DE10047929B4

DE10047929B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien

Info

Publication number: DE10047929B4
Application number: DE2000147929
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Chem. Dr. Höfs Hans-Ulrich; Ralf Kuhn; Hans-Ulrich Lambert; Ulrich Kowitz; Dipl.-Phys. Steinbach Ingo
Original assignee: RGS DEVELOPMENT BV; RGS Dev BV
Current assignee: Rgs Development Bv Nl
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: DE10047929A1; NL1019030A1; NL1019030C2

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters oder Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat,
a) wobei die Vorrichtung einen oberhalb des Substrates angeordneten beheizten Gießrahmen enthält,
b) wobei der Gießrahmen eine Bodenplatte aufweist,
c) welche Bodenplatte an der Seite des Substrataustritts ein Fenster über 1 bis 100% der lichten Breite des Rahmens offen lässt,
d) wobei sich die Breite des Rahmens quer zu einer Transportrichtung des Substrats erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Halbleiter- oder Metallschmelze auf einem bewegten Substrat nach dem Ribbon Growth an Substrate-Verfahren (RGS-Verfahren) sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien.
Die direkte Umwandlung von Sonnenstrahlungsenergie in elektrischen Strom mit photovoltaischen Systemen ist eine der interessantesten alternativen Methoden der Nutzenergieerzeugung. Kleinste bis mittelgroße Photovoltaik-Anlagen mit und ohne Anschluss an ein Elektrizitätsverbundnetz können aus entsprechenden Solarmodulen nach Bedarf zusammengestellt und durch die benötigten Peripheriegeräte wie beispielsweise Wechselrichter oder Akkumulatoren samt Ladesystemen erweitert werden. Geeignete Systeme können auch einfach auf Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen installiert werden.
Es sind jedoch nach wie vor große Anstrengungen erforderlich, um Verfahren zu entwickeln bzw. zu verbessern, mit denen die Kosten, vor allem die Herstellkosten der photovoltaischen Systeme, weiter deutlich gesenkt werden können. Einen besonders hohen Anteil an den Gesamtkosten photovoltaischer Systeme hat die Herstellung des flächigen Halbleiter-Basismaterials, aus dem die Solarzellen unterschiedlichster Art prozessiert werden können.
Da kontinuierlich arbeitende Verfahren in aller Regel die leichte Produktion großer Mengen erlauben und kostengünstiger arbeiten als Chargenprozesse, besteht ein hohes Interesse an kontinuierlichen Prozessen zur Herstellung von Halbleiter und Metallscheiben oder -folien, speziell für den Einsatz in der Photovoltaik.
Ein besonders interessantes und elegantes Verfahren zur Herstellung von Halbleiter und Metallscheiben oder -folien, insbesondere für die Herstellung flächiger Halbleitermaterialien, ist das RGS-Verfahren (Ribbon Growth an Substrate). Bei diesem Verfahren werden die aufwendigen Sägeschritte eingespart und die damit verbundenen Materialverluste vermieden, die beim Aufsägen von Einkristallsäulen oder multikristallin erstarrten Halbleiterblöcken, die etwa nach dem Blockgussverfahren hergestellt werden, nicht zu vermeiden sind. Das RGS-Verfahren zeichnet sich weiterhin durch eine hohe Flächenerzeugungsrate aus. Bevorzugt wird das RGS-Verfahren zur Herstellung von Siliciumfolien eingesetzt, es können aber auch alle dem Fachmann bekannten Halbleitermaterialien und Metalle bzw. Mischungen daraus, die sich aus einer Schmelze oder Lösung definiert abscheiden lassen, zu Scheiben oder Folien verarbeitet werden.
EP 165 449 A1 offenbart die grundlegende Funktionsweise des RGS-Verfahrens. Aus der Schmelze werden bei hohen Geschwindigkeiten Halbleiterfolien auf einer Unterlage (Substrat) abgeschieden. Es werden dabei Folien mit großen kolumnar gewachsenen Kristallkörnern und einer geringen Fehlstellenkonzentration erhalten. Der flüssige Halbleiter wird mit Hilfe eines Formkörpers, hier im Folgenden Gießrahmen genannt, auf das plattenförmige horizontale oder bis zu ±30° gegen die Horizontale geneigte Substrat aufgebracht, wobei parallel in Längsrichtung zwischen Substrat und Gießrahmen eine Relativbewegung eingestellt wird. Gleichzeitig wird im Beschichtungsbereich 65 zwischen dem Gießrahmen und der Unterlage ein Temperaturgradient so eingestellt, dass in diesem Bereich die Kristallisation einsetzt.
Der in EP 165 449 A1 beschriebene Gießrahmen hat in der Aufsicht die Form eines Rahmens von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt. Diese Rahmenform wird deshalb im Folgenden als Kastenrahmen bezeichnet. Das flüssige Halbleitermaterial wird durch das Substrat bzw. das auf diesem aufgewachsene feste Halbleitermaterial im Gießrahmen gehalten, wobei die hohe Oberflächenspannung des Halbleitermaterials ausgenutzt wird. Diese Konstruktion stellt somit eine Wanne dar, bestehend aus einem Gießrahmen mit im Wesentlichen senkrechten Wänden und aus einem separaten Boden. Boden und Gießrahmen werden relativ zueinander bewegt. Die Abmessungen des Gießrahmens bestimmen die Größe der Grenzfläche zwischen dem flüssigen und dem bereits erstarrten Halbleiter oder Metall. Somit kann durch eine Vergrößerung der effektiven Länge des Gießrahmens die wachsende Folienoberfläche verlängert werden und umgekehrt. Dies wiederum erlaubt Transportgeschwindigkeiten, die um deutlich mehr als den Faktor 100 höher liegen als die Kristallisationsgeschwindigkeit.
Aus DE 41 02 484 A1 ist bekannt, dass das RGS-Verfahren durch Verwendung von Substratmaterialien mit geeigneten Nuten so verbessert werden kann, dass direkt Metall- und Halbleiterfolien in Form diskreter Scheiben erzeugt werden können. Damit entfallen entsprechende Trennschritte zur Zerteilung senkrecht zur Folienebene, beispielsweise unter Verwendung der aus der Halbleitertechnik bekannten Trennsägen (dicing saws) oder durch Einsatz von Laser zum Durchtrennen bzw. zum Anritzen mit anschließendem Brechen.
DE 41 05 910 A1 offenbart, dass sich erstarrende Metall- oder Halbleiterschmelzen durch Behandeln mit einem Gas reiner herstellen lassen. Unter Gas wird hierbei ein unter den Bedingungen des RGS-Verfahrens oxidierend wirkendes Gas oder eine Mischung mehrerer solcher Gase in Mischung mit einem Inertgas oder mehreren verschiedenen Inertgasen verstanden. Anschließend ist die unter diesen Bedingungen erstarrte oberflächennahe Metall- oder Halbleiterschicht von einigen um Dicke durch einen mechanischen oder chemischen Abtrag zu entfernen. Dieses Vorgehen ist insbesondere geeignet bei der Herstellung von Siliciumfolien für den Einsatz in der Photovoltaik nach dem RGS-Verfahren.
Mit dem RGS-Verfahren steht eine Methodik zur Verfügung, die sich ausgezeichnet zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien eignet. Es hat sich aber gezeigt, dass das RGS-Verfahren teilweise empfindlich auf Änderungen der Verfahrensparameter reagiert. Kritische Verfahrensparameter sind insbesondere die Temperatur des Gießrahmens, des Substrates und der Schmelze und die Füllhöhe im Gießrahmen. Änderungen dieser Verfahrensparameter haben insbesondere Einfluss auf die Qualität der Unterseite der erzeugten Scheiben oder Folien, die Seite, die dem Substrat zugewandt ist. In nach dem RGS-Verfahren hergestellten Scheiben oder Folien finden sich in ungünstigen Fällen mechanische Strukturen, die als eingefrorene Wellen beschrieben werden können. Werden diese Strukturen zu groß, bilden sich im Extremfall von der Unter- zur Oberseite durchgehende Löcher in den Scheiben oder Folien. Beim Prozessieren von Solarzellen aus oder auf Siliciumscheiben ist man auf hinreichend glatte oder sogar ebene Siliciumscheibenoberflächen angewiesen. Die geschilderten Oberflächenstrukturen stören oder verhindern im Extremfall die Herstellung von Solarzellen aus oder auf diesen Scheiben oder Folien.
Im bekannten RGS-Verfahren lassen sich die beschriebenen kritischen Verfahrensparameter oftmals nur schwer mit hinreichender Zuverlässigkeit konstant halten.
Darüber hinaus ist es schwierig, nach dem bekannten RGS-Verfahren Siliciumfolien zu erzeugen, die eine Dicke von kleiner 200 μm aufweisen. Wird die Substratgeschwindigkeit relativ zum Gießrahmen erhöht, was prinzipiell zur Bildung dünner Folien führen sollte, tritt oft zwischen der schon erstarrten Folie und der Unterseite der vorderen Gießrahmenwand so viel flüssiges Silicium aus, dass der gewünschte Effekt durch diese flüssige Masse wieder näherungsweise aufgehoben wird. Dieses flüssig ausgetretene Silicium wird als Schmelzeschlupf bezeichnet. Darüber hinaus erstarrt eine erhöhte Menge des Schmelzeschlupfs geometrisch und damit thermisch sehr ungleichmäßig auf der Folie; diese wird damit in der Regel für die Solarzellenproduktion unbrauchbar.
Dünnere Folien sind prinzipiell auch durch eine entsprechende Verkürzung des Gießrahmens zugänglich. Damit wird dieser jedoch in Relation schmal und hoch. Da der Gießrahmen nur lose in einer Halterung liegt, die ihn gegen Verschieben fixiert, kann der Gießrahmen gemäß Stand der Technik nicht mehr hinreichend plan und ruhig auf dem bewegten Substrat aufliegen. Wiederum stellt sich ein erhöhter Schmelzeschlupf mit allen Folgeeffekten ein. Weiterhin muss der Gießrahmen für einen diskontinuierlichen Ansatz einmalig oder für den dauerhaften Betrieb kontinuierlich mit flüssigem Silicium befüllt werden. Bei immer schmaler werdendem Rahmen wird entsprechend das Arbeitsvolumen an flüssigem Silicium immer geringer. Entsprechend diffizil wird die verfahrenstechnisch zuverlässige Befüllung bzw. das Halten des Füllstandes.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein RGS-Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben und -folien zur Verfügung zu stellen, die es erlauben, zuverlässig Scheiben oder Folien herzustellen, die eine für die weitere Verarbeitung hinreichend glatte und ebene Oberfläche aufweisen, wobei die kritischen Verfahrensparameter auf einfache Weise stabil gehalten werden können.
Gegenstand der Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters, Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat, wobei sich die Schmelze in einem oberhalb des Substrates angeordneten beheizten Gießrahmen befindet und die Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens eine Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des eingesetzten Materials und einer Temperatur von 5°C oberhalb dieser Schmelztemperatur aufweist und in der Schmelze ein Temperaturgradient eingestellt wird, wobei die Temperatur im Mittel vom Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens in Richtung des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens ansteigt, und wobei eine kleinstmögliche Menge schon erstarrter Schmelze wieder aufgeschmolzen wird.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters oder Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat enthält einen oberhalb des Substrates angeordneten beheizbaren Gießrahmen, der eine Bodenplatte aufweist, die an der Seite des Substrataustritts ein Fenster über 1 bis 100% der lichten Breite des Rahmens offen lässt, wobei sich die Breite des Rahmens quer zu einer Transportrichtung des Substrats erstreckt.
Vorzugsweise weist die Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens eine Temperatur zwischen der Schmelzetemperatur und 1°C oberhalb derselben auf.
Weist die Schmelze erfindungsgemäß im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens eine Temperatur zwischen der Schmelzetemperatur des eingesetzten Materials und einer Temperatur von 5°C oberhalb dieser Schmelztemperatur auf, bevorzugt eine Temperatur zwischen der Schmelzetemperatur und 1°C oberhalb derselben, wird die kleinstmögliche Menge schon erstarrter Schmelze wieder aufgeschmolzen. Die aus dem Rahmen austretende und dabei auf der schon erstarrten Scheibe oder Folie aufliegende Menge flüssigen Halbleiters oder Metalls wird so minimiert. Im Idealfall tritt nur die hydrodynamisch nicht zu vermeidende Menge flüssigen Halbleiters oder Metalls zusammen mit der kristallisierten Scheibe oder Folie aus.
Wird an der genannten Stelle hingegen eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des eingesetzten Materials eingestellt, beginnt der Gießrahmen auf der Scheibe oder Folie anzufrieren. Es kommt zu einem Mitreißen des Gießrahmens bis sich dieser wieder ablöst. Dabei wird der Gießrahmen angehoben, wobei erhöhte Mengen flüssigen Halbleiters oder Metalls austreten. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig und es entstehen in der Regel keine brauchbaren Scheiben oder Folien mehr.
An der äußeren Wand des Gießrahmens bildet sich beim Austritt der erstarrten Schmelze durch die auf diesem aufliegende dünne noch flüssige Schicht ein vorderer Meniskus aus. Im Anfangsbereich des Wachstumskeils bildet sich ein hinterer Meniskus der Schmelze aus, der ein Auslaufen entgegen der Transportrichtung verhindert.
Ist die Temperatur auf der Seite des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens zu niedrig, erstarrt die Schmelze schon im Bereich des hinteren Meniskus. Es bilden sich Folien mit unregelmäßigen und unbrauchbaren Folienunterseiten. Häufig bildet sich dabei der eingefrorene Meniskus als Wellenmuster quer zur Transportrichtung ab.
Erfindungsgemäß wird in der Schmelze ein Temperaturgradient eingestellt, so dass die Temperatur im Mittel in Richtung der Seite des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens ansteigt.
Auf Grund des Wärmeübergangs in der Schmelze wird die Temperatur dabei in der Regel ungleichmäßig ansteigen. Während die Temperatur zunächst nicht oder nur schwach ansteigt, wobei es sogar zu einem gewissen Temperaturabfall kommen kann, steigt die Temperatur nahe der Seite des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens stark an.
Vorzugsweise wird die Temperatur an der Seite des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens so hoch eingestellt, dass die Schmelze im ganzen hinteren Meniskus flüssig bleibt, und das Metall- oder Halbleitermaterial erst dann zu kristallisieren beginnt, wenn es makroskopisch flächigen Kontakt mit dem Substrat erhalten hat.
Alternativ kann der Temperaturgradient in der Schmelze auch so eingestellt werden, dass das Metall- oder Halbleitermaterial zu kristallisieren beginnt, wenn es soeben noch keinen makroskopisch flächigen Kontakt mit dem Substrat erhalten hat.
Bei einer erfindungsgemäßen Temperaturführung stellt das relativ zur Schmelze kalte Substrat Fremdkeime in hinreichender Menge für eine makroskopisch in der Aufsicht nahezu isotrope Kristallisation bereit. Es entsteht ein globulitischer Kristallhabitus. Als globulitisch wird ein Kristallbild bezeichnet, bei dem die einzelnen Kristalle überwiegend als säulenartige Gebilde von der Folienunter- zur Folienoberseite gewachsen sind und bei denen damit in der Aufsicht die Transportrichtung von Substrat und Folie kaum oder gar nicht erkennbar ist.
Ein globulitisches Kristallgefüge korreliert mit deutlich weniger Kristalldefekten als ein dendritisches und ist daher wünschenswert. Dies hat seine wesentliche Ursache in der Keimbildung und im Kristallwachstum (I. Steinbach, H.-U. Höfs, Microstructural Analysis of the Crystallization of Silicon Ribbons Produced by the RGS Process, 26th PVSC, 1997 Anaheim, USA). Um dem Idealfall einer globulitischen, vom Habitus isotropen Kristallisation möglichst nahe zu kommen, muss die Temperatur des Gießrahmens direkt am Eintritt des Substrates so hoch wie praktisch möglich einstellt werden.
Die beiden Forderungen der erfindungsgemäßen Temperaturführung, dass einerseits die Temperatur der Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Gießrahmen möglichst knapp über dem Schmelzpunkt des Folienmaterials liegt und andererseits in der Schmelze ein Temperaturgradient eingestellt wird, wobei die Temperatur im Mittel in Richtung des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens ansteigt, d. h. dass die Schmelze im Bereich des Eintritts des Substrats in den Gießrahmen eine deutlich höhere Temperatur aufweist, sind ein innerer Widerspruch. Im ersten Fall muß nur relativ wenig Wärmeenergie zugeführt werden, um die gewünschte Temperatur zu halten. Im zweiten Fall wird viel Wärmeenergie benötigt.
Die Temperatur im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens wird beispielsweise mittels der Temperatur der Seite des Gießrahmens im Bereich des Austritts des Substrats gesteuert, indem man die Gießrahmentemperatur mit einer geeigneten Heizung entsprechend einstellt. Hierbei müssen empirisch oder per numerischer Simulation die Wärmeströme im Gießrahmenbereich entsprechend berücksichtigt werden. Die optimale Gießrahmentemperatur wird vorzugsweise ermittelt und eingestellt, indem der scheinbare Schmelzeschlupf auf ein Minimum gebracht wird. Unter scheinbarem Schmelzeschlupf wird der hydrodynamisch gegebene Schmelzeschlupf und zuzüglich die wieder aufgeschmolzene Schmelzeschicht verstanden. Die gemessene und optimal einjustierte Temperatur im freien Raum über der Schmelze liegt dabei deutlich höher als die damit gekoppelte effektive Temperatur der unteren Gießrahmenaustrittsseite.
Das erfindungsgemäße Temperaturprofil der Schmelze, d. h. die Temperatur im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens und der Temperaturgradient in der Schmelze kann beispielsweise ganz oder teilweise dadurch eingestellt werden, dass die Temperatur der Substratoberfläche unmittelbar vor der Beschichtung des Substrates mit dem Metall- oder Halbleitermaterial selektiv gegenüber dem Substratvolumen angehoben wird.
Es ist beispielsweise auch möglich, das erfindungsgemäße Temperaturprofil der Schmelze ganz oder teilweise durch ein entsprechendes Temperaturprofil des Gießrahmens einzustellen.
Der Gießrahmen zur Durchführung des RGS-Verfahrens lässt sich prinzipiell mit einer oben liegenden Deckelheizung und/oder mit einer an den vier Seiten angebrachten Heizung betreiben. Eine solche Seitenheizung kann als Widerstandsheizung ausgebildet sein, wobei der Heizleiter, beispielsweise aus Graphit oder Siliciumcarbid besteht. Eine Seitenheizung kann beispielsweise auch als Induktionsheizung ausgebildet sein. Hier wirkt der Rahmen als Suszeptor. Dieser ist von einer metallischen, vorzugsweise wassergekühlten Induktionsspule umgeben.
Erfindungsgemäß wird die Temperatur im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens und der Temperaturgradient in der Schmelze vorzugsweise durch den Einsatz einer Zusatzheizung, eines Gießrahmens mit verschiedenen Wandstärken, eines Gießrahmens, der als Zweikammerrahmen ausgebildet ist, eines Gießrahmens, der als Keilbodenrahmen ausgebildet ist oder einer Kombination mehrerer dieser Maßnahmen eingestellt.
Im Folgenden werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens anhand der 1 bis 4 näher erläutert, wobei andere Ausgestaltungsformen möglich und ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, und die Figuren nicht einschränkend zu verstehen sind.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Temperaturgradient in der Schmelze durch den Einsatz einer Zusatzheizung eingestellt, die in Form einer Querheizung ausgebildet ist.
In dieser Ausführungsform beheizt die Zusatzheizung die Oberfläche des Substrats quer zu dessen Transportrichtung im Bereich der eintrittsseitigen Wand des Gießrahmens selektiv gegenüber dem Substratvolumen und/oder die untere Wandung des Gießrahmens im Bereich des Substrateintritts.
Ein Gießrahmen mit Zusatzheizung ist in den 1a und 1b exemplarisch dargestellt, wobei 1b einen Querschnitt durch die in 1a dargestellte Ausführungsform wiedergibt. Die Querheizung (9) wird möglichst nahe an der in Transportrichtung (4) hinteren Wand des Gießrahmens (1) und direkt über dem Substrat (2) installiert, wobei das Substrat (2) vorteilhaft Nuten (3) aufweist. Die Querheizung (9) soll einen möglichst großen Teil ihrer Energie direkt auf die Substratoberfläche bzw. in die hintere Seite des Gießrahmens (1) einbringen. Wesentlich ist ein geringer Abstand von Querheizung (9) und Gießrahmen (1), um zu verhindern, dass die auf die Substratoberfläche eingestrahlte Wärmeenergie in das Substratvolumen dissipiert bzw. wieder abgestrahlt wird. Die 1a und 1b zeigen als ein mögliches Ausführungsbeispiel der Zusatzheizung einen rechteckigen Widerstandsheizungsstab (9). Neben der Zusatzheizung ist exemplarisch eine Widerstandsheizung (a) für den Gießrahmen (1) in näherungsweiser Ω-Form dargestellt. Im Gießrahmen (1) befindet sich die Schmelze (5) eines Halbleiters oder eines Metalls, vorzugsweise eine Siliciumschmelze, wobei im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Gießrahmen (1) eine Scheibe oder Folie (6) des Halbleiters oder Metalls auf dem Substrat (2) entsteht. Im Bereich des Austritts des Substrats (2) aus dem Gießrahmen (1) bildet sich ein vorderer Meniskus (8), im Bereich des Eintritts des Substrats (2) in den Gießrahmen (1) ein hinterer Meniskus (7).
Die Querheizung kann beispielsweise als Widerstandsheizung ausgebildet sein und weist vorzugsweise die Form eines Stabes mit näherungsweise rundem, quadratischem, ellipsenförmigem oder rechteckigem Profil auf. Wird eine Querheizung in Form einer Widerstandsheizung eingesetzt, besteht diese vorzugsweise aus Graphit oder Siliciumcarbid. Die Widerstandsheizung kann auch in Form eines Mäanders gebaut sein.
Vorzugsweise ist die Widerstandsheizung so gestaltet und angeordnet, dass ein möglichst großer Teil der strahlenden Oberfläche auf das Substrat und/oder die eintrittsseitige untere Wandung des Gießrahmens gerichtet ist, wobei die Energieausbeute durch reflektierende bzw. isolierende Elemente verbessert wird.
Die Querheizung kann beispielsweise auch als Lampenheizung ausgestaltet sein, wobei die Lampenheizung vorzugsweise eine lineare Form aufweist und mit einem fokussierenden Spiegel ausgestattet ist. Die Heizleistung wird vorzugsweise weitgehend auf eine Linie fokussiert, die quer über dem Substrat und möglichst nahe an der Gießrahmenwandung liegt. Alternativ kann diese Fokussionslinie auch auf der hinteren Gießrahmenwandung liegen, möglichst nahe am unteren Ende und damit möglichst nahe am Substrat.
Die Querheizung kann weiterhin beispielsweise als Induktionsheizung ausgestaltet sein. Dabei erfolgt der Einbau einer Induktionsspule vor der hinteren Gießrahmenwandung. Die hintere Gießrahmenwandung ist entsprechend zu modifizieren, damit sie möglichst effektiv als Suszeptor wirken kann. Alternativ kann auch ein besonderer Suszeptor installiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur der Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens und der Temperaturgradient in der Schmelze ganz oder teilweise durch Einsatz eines Gießrahmens mit unterschiedlichen Wandstärken, der mittels einer Induktionsheizung beheizt wird, eingestellt.
Vorzugsweise weist die Wandung des Gießrahmens an der Eintrittsseite des Substrates 10 bis 99% der Dicke der seitlichen Wandung auf, besonders bevorzugt 30 bis 95%, und die Wandung des Gießrahmens an der Austrittsseite des Substrates 101 bis 500% der seitlichen Wandstärke, besonders bevorzugt 105 bis 200%.
Diese Ausführungsform ist schematisch in den 2a und 2b dargestellt, wobei 2b einen Querschnitt durch 2a wiedergibt. Die in Transportrichtung (4) vordere Wand (11) weist eine größere Wandstärke auf als die übrigen Wände des Gießrahmens (1), während die hintere Wand (10) eine geringere Wandstärke aufweist. Der so gestaltete Gießrahmen wird mit einer Induktionsheizung beheizt. Die Induktionsspule (b) wird dabei vorzugsweise um den Gießrahmen (1) herum installiert. Es ist jedoch auch möglich, die Induktionsspule oberhalb des Gießrahmens (1) anzuordnen.
Vorzugsweise wird die Induktionsspule (b) aus einem elektrisch gut leitenden Metall gebaut. Beispielhaft seien Kupfer, Aluminium und Silber genannt. Die Induktionsspule (b) ist vorzugsweise nicht aus massivem Material, sondern aus einem Rohr gefertigt, das während des Betriebs von einem Kühlmedium, beispielsweise Wasser, durchströmt wird. Die Anzahl der Windungen der Induktionsspule (b), der Rohrdurchmesser und die Rohrwindstärke sind nach den Regeln der Technik durch Rechnung oder empirisch an den Gießrahmen (1), die Mittelfrequenzenergieversorgung der Induktionsheizung und den gesamten Aufbau anzupassen.
Vorzugsweise wird eine Mittelfrequenz im Bereich von etwa 1 bis 30 kHz eingesetzt. In diesem Fall weist die Induktionsspule (b) vorzugsweise 1 bis 5 Windungen und das verwendete Rohr einen quadratischen Querschnitt von 1 cm Durchmesser und eine Wandstärke von 1,5 mm auf.
Die Wandung des Gießrahmens (1) dient als Suszeptor. Das Mittelfrequenzfeld der Induktionsspule kann jedoch auch so eingestellt werden, dass eine gewisse Eindringtiefe in das Innere des Gießrahmens (1) hinein gegeben ist. In diesem Fall wird die im Gießrahmen (1) befindliche Schmelze (5) auch direkt beheizt. Je höher die Frequenz der Induktionsspule gewählt wird, desto geringer ist dieser Effekt. Weiterhin bewirkt das Mittelfrequenzfeld in Abhängigkeit von Geometrie und Frequenz eine gewisse Bewegung der flüssigen Schmelze (5).
Dominierend ist jedoch der Einfluss des Gießrahmens (1). Die Gießrahmenwandung wirkt als kurzgeschlossene Spule mit 1 Windung. Somit entsteht in erster Näherung durch das Induktionsfeld ein im Takt der Mittelfrequenz alternierender Ringstrom in der Gießrahmenwandung. Dieser induzierte Strom heizt im Sinne einer Widerstandsheizung den Gießrahmen (1). Die Dicke der Gießrahmenwandung ist im Gesamtzusammenhang des induktiven Systems vom Fachmann entsprechend auszulegen. Einerseits muß das Mittelfrequenzfeld gut einkoppeln können. Andererseits ist im Sinne der Widerstandsheizung ein adäquater elektrischer Widerstand einzustellen. Dieser ist eine Funktion der Geometrie und der elektrischen Leitfähigkeit des verwandten Materials.
Wird nun gemäß der beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens die Dicke der Gießrahmenwandung auf einer Seite erhöht, verringert sich dort der effektive elektrische Widerstand. Damit wird in diesem Bereich durch ohmsche Heizung weniger elektrische Energie in thermische umgewandelt. Durch die Wärmeabflüsse innerhalb der RGS-Anlage sinkt die Temperatur dieser Wand (11) gegenüber den anderen ab.
Wird die Dicke der Gießrahmenwandung auf einer Seite vermindert, erhöht sich dort der effektive Widerstand dieses Wandsegments. Die Temperatur der dünneren Wand (10) des Gießrahmens (1) steigt analog. In Abhängigkeit vom induktiven Gesamtsystem gibt es jedoch eine kritische dünnste Wandstärke. Unterhalb dieser Grenze wird der Widerstand so hoch, dass die betreffende Wand (10) die Leistung nur noch unzureichend aufnehmen kann. Seine Temperatur sinkt wieder. Je nach Ausmaß und in Abhängigkeit von den gegebenen Randbedingungen kann damit auch die aufgenommen Leistung des gesamten Rahmens beeinträchtigt werden.
Beim Einsatz eines Gießrahmens (1) mit unterschiedlichen Wandstärken, wird bevorzugt ein Gießrahmen (1) aus hochdichtem Graphit eingesetzt, wie er typischerweise in der Halbleitertechnik verwendet wird. Vorteilhaft beträgt in diesem Fall die mittlere Wanddicke etwa 1 cm. Die in Transportrichtung (4) vordere Wand (11) weist eine größere Wandstärke auf als die übrigen Wände des Gießrahmens (1), die hintere Wand (10) eine geringere Wandstärke. Bei Verwendung eines Gießrahmens aus hochdichtem Graphit weist die Wand (11) vorzugsweise eine Wandstärke von 1,1 bis 2,0 cm, besonders bevorzugt 1,2 bis 1,5 cm, die Wand (10) eine Wandstärke von 0,3 bis 0,9 cm, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 cm auf.
Es ist möglich und ebenfalls Gegenstand der Erfindung, zur Einstellung des Temperaturgradienten im erfindungsgemäßen Verfahren einen Gießrahmen mit unterschiedlichen Wandstärken und Induktionsheizung und zusätzlich eine oben beschriebene Zusatzheizung zu verwenden.
Prinzipiell ist es denkbar, die gewünschten Temperaturen und den erfindungsgemäßen Temperaturgradienten auch mittels einer umliegenden Widerstandsheizung zu erzeugen. Hierzu sind an den verschiedenen Rahmenstellen unterschiedliche Querschnittsflächen der Widerstandsheizung erforderlich oder eine Heizung aus entsprechenden unterschiedlichen und einzeln betriebenen Heizleitern. Mittels einer Induktionsheizung in Verbindung mit den oben beschriebenen Maßnahmen ist das gewünschte Ergebnis jedoch eleganter und einfacher zu erhalten.
In einer weiteren Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur der Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens und der Temperaturgradient in der Schmelze ganz oder teilweise durch Einsatz eines Gießrahmens, der in 2 Kammern unterteilt ist, eingestellt, wobei die Unterteilung mittels eines lose oder fest eingebauten Wehres quer zu der Transportrichtung des Substrates vorgenommen wird, so dass an der Austrittsseite des Substrates eine Hauptkammer für die Aufnahme der Metall- bzw. Halbleiterschmelze und an der Eintrittsseite des Substrates eine nicht mit Schmelze gefüllte Vorkammer gebildet wird. Mittels der Vorkammer wird die Temperatur im Eintrittsbereich des Substrates und mittels der Hauptkammer die Temperatur im Austrittsbereich eingestellt. Der beschriebene Gießrahmen wird im Folgenden als Zweikammerrahmen bezeichnet.
Der Zweikammerrahmen kann durch eine Widerstandsheizung oder eine Induktionsheizung beheizt werden, wobei die Heizung von den Seiten oder von oben erfolgen kann.
Vorzugsweise beträgt die Länge der Vorkammer parallel zur Transportrichtung des Substrates 0,1 bis 500% der Länge der Hauptkammer parallel zur Transportrichtung des Substrates, besonders bevorzugt 5 bis 100%.
Das Wehr zur Unterteilung des Gießrahmens besteht beispielsweise aus Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Graphit, Quarzglas, Quarzgut oder einer Kombination oder Mischung dieser Materialien. Bevorzugt besteht das Wehr zumindest an der der Schmelze zugewandten Seite aus Quarzglas oder Quarzgut.
Die Ausführungsform ist exemplarisch in den 3a und 3b dargestellt, wobei 3b einen Querschnitt durch 3a wiedergibt. Der Gießrahmen (1) ist durch das Wehr (12) in eine austrittsseitige Hauptkammer (14) und eine eintrittsseitige Vorkammer (13) unterteilt.
Die austrittsseitige Hauptkammer (14) wird mit dem gewünschten Metall bzw. Halbleiter, vorzugsweise mit Silicium beschickt. Diese Hauptkammer (14) funktioniert für sich weitgehend wie ein einfacher Gießrahmen in Form eines Kastenrahmens und wird entsprechend betrieben.
Die eintrittsseitige Vorkammer (13) bleibt leer. Sie ist im Wesentlichen eine Strahlungskammer. Damit herrscht hier das Bestreben zum Temperaturausgleich aller Wandsegmente. Dies geschieht vor allem per thermischer Strahlung. Die Substratoberfläche ist ein solches Wandsegment, wobei dieses im Zuge der Transportbewegung ständig erneuert wird. Deshalb wird die Substratoberfläche strahlend deutlich über die Temperatur des Substratvolumens aufgeheizt. Dies geschieht mit dem geringst möglichen Abstand zur Schmelze (5) und damit mit dem geringst möglichen Zeitverzug bis zum Kontakt von Schmelze (5) und Substrat (2). Darüber hinaus wird das Wehr (12), das Vorkammer (13) und Hauptkammer (14) trennt, und besonders der unterste Teil des Wehres (12) durch diesen Strahlungskammereffekt in etwa auf die mittlere Temperatur der Vorkammer (13) gebracht. Man kann somit von einer aktiven Isolierung sprechen. Damit wird insbesondere im hinteren Meniskus (7) eine erhöhte Temperatur eingestellt.
Das Wehr (12) und der gesamte Gießrahmen (1) kann beispielsweise aus einem Stück gefertigt werden, beispielsweise aus Graphit oder Siliciumcarbid, vorzugsweise aus hochdichtem Graphit. Die Wandstärke des Wehres (12) muss nur so groß sein, wie es die Festigkeit des Materials bzw. die Fertigungstechnik erfordern. In dem Falle, dass das Wehr (12) und der Gießrahmen (1) aus einem hochdichten Graphit bestehen, weist der Gießrahmen (1) vorzugsweise eine Wandstärke von 0,8 bis 1,2 cm und das Wehr (12) eine Wandstärke von 0,2 bis 0,7 cm, besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,6 cm auf.
Das Wehr (12) kann alternativ auch separat gefertigt und nachträglich in den Gießrahmen (1) eingebaut oder eingehängt werden. Dazu ist es vorteilhaft, in den Gießrahmen (1) entsprechende Führungs- oder Haltenuten oder -federn einzuarbeiten. Auch in diesem Falle kann das Wehr (12) aus dem gleichen Werkstoff wie der Gießrahmen (1) gefertigt werden, es kann aber auch ein anderes Material benutzt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, das Wehr (12) aus Quarz zu fertigen. Ein solches Wehr (12) aus Quarz kann einfach durch Sägen und Schleifen aus einer entsprechenden Quarzglas- oder Quarzgutscheibe hergestellt werden. Vorzugsweise weist ein Wehr (12) aus Quarz eine Wandstärke von 2 bis 4 mm auf. Quarz (SiO₂) als Material zur Herstellung des Wehres (12) hat insbesondere bei der Verarbeitung von Siliciumschmelzen den besonderen Vorteil, dass ein Wehr (12) aus Quarz unter den Bedingungen des RGS-Verfahrens überraschenderweise besser von der Schmelze benetzt wird, als ein Wehr (12) aus Graphit. Dadurch wird der hintere Meniskus (7) kleiner, wodurch es besser gelingt, den Start der Kristallisation der Schmelze in den gewünschten Bereich des flächigen Kontakts von Schmelze und Substrat zu verschieben. Weiterhin ist die Verwendung von Quarz vorteilhaft, weil Quarz bei den gegebenen Temperaturen eine gewisse Transparenz aufweist. Daher dringt die thermische Strahlung der Vorkammer (13) teilweise direkt bis in die Schmelze und in den Meniskus (7). Damit wird die Schmelze, insbesondere der Meniskus (7) zusätzlich beheizt, was die Ausbildung des Temperaturgradienten begünstigt.
Der beschriebene Zweikammerrahmen zeichnet sich durch ein hohes Maß an Variabilität aus. Das Wehr (12) kann auf einfache Weise im Gießrahmen (1) verschoben werden, ohne dass andere Bestandteile einer Apparatur zur Durchführung des Verfahrens geändert werden müssen. Die Länge der Hauptkammer (14) kann damit einfach variiert werden, wodurch die Dicke der erzeugten Scheiben oder Folien bei sonst praktisch konstanten Bedingungen eingestellt werden kann. Weiterhin kann der Gießrahmen (1) für den Fall, dass eine kurze Länge der Hauptkammer (14) gewünscht ist, durch eine entsprechende Verlängerung der Vorkammer (13) insgesamt so lang gefertigt werden, dass er stabil auf dem relativ zu ihm bewegten. Substrat ruht. Auf diese Weise kann der scheinbare Schmelzeschlupf nicht nur thermisch, sondern auch hydrodynamisch minimiert werden.
Es ist möglich zur Einstellung des Temperaturgradienten im Verfahren zusätzlich zum Zweikammerrahmen eine oben beschriebene Zusatzheizung zu verwenden. Weiterhin ist es möglich, einen Zweikammerrahmen einzusetzen, der unterschiedliche Wandstärken aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Temperatur der Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens und der Temperaturgradient in der Schmelze ganz oder teilweise durch den Einsatz eines Gießrahmens mit einer Bodenplatte eingestellt, wobei diese Bodenplatte an der Seite des Substrataustritts ein Fenster über 1 bis 100% der lichten Breite des Rahmens offen lässt. Im Folgenden wird dieser Gießrahmen als Keilbodenrahmen bezeichnet.
Diese Ausführungsform ist in den 4a und 4b exemplarisch dargestellt. 4b gibt einen Querschnitt durch 4a wieder. Der Gießrahmen (1) besitzt eine Bodenplatte (15).
Die Größe der Bodenplatte (15) ist weitgehend frei wählbar und lässt sich der Größe des Keilbodenrahmens leicht anpassen. Bevorzugt weist die Bodenplatte (15) parallel zur Transportrichtung (4) eine Länge von 5 bis 200 mm, besonders bevorzugt von 20 bis 100 mm auf.
Die Länge des Bodenfensters des Gießrahmens (1) ist variabel. Beispielsweise kann die Länge des Bodenfensters parallel zur Transportrichtung (4) 1 bis 100 mm, vorzugsweise 1 bis 40 mm betragen. Weisen die Seiten des Keilbodenrahmens eine Länge von 10 cm auf, so ist eine Länge des Fensters parallel zur Transportrichtung (4) von 10 bis 20 mm besonders bevorzugt.
Die Bodenplatte (15) ist vorzugsweise in Richtung des Fensters im Mittel abschüssig geneigt und weist insbesondere bevorzugt Keilform auf. Direkt am Fenster hat sie die minimale technisch sinnvolle Dicke, beispielsweise 0,1 bis 20 mm, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm, insbesondere bevorzugt 1 bis 3 mm.
Am Übergang zur Wandung des Gießrahmens (1) auf der Seite des Substrateintritts erreicht die Bodenplatte (15) beispielsweise eine Dicke, die der oberen Betriebsfüllhöhe des Gießrahmens (1) entspricht. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Bodenplatte (15) an dieser Stelle 5 bis 80 mm, besonders bevorzugt 10 bis 40 mm.
Die Verlaufsform der Steigung der oberen Begrenzungsfläche der Bodenplatte (15) ist weitgehend frei wählbar, vorzugsweise sollte sie linear sein. Auch ein angenähert asymptotischer Übergang der Bodenplatte (15) in die Rahmenwandung ist verfahrenstechnisch sinnvoll.
Ein Gießrahmen in Form eines Kastenrahmens gleich welcher Ausführungsform und ein Zweikammerrahmen haben beim Gießen von beispielsweise Siliciumfolien nur wenig Kontakt mit dem Substrat. Die Seite des Substrataustritts ist auf flüssigem Silicium gelagert. Die erstarrte Folie mit dem aufliegenden Schmelzeschlupf hebt einen Gießrahmen der genannten Formen entsprechend an und verkippt ihn, so dass nur noch eine Auflagezone an der Seite des Substrateintritts auf dem Substrat aufliegt und mit dem Substrat reibenden Kontakt hat. Eine Aussparung an der Unterseite der Wand des Gießrahmens auf der Seite des Substrateintritts, vorzugsweise in dem mittleren Bereich, in dem die Folie erstarrt, kann den Kontakt weiter minimieren und den reibenden Kontakt ganz in die Randzone von Substrat und Rahmen verlegen, in dem das Kristallisieren der Folien nicht mehr direkt beeinflusst werden kann. Eine solche Aussparung kann beispielsweise eine Höhe von 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,2 bis 0,4 mm haben.
Im Falle des Keilbodenrahmens wird vorzugsweise eine entsprechende Aussparung im gesamten Bereich der Bodenplatte und der Wand des Gießrahmens auf der Seite des Substrateintritts angebracht, wobei jedoch besonders bevorzugt direkt am Fenster der Bodenplatte ein Steg ausgespart wird. Der Steg weist vorteilhaft eine Breite von mindestens 3 mm auf. Durch das oben beschriebene leichte Verkippen des Gießrahmens durch die kristallisierte Siliciumfolie hat auch dieser Steg in der Regel keinen Kontakt zum Substrat, verhindert aber ein mögliches, durch das Verkippen des Gießrahmens gefördertes Unterkriechen des Keilbodens durch das flüssige Silicium im Gießrahmen.
Vorzugsweise weisen Scheiben oder Folien, die gemäß der beschriebenen Ausführungsform hergestellt werden, eine Dicke von 25 bis 1000 μm, insbesondere bevorzugt von 70 bis 400 μm auf.
Mit einem Keilbodenrahmen mit einer Fensterlänge von 15 bis 20 mm lassen sich beispielsweise Siliciumfolien von etwa 300 μm Dicke gießen. Diese Folien sind überraschenderweise kaum merklich dünner als solche, die unter vergleichbaren Bedingungen mit einem Gießrahmen in Kastenform von 100 mm lichter Länge oder einem oben beschriebenen Zweikammerrahmen von 60 mm lichter Länge erhalten werden.
Bei einer Fensterlänge von 4 mm sind beispielsweise sehr gleichmäßige Folien von etwa 160 μm Dicke zugänglich. Siliciumscheiben einer entsprechenden Dicke sind durch Sägeverfahren oder durch bekannte Abscheideverfahren über eine Schmelze oder die Gasphase nur schwer erhältlich. Das Sägen entsprechend dünner Schichten ist äußerst diffizil und bei den bekannten Sägeverfahren wegen der hohen Bruchrate nicht wirtschaftlich. Gemäß der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Keilbodenrahmens hingegen sind durch einfache Variation der Länge des Fensters der Bodenplatte Scheiben oder Folien mit unterschiedlicher Dicke, insbesondere vergleichsweise dünne Scheiben oder Folien leicht zugänglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines Keilbodenrahmens zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus, die sich stabilisierend auf das gesamte dynamische Gießsystem auswirken. Die wichtigsten dieser Vorteile seien im Folgenden kurz erläutert.
Die Schmelze wird durch die Bodenplatte zur Austrittseite gedrängt. Dadurch entstehen schon bei niedrigsten Füllmengen bzw. Füllständen im Gießrahmen gleichmäßige Scheiben oder Folien über die volle Fensterbreite. Durch Verwendung eines Keilbodenrahmens lassen sich qualitativ hochwertige Scheiben oder Folien auch dann erzielen, wenn das Füllvolumen im Keilbodenrahmen sehr gering ist, wodurch die Fahrstabilität des gesamten Prozesses und die Fehlertoleranz hinsichtlich der Füllhöhe deutlich verbessert wird.
Mit steigender Füllhöhe im Gießrahmen steigt der hydrostatische Druck der Schmelze im Gießrahmen. Wird der hydrostatische Druck zu groß, wird der Gießrahmen angehoben und die Schmelze wird unter dem Gießrahmen herausgedrückt. Die Bodenplatte des Keilbodenrahmens kompensiert diesen Effekt weitgehend, weil derselbe Druck hier eine kompensierende Kraft nach unten entfaltet. Dadurch wird zudem eine dynamisch ruhige Lage des Gießrahmens bewirkt, weil eventuelle Schwingungen gedämpft werden. Die Verwendung eines Keilbodenrahmens erlaubt also eine vergleichsweise große maximale Füllhöhe, beispielsweise bis zu 5 cm. Auch dies trägt zu einer Verbesserung der Fahrstabilität des gesamten Prozesses und der Fehlertoleranz hinsichtlich der Füllhöhe bei. Dies vermindert die Anforderungen an die Regelung der Nachdosierung der Schmelze in den Gießrahmen deutlich
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Keilbodenrahmens besteht darin, dass die Zudosierung von Schmelze in den Gießrahmen auch bei sehr niedriger Füllhöhe so erfolgen kann, dass die Schmelze nicht direkt auf eine Substratplatte trifft. Die Schmelze kann vielmehr direkt auf die Bodenplatte geführt werden und wird von dieser dann gleichmäßig und in einem breiten Fließwinkel in Richtung des Fensters der Bodenplatte verteilt. Dieser Effekt kann durch eine geeignete Strukturierung der Oberfläche der Bodenplatte weiter verbessert werden. Diese Strukturierung kann beispielsweise aus fischgrätenartig hintereinander angeordneten flachen Gräben bestehen, die sich V-förmig nach unten öffnen. Durch Einsatz einer entsprechenden Bodenplatte im Keilbodenrahmen entfällt die Gefahr, dass einfließende Schmelze direkt in die Nut zwischen den Substratplatten gelangt und dort beim Erstarren zu einem Verbacken dieser Platten führt. Weiterhin wird auf diese Weise verhindert, dass die heiße Schmelze aus der Zudosierungseinheit eine thermisch induzierte Spur im Kristallbild der entstehenden Scheiben oder Folien erzeugt.
Der Keilbodenrahmen kann beispielsweise mit einer Induktionsheizung oder einer Widerstandsheizung geheizt werden. Bevorzugt ist ein Beheizen mit einer Widerstandsheizung, die seitlich um den Keilbodenrahmen angebracht ist.
Es ist möglich und ebenfalls Gegenstand der Erfindung, zur Einstellung des Temperaturgradienten im erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich zum Keilbodenrahmen eine oben beschriebene Zusatzheizung zu verwenden. Weiterhin ist es möglich, einen Keilbodenrahmen einzusetzen, der unterschiedliche Wandstärken aufweist.
Zum Testen von Teilen, Einrichtungen und Maßnahmen an und in einer Anlage zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben und -folien nach dem RGS-Verfahren ist es notwendig, diese Anlage längere Zeit zu betreiben. Dabei werden große Mengen an Einsatzmaterial verbraucht, die bereitgestellt und gegebenenfalls entsorgt werden müssen. Eine Reduzierung der Transportgeschwindigkeit des Substrats und damit des Verbrauchs an Einsatzmaterial ist in dem dynamischen System einer solchen Anlage nur in engen Grenzen sinnvoll möglich. Insbesondere die Testung verschiedener Substratmaterialien erfordert eine Reihe von Versuchen. Gerade hier ist die Absolvierung einer hohen Zyklenzahl erforderlich, was eine Absenkung der Transportgeschwindigkeit von vornherein widersinnig macht.
Durch Verwendung einer besonderen Ausgestaltungsform des beschriebenen Keilbodenrahmens kann nun der Materialverbrauch deutlich verringert werden. Dazu wird die Breite des Fensters in der Bodenplatte des Keilbodenrahmens, d. h. die Dimension quer zur Transportrichtung des Substrats, in geeigneter Weise minimiert.
In dieser besonderen Ausgestaltung wird also ein Keilbodenrahmen verwendet, dessen Fenster der Bodenplatte schmaler als die lichte Breite des Rahmens ausgeführt wird. Die Breite kann bis auf 1 mm reduziert werden, eine Reduzierung der Breite auf 5 bis 10 mm ist vorteilhaft. Die gewählte Fensterbreite hängt von der Aufgabenstellung und den technischen Randbedingungen ab. Hierbei ist die laterale Lage des Fensters, mehr mittig oder nahe am Rand des Gießrahmens, frei wählbar.
Eine modifizierte Form des Keilbodenrahmens eignet sich insbesondere zur gleichzeitigen Testung verschiedener Substratmaterialien, sofern sich diese thermisch ähnlich verhalten. Dazu wird der Keilbodenrahmen dahingehend modifiziert, dass die Bodenplatte zwei oder mehrere lateral nebeneinander liegende Fenster aufweist. Das eingesetzte Substrat ist entsprechend der Anzahl und Breite der Fenster so unterteilt, dass verschiedene Materialien nebeneinander angeordnet sind und die Schmelze, die aus einem Fenster austritt, nur mit einem dieser Materialien in Kontakt kommt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere verschiedenartige Oberflächenmodifikationen eines gemeinsamen Basissubstrates testen.
Es ist offensichtlich, dass ein Gießrahmen in der Ausgestaltung eines einfachen Kastenrahmens gemäß Stand der Technik mit der lichten Breite eines hinreichend schmalen Fensters in wesentlichen Anlagenteilen eine Neukonstruktion erforderte und regeltechnisch kaum handhabbar wäre. Dies gilt auch für den oben beschriebenen Gießrahmen mit unterschiedlichen Wandstärken und den Zweikammerrahmen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rahmen mit integrierter Schwimmereinheit eingesetzt.
Prinzipiell ist es möglich, jeden der oben beschriebenen Rahmen mit einer Schwimmereinheit auszustatten. Bevorzugt wird jedoch ein Keilbodenrahmen mit integrierter Schwimmereinheit eingesetzt, so dass sich die weitere Beschreibung auf einen Keilbodenrahmen bezieht, wobei dies nicht als Beschränkung verstanden werden soll.
In den Keilbodenrahmen wird ein Schwimmkörper eingepasst, wobei der Schwimmkörper in der Waagerechten nur eine geringe Beweglichkeit besitzt, jedoch in der Senkrechten dem Schmelzespiegel weitgehend frei folgen kann. Der Schwimmkörper wird durch die Beheizung über eine oder mehrere Wandungen des Gießrahmens einschließlich der Bodenplatte vor dem Festfrieren unter dem Einfluss des kühleren Substrates bewahrt. Der Schwimmkörper dient zur Messung des Füllstandes im Gießrahmen einem mit elektromagnetischen Feldern oder mit elektromagnetischer Strahlung arbeitenden Messgerät als Ersatzmessfläche für die Schmelzeoberfläche.
Die Verwendung eines solchen Keilbodenrahmens mit Schwimmereinheit erlaubt es, die Füllhöhe des Gießrahmens auch in dem Fall, in dem der Gießrahmen eine Siliciumschmelze enthält, auf sehr einfache Weise zuverlässig zu bestimmen. Bei Verwendung von Gießrahmen ohne Schwimmereinheit ist eine entsprechende Bestimmung oftmals nur mit nicht zufriedenstellender Zuverlässigkeit möglich. Die zuverlässige Bestimmung der Füllhöhe ist insbesondere dann nötig, wenn das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden soll.
Aufgrund der Isolierung des Gießrahmens im RGS-Verfahren ist dieser für Messgeräte schlecht zugänglich. Die Messgeräte bzw. Messköpfe sind weiterhin thermisch hoch belastet und müssen unter den Bedingungen des RGS-Verfahrens hinreichend stabil sein. Auch darf die Schmelze nicht unzulässig kontaminiert werden. Somit sind praktisch nur berührungslos arbeitende Verfahren zur Füllstandsmessung anwendbar, die beispielsweise unter Verwendung elektromagnetischer Felder bzw. elektromagnetischer Strahlung arbeiten. Beispielhaft seien Messgeräte genannt, die auf der Messung der Laufzeit eines elektromagnetischen Strahlungspulses beruhen oder optische Triangulometer. Vorzugsweise werden Lasertriangulometer eingesetzt.
Derartige Geräte eignen sich prinzipiell für die Höhen- bzw. Füllstandsmessung von Metallschmelzen direkt auf der Schmelzeoberfläche. Nun zeigt sich jedoch überraschend, dass ein Lasertriangulationsgerät, das zur Bestimmung der Füllhöhe einer Siliciumschmelze eingesetzt wird, häufig reversibel, ohne Schaden für das Gerät selbst ausfällt und kein verwertbares Füllhöhensignal mehr liefert.
Dies kann durch Verwendung eines Schwimmers geeigneter Geometrie aus einem hinreichend beständigen Material mit einer nicht spiegelnden, diffus streuenden Oberfläche, beispielsweise Siliciumcarbid oder Graphit, vermieden werden. Bevorzugt besteht ein solcher Schwimmer aus Graphit. Der Schwimmer liegt innerhalb des Messbereichs in der Vertikalen frei beweglich auf der Schmelze auf und liefert eine Referenzoberfläche für die Höhenmessung. Der Schwimmer kann als massiver Körper oder vorteilhaft als Hohlform ausgeführt werden, zum Beispiel in Form einer Dose oder Wanne mit oder ohne Deckel. Bei einer makroskopischen Dichte des Schwimmermaterials im Bereich der des flüssigen Siliciums und darüber muss der Schwimmer als Hohlform ausgebildet werden. Das Messsignal kann entsprechend der Geometrie und der relativen scheinbaren Dichte des Schwimmerkörpers leicht korrigiert werden, um ein Maß für die wahre Füllhöhe zu liefern.
Problematisch bei der Verwendung eines Schwimmers ist, dass der Schwimmer dazu neigt, durch kristallisierendes Silicium mit dem Substrat oder seiner Halterung zu verbacken und damit für die Füllhöhenbestimmung unbrauchbar zu werden.
Der beschriebene Keilbodenrahmen kann überraschend einfach modifiziert werden, so dass der Einsatz eines Schwimmers möglich und ein Verbacken effizient verhindert wird. In den 4a und 4b ist ein Keilbodenrahmen mit Schwimmereinheit exemplarisch dargestellt.
Ein Schwimmer (d) mit hohem Auftrieb in Trog- oder Kastenform wird in den Gießrahmen (1) eingelegt. Dieser Schwimmer (d) ist vorzugsweise aus Graphit oder Siliciumcarbid gefertigt. Der Schwimmer (d) wird seitlich durch eine Schwimmerführung (e) und nach unten durch eine Schwimmerauflage (f) gehaltert.
Die Schwimmerführung (e) kann in Form einer geeigneten Aussparung in der Rahmenwandung ausgeführt werden oder in Form von auf der Rahmenwandung aufsitzenden Federn. Beide Ausführungsformen dienen dazu, den Bewegungsbereich des Schwimmers im gewünschten Maße zu kontrollieren. Analoges gilt für die Schwimmerauflage (f).
Im Falle einer ausgesparten Schwimmerführung (e) ist die Wand des Gießrahmens (1) im Schwimmerbereich dünner, als in den anderen Bereichen.
Vorzugsweise beträgt die Wandstärke im Bereich der Führung (e) 50 bis 80% der Wandstärke im übrigen Bereich. Beispielsweise kann ein Keilbodenrahmen verwendet werden, der eine Rahmenwandstärke von etwa 7 mm im Bereich der Schwimmerführung (e) und 10 mm im übrigen Bereich aufweist.
Die Länge und Breite des Schwimmers (d) ist so zu wählen, dass dieser den Bereich der Schwimmerführung (e) nicht verlassen kann, und dass der Schwimmer (d) gleichzeitig innerhalb der Schwimmerführung (e) frei beweglich bleibt. Der Schwimmer (d) ist weiterhin genau über dem Fenster der Bodenplatte (15) angeordnet, wobei die Länge des Fensters etwas kleiner oder größer sein kann als die Länge des Schwimmers (d) in Transportrichtung (4). Bei einem sehr kleinen Fenster muss die Konstruktion der Bodenplatte (15) auf die des Messschwimmers abgestimmt werden.
Vorteilhafterweise erhält der Messschwimmer in dem Bereich, in dem er in Kontakt mit der Innenseite des Keilbodenrahmens kommen kann, kleine Noppen von beispielsweise 0,3 bis 3 mm Höhe über der ebenen Schwimmeroberfläche, wodurch ein eventuelles Festhalten durch flüssiges Silicium verhindert wird.
Die minimale Länge des Schwimmers (d) in Transportrichtung (4) bestimmt sich aus der Größe des Messflecks des eingesetzten Messgerätes und aus den notwendigen Toleranzzuschlägen. Zur Minimierung der Gefahr des Festfrierens empfiehlt es sich, eine möglichst geringe Länge zu wählen. Durch die Schwimmerführung (e) ist die Gefahr des Kenterns des Schwimmers (d) unterbunden.
Die Heizung des beschriebenen Keilbodenrahmens mit Messschwimmer kann beispielsweise mittels Induktionsheizung oder Widerstandsbeheizung erfolgen. Bevorzugt ist die Heizung mittels Widerstandsbeheizung.
Durch den Wärmeübergang aus dem Gießrahmen in den Schwimmer (d) erfolgt eine indirekte Beheizung des Schwimmers (d). Gleichzeitig wirkt die Bodenplatte (15) als thermisch isolierendes Element zwischen Schmelze und Substrat. Dies bewirkt eine höhere Schmelzetemperatur über der Bodenplatte (15) und eine höhere Temperatur des Schwimmers (d) an seiner der Schmelze zugewandten Seite. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Schwimmerbodens. Ein Anbacken des Schwimmers (d) wird verhindert.
Die Verwendung eines Keilbodenrahmens mit der beschriebenen Schwimmereinheit erlaubt eine problemlose Füllstandsmessung nach dem Lasertriangulationsprinzip innerhalb eines hinreichend großen Messbereichs.
Zur weiteren Erhöhung der Zuverlässigkeit und Standzeit des Meßsystems kann beispielsweise eine dünne Schicht eines geeigneten feinen Pulvers von 0,01 bis 1 mm Dicke in den trog- oder dosenförmigen Messschwimmer eingestreut werden. Vorzugsweise wird Pulver aus Graphit oder Siliciumcarbid bzw. aus einer Mischung daraus eingesetzt, das einen Korndurchmesser im Bereich von 0,01 bis 1 mm aufweist. Hierbei ist ein größerer Korndurchmesser im Bereich von 0,3 bis 1 mm besonders vorteilhaft, da ein solches Pulver weniger leicht von Gasströmen verfrachtet werden kann. Pulverschichtdicken bis hin zu 1 mm stören das System und die Messung kaum, auch nicht bei einer Verlagerung und Konzentration des Pulvers an bestimmten Stellen im Schwimmer. Sollte nun widrigenfalls flüssiges Silicium in den so präparierten Schwimmer geraten, ist das System problemlos in der Lage, auf die Partikel in der Oberfläche des eingedrungenen flüssigen Siliciums zu messen. Gegebenenfalls kann dies Eindringen von Siliciumschmelze an der Änderung der vom Meßsystem einjustierten Leistung des Messlaserstrahles festgestellt werden.
Beschrieben wird weiterhin die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Scheiben oder Folien für die Herstellung von Solarzellen oder anderen Halbleiterbauelementen.
Bei der Herstellung von Solarzellen sind zwei Fälle zu unterscheiden. Einmal wird das halbleitende Basismaterial direkt zur Prozessierung der Solarzellen eingesetzt. Es wird dabei integraler Bestandteil des physikalischen Systems zur Umwandlung von Lichtstrahlung in elektrischen Strom.
Zum anderen kann das flächige Halbleiter-Basismaterial als Trägermaterial für die darauf nach Abscheidung geeigneter Halbleitermaterialien zu prozessierenden Solarzellen dienen. Das Trägermaterial dient hierbei in der Regel gleichzeitig zur Ableitung des erzeugten elektrischen Stromes. Hierzu ist es normalerweise vorteilhaft, durch entsprechende Maßnahmen eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit einzustellen, beispielsweise durch eine gegenüber dem Basismaterial der üblichen Solarzellen deutlich erhöhte Dotierung. Anstelle des Halbleiter-Basismaterials kann in einem solchen System auch ein geeigneter metallischer Werkstoff eingesetzt werden, der von vornherein eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Das Aufbringen der eigentlichen photovoltaisch aktiven Schichten kann zum Beispiel per Flüssigphasenepitaxie, durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (Chemical Vapour Deposition CVD), durch Aufdampfen oder über ein Plasma geschehen.
In beiden genannten Fällen kann der Fachmann die Dotierung so wählen, dass in Abhängigkeit vom gewählten Solarzellentyp das flächige Halbleiter-Basismaterial n- oder p-leitend eingestellt wird.
Beschrieben wird weiterhin die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Scheiben oder Folien für die Abscheidung von anderen Materialien auf diesen Scheiben oder Folien und die Verwendung der so erhaltenen Produkte für die Herstellung von Solarzellen oder anderen Halbleiterbauelementen.
Weiterhin sind Vorrichtungen Gegenstand der Erfindung, die sich zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in seinen verschiedenen Ausgestaltungsformen eignen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters oder Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat, wobei die Vorrichtung einen oberhalb des Substrates angeordneten beheizten Gießrahmen enthält, der eine Bodenplatte aufweist, die an der Seite des Substrataustritts ein Fenster über 1 bis 100% der lichten Breite des Rahmens offen lässt.
Vorzugsweise ist die Oberseite der Bodenplatte in Richtung des Fensters im Mittel abschüssig geneigt und die Bodenplatte weist eine Länge in Transportrichtung von 5 bis 200 mm und direkt am Fenster eine Dicke von 0,1 bis 20 mm und am Übergang zur Wandung des Gießrahmens auf der Seite des Substrateintritts eine Dicke von 5 bis 80 mm auf.
Vorteilhaft beträgt die Länge des Bodenfensters in Transportrichtung 1 bis 100 mm.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters oder Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat, wobei die Vorrichtung einen oberhalb des Substrates angeordneten beheizten Gießrahmen und eine Zusatzheizung im Bereich der eintrittseitigen Wand des Gießrahmens enthält.
Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen entsprechen den vorteilhaften und bevorzugten Ausgestaltungen, die bereits bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert, ohne dass darin eine Einschränkung zu sehen ist, insbesondere nicht in der exemplarischen Verwendung von Silicium.
Beispiele
Beispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)
Eine diskontinuierlich arbeitende RGS-Anlage nach EP 165 449 A1 ist mit einem Zweikammerrahmen ausgestattet, wie er schematisch in den 3a und 3b dargestellt ist. Der Zweikammerrahmen weist zudem Wände unterschiedlicher Wandstärke auf. Der Zweikammerrahmen besteht aus dichtem Graphit in Halbleiterqualität und weist Außenmaße von 110 mm Länge × 110 mm Breite × 60 mm Höhe auf. Die Seitenwände sind 10 mm stark, die Wandstärke am Substrateintritt (10) beträgt 7 mm, die am Substrataustritt (11) 12 mm. Die Vorkammer (13) hat eine lichte Länge von 20 mm, die Hauptkammer (14) eine von 68 mm. Das in Nuten lose eingehängte Wehr (12) zwischen Vor- und Hauptkammer besteht aus Quarzglas und hat eine Dicke von 3 mm.
Der Zweikammerrahmen wird mittels einer umliegenden wassergekühlten Induktionsspule geheizt, die 3 Windungen aus quadratischem Kupferrohr mit 1 cm × 1 cm Querschnitt, 1,5 mm Wandstärke und ca. 3 mm Windungsabstand aufweist. Diese Heizung wird nach der integralen Schmelzetemperatur im Rahmen geregelt, typische Betriebsdaten sind 24 kW, 165 V und 10 kHz.
Weiterhin ist eine Zusatzheizung (9) in Form einer Widerstands-Querheizung aus dichtem Graphit in Halbleiterqualität direkt vor der eintrittsseitigen Wand des Zweikammerrahmens und direkt oberhalb des Substrates (2) installiert. Die Zusatzheizung (9) besteht im Gießbereich aus einem Heizstab von 155 mm Länge und 6 mm × 6 mm Querschnitt. Der Heizstab ist auf der dem Substrat abgewandten Oberseite durch eine elektrisch isoliert angebrachte 0,5 mm dicke Graphitfolie auf einer 2 mm dicken Graphitplatte thermisch isoliert und wird mit 2 kW bei 25 V betrieben.
Passend zum Gießrahmen (1) haben die Substratplatten (2) innerhalb der Begrenzungsnuten (3) eine lichte Breite von 86 mm und eine lichte Länge von 128 mm. Die 65 Substratplatten bestehen aus Graphit und werden auf eine pyrometrisch gemessene Temperatur von 1200°C eingestellt.
300 g Silicium-Granalien werden zusammen mit 1,286 g einer Bor-Silicium-Stammlegierung mit 43 ppmg Bor in einem Quarzglastiegel aufgeschmolzen und dann in die Hauptkammer (14) des Gießrahmens (1) gegossen. Bei einer integralen Schmelzetemperatur im Gießrahmen (1) von 1570°C werden die Graphit-Substratplatten (2) der RGS-Anlage mit einer Geschwindigkeit von 6,5 m/min unter dem Gießrahmen (1) entlang bewegt. Dabei wird ein Begasungsstrom von 7,5 m³/h, bestehend aus 67 Vol.-% Sauerstoff und 33 Vol.-% Argon hinter dem Rahmen über die Oberfläche des erstarrenden Siliciums geleitet. Die so entstehenden Siliciumfolien werden mittels Kompensationsheizung zunächst 1 h auf ca. 1130°C gehalten, dann durch entsprechendes Herunterfahren der Heizung mit einer Rate von –50°C/h bis auf ca. 990°C und schließlich durch Abstellen der Heizung innerhalb von etwa 2 h bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Die so erzeugten Siliciumfolien besitzen einen gemischt dendritisch-globulitischen Kristallhabitus und weisen gute Ober- und Bodenseiten auf. Die mittlere Foliendicke beträgt 310 μm.
Beispiel 2
Eine diskontinuierlich arbeitende RGS-Anlage nach EP 165 449 A1 ist erfindungsgemäß ausgestattet mit einem Keilbodenrahmen, wie er schematisch in den 4a und 4b dargestellt ist. Der Keilbodenrahmen weist zudem Wände unterschiedliche Wandstärke auf. Der Keilbodenrahmen besteht aus dichtem Graphit in Halbleiterqualität und weist Außenmaße von 110 mm Länge × 110 mm Breite × 60 mm Höhe auf. Die Seitenwände sind 10 mm stark, die Wandstärke am Substrateintritt (10) beträgt 7 mm, die am Substrataustritt (11) 12 mm. Der Rahmen ist mit einer Bodenplatte (15) in Keilform versehen. Diese hat eine Länge von 87 mm, so dass ein Bodenfenster von 4 mm Länge in Transportrichtung (4) offen bleibt. Die Dicke der Bodenplatte (15) beträgt am Fenster 2 mm und an der eintrittsseitigen Wand 20 mm.
Der Keilbodenrahmen wird mittels einer umliegenden wassergekühlten Induktionsspule (b) beheizt, die 3 Windungen aus quadratischem Kupferrohr mit 1 cm × 1 cm Querschnitt, 1,5 mm Wandstärke und ca. 3 mm Windungsabstand aufweist. Diese Heizung wird nach der integralen Schmelzetemperatur im Gießrahmen geregelt, typische Betriebsdaten sind 24 kW, 165 V und 10 kHz.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Zusatzheizung (9) in Form einer Widerstands-Querheizung aus dichtem Graphit in Halbleiterqualität direkt vor der eintrittsseitigen Wand des Zweikammerrahmens und direkt oberhalb des Substrates (2) installiert. Die Zusatzheizung (9) besteht im Gießbereich aus einem Heizstab von 155 mm Länge und 6 mm × 6 mm Querschnitt. Der Heizstab ist auf der dem Substrat abgewandten Oberseite durch eine elektrisch isoliert angebrachte 0,5 mm dicke Graphitfolie auf einer 2 mm dicken Graphitplatte thermisch isoliert und wird mit 2 kW bei 25 V betrieben.
Passend zum Gießrahmen (1) haben die Substratplatten (2) innerhalb der Begrenzungsnuten (3) eine lichte Breite von 86 mm und eine lichte Länge von 128 mm. Die Substratplatten bestehen aus Graphit und werden auf eine pyrometrisch gemessene Temperatur von 1190°C eingestellt.
300 g Silicium-Granalien werden zusammen mit 1,286 g einer Bor-Silicium-Stammlegierung mit 43 ppmg Bor in einem Quarzglastiegel aufgeschmolzen und dann in den Gießrahmen gegossen. Bei einer integralen Schmelzetemperatur im Gießrahmen von 1570°C werden die Graphit-Substratplatten (2) der RGS-Anlage mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min unter dem Gießrahmen entlang bewegt. Dabei wird ein Begasungsstrom von 7,5 m³/h, bestehend aus 67 Vol.-% Sauerstoff und 33 Vol.-% Argon hinter dem Rahmen über die Oberfläche des erstarrenden Siliciums geleitet. Die so entstehenden Siliciumfolien werden mittels Kompensationsheizung zunächst 1 h auf ca. 1130°C gehalten, dann durch entsprechendes Herunterfahren der Heizung mit einer Rate von –50°C/h bis auf ca. 990°C und schließlich durch Abstellen der Heizung innerhalb von rund 2 h bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Folien besitzen einen gemischt dendritisch-globulitischen Kristallhabitus und weisen gute Ober- und Bodenseiten auf. Die mittlere Foliendicke beträgt 160 μm.
Beispiel 3
Eine kontinuierlich arbeitende RGS-Anlage nach EP 165 449 A1 ist erfindungsgemäß ausgestattet mit einem Keilbodenrahmen, wie er schematisch in den 4a und 4b dargestellt ist. Der Keilbodenrahmen weist zudem eine Schwimmereinheit auf, wie sie ebenfalls schematisch in den 4a und 4b dargestellt ist. Der Keilbodenrahmen besteht aus dichtem Graphit in Halbleiterqualität und weist Außenmaße von 117 mm Länge × 117 mm Breite × 60 mm Höhe auf. Alle 4 Wandungen sind einheitlich 10 mm stark. Der Gießrahmen ist mit einer Bodenplatte (15) in Keilform versehen. Diese hat eine Länge von 82 mm, so dass ein Bodenfenster von 15 mm Länge in Transportrichtung (4) offen bleibt. Die Dicke der Bodenplatte (15) beträgt am Fenster 1,5 mm und an der eintrittsseitigen Wand 20 mm.
In den Gießrahmen sind eine Schwimmerführung (e) und eine Schwimmerauflage (f) eingearbeitet, jedoch gegenüber den 4a und 4b in modifizierter Ausführungsform. Die Schwimmerführung (e) ist in Form von 2 je 2 mm breiten Federn ausgeführt, die auf der rechten und der linken inneren Seitenwand des Gießrahmens (1) sitzen und je 6 mm in den Schmelzeraum hineinreichen. Schwimmerführungsfeder und Innenseite der austrittsseitigen Rahmenwandung haben einen lichten Abstand von 25 mm. Als Schwimmerauflage (f) dient eine Verstärkung der seitlichen Rahmenwandung im Bereich des Bodenfensters in Form eines Absatzes. Je ein Absatz reicht 6 mm von rechts und von links in den Bereich des Bodenfensters hinein und reduziert so dessen Breite auf 85 mm gegenüber der lichten Rahmenbreite von 97 mm. Die Absätze haben eine Höhe von 4 mm über der Rahmenbasis und reichen längs bis zur Bodenplatte (15), in die sie fugenlos übergehen.
In die Schwimmerführung (e) ist ein trogförmiger Schwimmer (d) aus dichtem Halbleitergraphit lose eingelegt. Dieser hat die Außenmaße 90 mm Breite × 21 mm Länge × 17 mm Höhe und eine allseitige Wandstärke von 2 mm. Die senkrechten Innenkanten sind gerundet. Die senkrechten Außenkanten des Schwimmers (d) haben eine Fase von 5 mm Basislänge. Die beiden langen unteren Außenkanten haben eine Fase von 2 mm Basislänge. Auf den Außenseiten des Schwimmers (d) sind auf halber Höhe mehrere Noppen als Abstandshalter zur Schwimmerführung (e) bzw. zur inneren Rahmenwandung angebracht. Die Noppen haben eine Basisfläche von 3 mm × 3 mm und an der konisch geformten Spitze einen Abstand von 2 mm von der Schwimmeraußenwandung. Ein Noppenpaar sitzt auf der der Rahmenaustrittsseite benachbarten Schwimmerwandung und hat einen lichten Abstand von jeweils 1 cm von der schmalen Schwimmerseite. Je eine Noppe sitzt in der Mitte der beiden schmalen Schwimmerseiten. Je eine Noppe sitzt in der Mitte der beiden senkrechten Fasen, die zum freien Schmelzeraum des Gießrahmens bzw. zu den Federn der Schwimmerführung (e) zeigen.
Der Keilbodenrahmen wird mittels eines umliegenden Widerstandsheizers aus Graphit mit rechteckigem Querschnitt von 35 mm Höhe × 10 mm Dicke in annäherungsweiser Ω-Form beheizt. Diese Heizung wird nach der integralen Schmelzetemperatur im Rahmen geregelt, typische Betriebsdaten sind 30 kW und 25 V.
Passend zum Gießrahmen (1) haben die Substratplatten (2) innerhalb der Begrenzungsnuten (3) eine lichte Breite von 84 mm und eine lichte Länge von 115 mm. Die Substratplatten bestehen aus Graphit und werden auf eine pyrometrisch gemessene Temperatur von 1130°C eingestellt.
Die RGS-Anlage ist in einer geschlossenen Arbeitskammer untergebracht. Darüber ist ein Lasertriangulator des Typs Optocator 2008-100/1178 der Firma Selcom AB, Schweden, zur Bestimmung des Schmelzefüllstandes im Gießrahmen installiert. Das Gerät arbeitet bei einer Wellenlänge von 670 nm mit einer maximalen Pulsleistung von 52 mW. Die Messwerte werden analogisiert als Strom von 4 bis 20 mA ausgegeben. Der Primärstrahl beleuchtet über ein optisches Fenster in der Wandung der Arbeitskammer die Bodenfläche des Schwimmertroges im Gießrahmen. Die zur Triangulation verwendete Streustrahlung gelangt über ein weiteres optisches Fenster zurück in den Detektor des Messgerätes.
600 g Silicium-Granalien werden zusammen mit 2,570 g einer Bor-Silicium-Stammlegierung mit 43 ppmg Bor in einem Graphittiegel aufgeschmolzen und dann in den Gießrahmen (1) gegossen. Bei einer integralen Schmelzetemperatur im Gießrahmen (1) von 1560°C werden die Graphit-Substratplatten (2) der RGS-Anlage mit einer Geschwindigkeit von 4 m/min unter dem Gießrahmen entlang bewegt. Der Lasertriangulator liefert ein mit dem Rahmenfüllstand sehr gut korrespondierendes Füllhöhensignal mit konstant guter Qualität und minimalem Rauschen.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters oder Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat, a) wobei die Vorrichtung einen oberhalb des Substrates angeordneten beheizten Gießrahmen enthält, b) wobei der Gießrahmen eine Bodenplatte aufweist, c) welche Bodenplatte an der Seite des Substrataustritts ein Fenster über 1 bis 100% der lichten Breite des Rahmens offen lässt, d) wobei sich die Breite des Rahmens quer zu einer Transportrichtung des Substrats erstreckt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite der Bodenplatte in Richtung des Fensters im Mittel abschüssig geneigt ist und die Bodenplatte eine Länge in Transportrichtung von mindestens 20 mm und weniger als 100 mm und direkt am Fenster eine Dicke von 0,1 bis 20 mm und am Übergang zur Wandung des Gießrahmens auf der Seite des Substrateintritts eine Dicke von 5 bis 80 mm aufweist, wobei die Seiten des Gießrahmens jeweils eine Länge in Transportrichtung von 10 cm aufweisen und wobei die Dicke der Bodenplatte einer oberen Betriebsfüllhöhe des Gießrahmens entspricht
Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Bodenfensters in Transportrichtung 1 bis 40 mm, insbesondere 10 bis 20 mm, beträgt, wobei eine Seite des Gießrahmens eine Länge in Transportrichtung von 10 cm aufweist.
Vorrichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzheizung die Oberfläche des Substrats quer zu dessen Transportrichtung im Bereich der eintrittsseitigen Wand des Gießrahmens selektiv gegenüber dem Substratvolumen und/oder die untere Wandung des Gießrahmens im Bereich des Substrateintritts beheizt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zusatzheizung um einen Widerstandsheizer in Stabform handelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandsheizer so gestaltet und angeordnet ist, dass ein möglichst großer Teil der strahlenden Oberfläche auf das Substrat und/oder die eintrittsseitige untere Wandung des Gießrahmens gerichtet ist, wobei die Energieausbeute durch reflektierende bzw. isolierende Elemente verbessert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zusatzheizung um eine Induktionsheizung handelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zusatzheizung um eine Lampenheizung handelt.
Vorrichtung gemäß der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite einer Bodenplatte in Richtung des Fensters im Mittel abschüssig geneigt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte direkt am Fenster eine minimale Dicke, wobei darunter die Dicke zu verstehen ist, die aus Stabilitätsgründen nicht unterschritten werden darf, und am Übergang zur Wandung des Gießrahmens auf der Seite des Substrateintritts eine Dicke aufweist, die 40 bis 170% der normalen Betriebsfüllhöhe beträgt.
Vorrichtung gemäß der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte direkt am Fenster eine Dicke von 0,5 bis 5 mm und am Übergang zur Wandung des Gießrahmens auf der Seite des Substrateintritts eine Dicke von 10 bis 40 mm aufweist, wobei die Dicke der Bodenplatte einer oberen Betriebsfüllhöhe des Gießrahmens entspricht.
Vorrichtung gemäß der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bodenplatte mehrere Fenster nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gießrahmen ein Schwimmkörper eingepasst wird, wobei der Schwimmkörper in der Waagerechten nur eine geringe Beweglichkeit besitzt, jedoch in der Senkrechten dem Schmelzespiegel weitgehend frei folgen kann, durch die Beheizung über eine oder mehrere Wandungen des Gießrahmens einschließlich der Bodenplatte vor dem Festfrieren unter dem Einfluss des kühleren Substrates bewahrt wird, und zur Messung des Füllstandes im Gießrahmen einem mit elektromagnetischen Feldern oder mit elektromagnetischer Strahlung arbeitenden Messgerät als Ersatzmessfläche für die Schmelzeoberfläche dient.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät unter Verwendung von Licht nach dem Prinzip der Triangulation oder dem der Laufzeitmessung arbeitet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verwendeten Messgerät um ein Lasertriangulometer handelt.
Verfahren zur Herstellung von Halbleiter- und Metallscheiben oder -folien durch Erstarrung einer Schmelze eines Halbleiters, Metalls oder eines Gemisches mehrerer Halbleiter und/oder Metalle auf einem bewegten Substrat, wobei zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zur Verfügung gestellt wird, a) wobei sich die Schmelze in einem oberhalb des Substrates angeordneten beheizten Gießrahmen befindet, b) wobei die Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens eine Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des eingesetzten Materials und einer Temperatur von 5°C oberhalb dieser Schmelztemperatur aufweist, c) wobei in der Schmelze ein Temperaturgradient eingestellt wird, d) wobei die Temperatur im Mittel vom Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens in Richtung des Eintritts des Substrats in den Bereich des Gießrahmens ansteigt und e) wobei eine kleinstmögliche Menge schon erstarrter Schmelze wieder aufgeschmolzen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens eine Temperatur zwischen der Schmelztemperatur und 1°C oberhalb derselben aufweist.
Verfahren gemäß der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Temperatur im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens anhand einer Messung oder Abschätzung der zu minimierenden Menge des Schmelzrestes auf den kristallinen Scheiben oder Folien direkt nach deren Austritt aus dem Bereich des Gießrahmens vorgenommen wird.
Verfahren gemäß der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Schmelze im Bereich des Austritts des Substrats aus dem Bereich des Gießrahmens und der Temperaturgradient in der Schmelze ganz oder teilweise durch Einsatz eines Gießrahmens mit unterschiedlichen Wandstärken, der mittels einer Induktionsheizung beheizt wird, eingestellt wird.
Verfahren gemäß der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Scheiben oder Folien eine Dicke von 25 bis 1000 μm, vorzugsweise 70 bis 400 μm, aufweisen.
Verfahren gemäß der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der eingesetzten Schmelze um eine Siliciumschmelze handelt.