatus for melting and casting silicon in which vessels of relatively inexpensive material can be used.

In het kort omvat de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het smelten van silicium, omvattende het 10 vullen van een vat met silicium, waarbij dat vat een afvoer heeft, het verhitten van het silicium in het vat tot een temperatuur boven het smeltpunt van het silicium, en het . door de afvoer uit het vat naar buiten laten lopen van het gesmolten silicium. De uitvinding verschaft ook een inrich-15 ting die in. de bovenbeschreven werkwijze kan worden gebruikt en een vat omvat met een open afvoer daarin.Briefly, the present invention includes a method of melting silicon, comprising filling a vessel with silicon, said vessel having an outlet, heating the silicon in the vessel to a temperature above the melting point of the silicon, and the . allowing the molten silicon to run out through the drain from the vessel. The invention also provides an apparatus which can be used in. the above-described method can be used and comprises a vessel with an open drain therein.

Verdere doeleinden, voordelen en kenmerken van de onderhavige uitvinding zullen duidelijk worden uit een gedetailleerde beschrijving van de inrichting aan de hand van 20 de bijgevoegde tekening.Further objects, advantages and features of the present invention will become apparent from a detailed description of the device with reference to the attached drawing.

In de tekening wordt een dwarsdoorsnede getoond van een vat voor het bevatten van gesmolten silicium overeenkomstig de huidige uitvinding.The drawing shows a cross-section of a vessel for containing molten silicon according to the present invention.

De inrichting 10 omvat een smeltvat 12, een dit 25 omgevende warmtebron 20 en hoogfrequent spoelen 22 . Het vat 12 heeft in deze uitvoeringsvorm in het algemeen een cirkelvorm en een aflopend bodemoppervlak 14 met een open afvoer 16 daarin. Alhoewel quartz in het algemeen als . materiaal de voorkeur verdient voor het vat 12, kan het vat 30 ook worden gevormd van aanzienlijk goedkoper materiaal zoals vuurvaste klei en dergelijke, daar verontreiniging door onzuiverheden in het materiaal van het vat aanzienlijk verminderd wordt met de werkwijze volgens de huidige uitvinding zoals hierna uiteengezet zal worden.The device 10 comprises a melting vessel 12, a surrounding heat source 20 and high-frequency coils 22. The vessel 12 in this embodiment generally has a circular shape and a sloping bottom surface 14 with an open drain 16 therein. Although quartz generally like. material is preferred for the vessel 12, the vessel 30 may also be formed from considerably cheaper material such as refractory clay and the like since impurity contamination in the vessel material is significantly reduced by the method of the present invention as set forth below. turn into.

35 Onder de afvoer 16 van het smeltvat 12 is een ver- zamelvat 18 geplaatst dat het uit de afvoer naar buiten stromende gesmolten silicium opvangt. Het verzamelvat 18 kan net zoals het smeltvat 12 van quartz, klei of dergelijk ma- 8006003 4 -4- e · teriaal zijn.A collection vessel 18 is placed under the outlet 16 of the melting vessel 12 to collect molten silicon flowing out of the outlet. The collection vessel 18, like the melting vessel 12, may be of quartz, clay or the like material.

De werkwijze van het smelten van silicium bevattend materiaal onder gebruikmaking van de inrichting 10 omvat het aanbrengen van stukken of brokken silicium in het 5 vat 12, en daarna het verhitten van het vat en de inhoud daarvan met behulp van de spoelen 22. Het silicium kan geraffineerde silicium , die gewoonlijk "poly” wordt genoemd of metallurgisch silicium met meer verontreinigingen dan silicium van een ,,poly"-type. Terwijl het vat 12 wordt verhit, 10 wordt het silicium bevattende materiaal tegen ongewenste chemische reakties beschermd door een niet-oxiderende beschermende gasdeken.The method of melting silicon-containing material using the device 10 involves placing pieces or chunks of silicon in the vessel 12, and then heating the vessel and its contents using the coils 22. The silicon can refined silicon commonly referred to as "poly" or metallurgical silicon with more impurities than "poly" type silicon. While the vessel 12 is being heated, the silicon-containing material is protected from undesired chemical reactions by a non-oxidizing protective gas blanket.

Wanneer het silicium bevattende materiaal zijn smeltpunt van ongeveer 1410°C bereikt, zal het silicium smel-15 ten en naar beneden stromen naar de bodem van het vat 12 en door de afvoer 16 naar buiten in het opvangvat 18, waarin het langzaam kan stollen, bijvoorbeeld volgens het proces van de eerder genoemde Amerikaanse aanvrage. Het gestolde lichaam van semikristallijn silicium kan dan in plakken worden gesne-20 den voor de vervaardiging van fotovoltaische cellen.When the silicon-containing material reaches its melting point of about 1410 ° C, the silicon will melt and flow down to the bottom of the vessel 12 and out through the drain 16 into the receiving vessel 18, where it can slowly solidify, for example, according to the process of the aforementioned U.S. application. The solidified semicrystalline silicon body can then be sliced to produce photovoltaic cells.

Daar bij deze werkwijze het silicium uit het vat stroomt zodra het smelt of kort daarna, is de kans dat het silicium oververhit raakt daardoor aanzienlijk verkleind.Since in this method the silicon flows out of the vessel as soon as it melts or shortly thereafter, the chance that the silicon overheats is considerably reduced.

Een verder voordeel van de huidige werkwijze en inrichting 25 is dat terwijl de hoeveelheid silicium in het vat 12 vermindert doordat het gesmolten materiaal uit de afvoer 16 naar buiten stroomt, nieuw materiaal in het vat kan worden gebracht. Ook kan het opvangvat 18 verwijderd worden en vervangen worden door een ander leeg opvangvat nadat een bepaalde hoeveel-30 heid gesmolten silicium in het eerste vat is gestroomd. De werkwijze en inrichting volgens de onderhavige uitvinding zijn dus geschikt voor het continu gieten van silicium.A further advantage of the current method and apparatus 25 is that while the amount of silicon in the vessel 12 decreases as the molten material flows out of the drain 16, new material can be introduced into the vessel. Also, the receiving vessel 18 can be removed and replaced with another empty receiving vessel after a certain amount of molten silicon has flowed into the first vessel. Thus, the method and apparatus of the present invention are suitable for continuous casting of silicon.

Een enkel smeltvat 12 kan daardoor gebruikt worden voor het smelten van een volume aan silicium dat aanzienlijk groter 35 is dan zijn eigen volume.Therefore, a single melting vessel 12 can be used to melt a volume of silicon significantly greater than its own volume.

Daar bovendien het grootste gedeelte , zo niet al het gesmolten silicium uit het vat 12 zal stromen bij beein- 8006003 f i -5-In addition, since most, if not all, of the molten silicon will flow out of the vessel 12 at 800-8003 f i -5-

ψ” -Cψ ”-C

diging van de gietcyclus, is de kans dat het vat breekt tengevolge van stolling van silicium in het vat tijdens het afkoelen aanzienlijk kleiner zo al niet geheel afwezig.Due to the casting cycle, the chance of the vessel breaking due to the solidification of silicon in the vessel during cooling is considerably smaller, if not completely absent.

Zoals eerder werd opgemerkt, worden op dit moment 5 vaten van het quartz type vrijwel uitsluitend gebruikt voor het op conventionele wijze smelten van silicium, om . verontreiniging van het materiaal door het vat te minimaliseren. De huidige uitvinding maakt het echter mogelijk om andere materialen zoals b.v. klei voor het vat 12 te gebruiken, 10 daar de verblijfsduur van het gesmolten silicium in het algemeen te kort is om een belangrijke materiaalverontreiniging door eventuele onzuiverheden in het vat op te laten treden.As noted previously, 5 quartz type vessels are currently used almost exclusively for conventional melting of silicon. minimize contamination of the material by the vessel. However, the present invention makes it possible to use other materials such as e.g. clay for the vessel 12, since the residence time of the molten silicon is generally too short to allow significant material contamination to occur from any impurities in the vessel.

Om overeenkomstige redenen kan het opvangvat 18 ook van ander materiaal dan quartz zijn.vervaardigd. Het gebruik van ande-15 re materialen voor de vaten 12 en 18 kan natuurlijk een aanzienlijke kostenbesparing met zich meebrengen bij het smelten en gieten van silicium door de lage prijs van deze andere materialen.For similar reasons, the receiving vessel 18 may also be made of a material other than quartz. The use of other materials for vessels 12 and 18 can of course entail significant cost savings in the melting and casting of silicon due to the low price of these other materials.

20 800600320 8006003

Claims

1. A method of melting silicon characterized by placing silicon in a discharge melting vessel, heating the silicon in the vessel to a temperature above the melting point of silicon, and leaving it through the outlet from the vessel flowing the molten silicon.

The method of claim 1, further characterized by solidifying the molten silicon while controlling its heat dissipation.

Method according to claim 1, characterized in that the molten silicon is collected in a receiving vessel after it has flowed through the discharge.

A method according to claim 3, characterized in that the melting vessel is formed from a ceramic material.

Method according to claim 3, characterized in that the receiving vessel is made of a ceramic material.

A method according to claim 1, characterized in that the silicon is of a metallurgical grade.

7. Silicon melting device, characterized by a vessel made of a material which is substantially inert to silicon at the melting point of silicon and capable of withstanding temperatures above 1410 ° C, said vessel has drain.

8. Device according to claim 7, characterized in that the material of the vessel comprises a ceramic material.

Device as claimed in claim 7, characterized in that the outlet is continuously open for the passage of liquid therethrough by gravity.

10. Device according to claim 9, characterized in that the drain is arranged in the bottom of the vessel. 8006003