DE102009044390B4 - Herstellungsverfahren und Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristallkörpers - Google Patents

Abstract

Herstellungsverfahren eines Halbleiterkristallkörpers (2), umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Schmelze (3) aus Silizium in einem Tiegel (1); und – Erzeugen des Halbleiterkristallkörpers (2) mittels gradueller Kristallisation des Halbleitermaterials aus der Schmelze (3), wobei vor und/oder während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers (2) ein Kristallisationskörper (4) mit der Schmelze (3) in Kontakt gebracht wird, an dem sich ein Verunreinigungsmaterial in festem Aggregatzustand aus der Schmelze (3) heraus abscheidet, wobei der Kristallisationskörper (4) aus Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid bereitgestellt wird, zumindest an seiner Oberfläche polykristallin ist und derart ausgebildet ist, dass er als Kristallisationskeim für das Verunreinigungsmaterial dient, und wobei der Kristallisationskörper (4) durch eine Tiegelöffnung (14) zumindest teilweise in die Schmelze (3) getaucht wird, wobei entweder mehrere makroskopische Kristallisationskörper durch die Tiegelöffnung (14) zumindest teilweise in die Schmelze (3) getaucht werden oder ein oder mehrere makroskopische Kristallisationskörper durch die Tiegelöffnung (14) zumindest teilweise in die Schmelze (3) getaucht werden und der in die Schmelze (3) getauchte Abschnitt des Kristallisationskörpers (4) oder der Kristallisationskörper (4) während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers (2) eine Parallelbewegung parallel zu einer Phasengrenze (31) zwischen der Schmelze (3) und dem kristallisierenden Halbleiterkristallkörper (2) ausführt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren und eine Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristallkörpers.
• Derartige Halbleiterkristallkörper sind insbesondere als Ingots bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einem monokristallinen Halbleitermaterial wie beispielsweise Silizium, das gegebenenfalls bereits mit geeigneten Dotanden dotiert sein kann, beispielsweise mit Bor. Die nachfolgend beschriebenen Halbleiterkristallkörper können jedoch auch einen multikristallinen oder polykristallinen Aufbau aufweisen. Sie werden in Scheiben geschnitten, um anschließend als Substrate zur Herstellung von Halbleiterbauelementen oder Solarzellen verwendet zu werden.
• Als effiziente Herstellungsverfahren für derartige Halbleiterkristallkörper haben sich insbesondere der Czochralski-Prozess einerseits und das gerichtete Erstarren andererseits durchgesetzt. Bei beiden Verfahren wird der Halbleiterkristallkörper mittels Kristallisation aus einer Schmelze heraus gebildet. Hierzu wird zunächst das Halbleitermaterial in einem Tiegel zum Schmelzen gebracht, oder als Schmelze in den Tiegel gegossen. Anschließend erfolgt die Kristallisation aus der Schmelze. Während bei dem Czochralski-Prozess hierfür ein Keimkristall in die Schmelze eingeführt und der mittels der Kristallisation wachsende Kristall graduell aus der Schmelze gezogen wird, erfolgt die Kristallisation mittels des gerichteten Erstarrens unter Aufbau eines Temperaturgradienten in der Schmelze, ausgehend vom Tiegelboden ohne Vorgabe eines Keimkristalls oder mit Vorgabe eines Keimkristalls.
• Insbesondere bei der Weiterverwendung des Halbleiterkristallkörpers zur Herstellung von Solarzellen besteht ein bedeutendes Problem der beschriebenen Herstellungsverfahren darin, dass sich Verunreinigungen aus der Schmelze in den mittels Kristallisation gebildeten Halbleiterkristallkörper einlagern. Derartige Verunreinigungen werden auch Fremdausscheidungen oder Präzipitate genannt und können negativen Einfluss auf die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Halbleiterkristallkörpers und folglich der hieraus hergestellten Substrate haben, die sich in den auf den Substraten gebildeten Solarzellen fortsetzten. Das Resultat sind Solarzellen mit verminderten Wirkungsgraden.
• Eine in der Solartechnik bedeutende Quelle von Kristallverunreinigungen bilden in dem Halbleiterkristallkörper aus Silizium eingelagerte Ausscheidungen aus Siliziumkarbid (SiC). Diese entstehen aufgrund von Kohlenstoff (C), der sich in reiner Form oder in Form von Kohlenstoffverbindungen wie beispielsweise Siliziumkarbid, Metallkarbide und/oder andere Kohlenstoffverbindungen wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe in der Schmelze befinden kann. Ausscheidungen von Siliziumkarbid im Halbleiterkristallkörper haben bereits bei der Zerschneidung des Halbleiterkristallkörpers zu Wafern mittels eines Sägedrahtes den Nachteil, dass die in dem Halbleiterkristallkörper eingeschlossenen SiC-Kristalle aufgrund ihrer hohen Härte den Sägedraht beschädigen können. Darüber hinaus bilden sie in dem Halbleiterkristallkörper und folglich in den daraus gebildeten Solarzellen Kristalldefekte, die zu einer Verringerung der Effizienz beim Betrieb der Solarzelle führen.
• Das Dokument DE 10 2007 020 006 A1 beschäftigt sich speziell mit der Bildung beziehungsweise Vermeidung von Ausscheidungen aus Siliziumkarbid. Der wesentliche Ansatz hierzu besteht darin, eine Kohlenstoffkonzentration in der Siliziumschmelze dadurch zu reduzieren, dass eine Sauerstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff führende Partialdruck-Komponente in einer gasförmigen Phase über der Siliziumschmelze eingestellt und gesteuert wird. Dieses bekannte Konzept beruht auf thermochemischen und thermodynamischen Betrachtungen, denen zufolge eine Antikorrelation besteht zwischen der Konzentration von Kohlenstoff im Silizium und der Konzentration von Sauerstoff im Silizium. Daher basiert das in DE 10 2007 020 006 A1 offenbarte Konzept immer auf der Einstellung von hohen Sauerstoffkonzentrationen im Silizium. Im Photovoltaikbereich ist jedoch das Vorhandensein von Sauerstoff im Silizium aus unterschiedlichen Gründen nachteilig. Beispielsweise bildet Sauerstoff zusammen mit Bor, welches oft als Dotand im Silizium verwendet wird, Defekte in Form von Bor-Sauerstoff-Komplexen, welche den Wirkungsgrad von Solarzellen vermindern.
• WO 2007/148 985 A1 offenbart die Herstellung eines Siliziumkristallkörpers mittels gerichteten Erstarrens. Um die Konzentration an Verunreinigung in dem hergestellten Silizium zu vermindern, wird ein Tiegel aus Siliziumkarbid verwendet.
• US 2009/01 16 019 A1 offenbart ein Verfahren zur Beobachtung der Fest-Flüssig-Phasengrenze bei der Herstellung kristallinen Siliziums aus einer Schmelze. Hierzu werden Schallwellen auf die Schmelze gerichtet. Anhand der Frequenz der reflektierten Schallwellen wird auf die Dicke der Flüssigkeitsschicht geschlossen.
• Es ist daher Ausgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren und eine Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristallkörpers mit weniger Verunreinigungen und Einlagerungen von Fremdkristallen bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Herstellungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
• Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, Verunreinigungsmaterial, welches in einer Schmelze vorhanden ist oder sich bei der Kristallisation eines Halbleitermaterials aus einer Schmelze bildet, der Schmelze zu entziehen, bevor es sich in dem kristallisierten Halbleitermaterial ablagern und dort Ausscheidungen bilden kann. Dies geschieht mittels eines Kristallisationskörpers, der sich in Kontakt mit der Schmelze befindet, und an dem sich das Verunreinigungsmaterial aus der Schmelze in einem festen Aggregatzustand abscheidet. Das Verunreinigungsmaterial kann sich hierbei bereits in der Schmelze befinden, oder es kann in der Schmelze beziehungsweise an einer Oberfläche des Kristallisationskörpers in der Schmelze gebildet werden. Das Verunreinigungsmaterial ist somit entweder ein Verunreinigungselement oder eine Verunreinigungsverbindung.
• Ferner kann das Verunreinigungsmaterial an dem Kristallisationskörper kristallisieren beziehungsweise ankristallisieren. Anders ausgedrückt, der Kristallisationskörper dient als Kristallisationskeim für das Verunreinigungsmaterial. In allen hier aufgeführten Ausführungsformen und Anwendungsgebieten kann das Verunreinigungsmaterial dadurch auftreten, dass ein oder mehrere Verunreinigungselemente sich miteinander oder mit einem oder mehreren der Komponenten des Halbleitermaterials chemisch verbinden, um das Verunreinigungsmaterial in Form einer Verunreinigungsverbindung zu bilden. Dies kann unabhängig von der Kristallisation des Verunreinigungsmaterials an dem Kristallisationskörper geschehen. Die chemische Verbindung geschieht jedoch vorzugsweise aufgrund oder gleichzeitig mit der Kristallisation des Verunreinigungsmaterials an dem Kristallisationskörper, so dass gerade aufgrund dieser Kristallisation die Verunreinigungselemente aus der Schmelze entzogen werden.
• Der auf diese Weise mit geringerer Dichte an Verunreinigungen hergestellte Halbleiterkristallkörper oder Ingot kann anschließend in Wafersubstrate geschnitten und entweder für die Halbleitertechnologie oder zur Solarzellenherstellung weiterverwendet werden. Im letzteren Fall folgt somit ein Abscheiden und/oder Eindotieren von photovoltaisch aktiven Bereichen auf dem Wafersubstrat. Das vorliegend beschriebene Verfahren eignet sich aber alternativ auch für die Herstellung anderer Kristallkörper als solche aus Halbleitermaterial, solange der Kristallkörper aus einer Schmelze gebildet wird. Der Kristallisationskörper dient auch hier zur Entnahme des Verunreinigungsmaterials aus der Schmelze, um seine Präzipitation in dem Kristallkörper zu verhindern.
• Die Schmelze aus dem Halbleitermaterial kann hierbei aus dem Halbleitermaterial in fester Form mittels Wärmezufuhr erzeugt werden. Dies geschieht entweder in dem Tiegel, in welchem anschließend die Kristallisation erfolgt, oder in einem anderen Behälter, aus dem die Schmelze anschließend in den Tiegel gegossen wird. Im ersteren Fall müssen um den Tiegel Heizelemente angeordnet sein, auf die jedoch im Folgenden nicht näher eingegangen werden soll, da sie im Stand der Technik hinreichend bekannt sind.
• Es ist zu beachten, dass der erzeugte Halbleiterkristallkörper mit Dotanden dotiert sein kann, welche bereits in der Schmelze enthalten sind. Man spricht in diesem Fall von einer vordotierten Schmelze. Vorzugsweise ist das Material des Kristallisationskörpers so gewählt, dass sich das Halbleitermaterial und/oder die Dotanden aus der Schmelze im Vergleich zu dem Verunreinigungsmaterial bevorzugt nicht an dem Kristallisationskörper abscheiden.
• Wie weiter unten im Detail erläutert, hängt das Kristallisationsverhalten des Verunreinigungsmaterials von der Konzentration des Verunreinigungsmaterials in der Schmelze oder, wenn das Verunreinigungsmaterial erst bei der Kristallisation durch eine chemischen Verbindung entsteht, von der Konzentration der Verunreinigungselemente in der Schmelze ab. Während der Kristallisation des Halbleitermaterials zu dem Halbleiterkristallkörper erhöht sich typischerweise, d. h. wenn der Verteilungskoeffizient kleiner als eins ist, die Konzentration des Verunreinigungsmaterials beziehungsweise des Verunreinigungselementes in der Schmelze.
• Nun kann der Kristallisationskörper vor der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers mit der Schmelze in Kontakt gebracht und wieder aus der Schmelze entnommen werden, um die Schmelze quasi vor dem Beginn des Kristallisationsprozesses zur Herstellung des Halbleiterkristallkörpers zu reinigen. Da jedoch das Abscheidungs- beziehungsweise Kristallisationsverhalten des Verunreinigungsmaterials von der Konzentration des Verunreinigungsmaterials beziehungsweise des Verunreinigungselementes in der Schmelze abhängt, kann es von Vorteil sein, den Kristallisationskörper zusätzlich oder ausschließlich während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers mit der Schmelze in Kontakt zu bringen. In diesem Fall kann eine Konzentrationszunahme aufgrund der Kristallisation des Halbleitermaterials an dem Halbleiterkristallkörper durch eine Konzentrationsabnahme aufgrund der Abscheidung des Verunreinigungsmaterials an dem Kristallisationskörper ausgeglichen werden, so dass die Konzentration des Verunreinigungsmaterials beziehungsweise des Verunreinigungselementes in der Schmelze in einem für die Abscheidung des Verunreinigungsmaterials optimalen Bereich bleibt. Wie nachfolgend erläutert, ist der sogenannte Ostwald-Miers-Bereich oder ein Teilbereich hiervon ein solcher optimaler Konzentrationsbereich.
• Der Kristallisationskörper ist zumindest an seiner Oberfläche polykristallin ausgebildet. Ein polykristalliner Kristallisationskörper hat den Vorteil, dass dem Verunreinigungsmaterial eine Vielzahl an Kristallrichtungen zum Abscheiden bereitgestellt wird, was zu einer effektiveren Säuberung der Schmelze führen kann.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kristallisationskörper Verunreinigungsmaterial aufweisend oder aus diesem bestehend bereitgestellt wird. Anders ausgedrückt, ist der Kristallisationskörper teilweise oder vollständig aus dem gleichen Material gebildet, wie das Verunreinigungsmaterial. Alternativ kann der Kristallisationskörper aus einem dem Verunreinigungselement, aus dem sich das Verunreinigungsmaterial in der Schmelze bildet, arteigenen Material gebildet sein. Das bedeutet, der Kristallisationskörper besteht zwar nicht aus dem Verunreinigungsmaterial, jedoch aus einer anderen, gegebenenfalls kristallographisch ähnlichen Verbindung des Verunreinigungselements. Erfindungsgemäß wird der Kristallisationskörper aus Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid gebildet
• In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kristallisationskörper als ein Teil einer Innenoberfläche oder als eine Innenoberfläche des Tiegels bereitgestellt wird. Hierbei kann beispielsweise der Tiegel teilweise oder vollständig aus dem Material des Kristallisationskörpers gebildet sein. In diesem Fall ist zusätzlich der Kristallisationskörper auch als zumindest teilweise Beschichtung eines in die Schmelze eintauchenden Tauchkörpers gebildet. Ferner kann der Kristallisationskörper in allen hier dargestellten Ausführungsformen selbst einkristallin oder multikristallin ausgebildet sein.
• Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kristallisationskörper zusätzlich als Beschichtung des Tiegels bereitgestellt wird. Eine derartige Beschichtung kann eine Innenoberfläche des Tiegels vollständig oder teilweise bedecken. Beispielsweise kann die Beschichtung auch oder ausschließlich entlang einer Tiegelwand angeordnet sein, um den Kristallisationsprozess des Halbleitermaterials zum Halbleiterkristallkörper selbst nicht zu beeinflussen.
• Der Kristallisationskörper wird durch eine Tiegelöffnung zumindest teilweise in die Schmelze getaucht. Vorzugsweise wird der Kristallisationskörper hierbei oberhalb oder an der Tiegelöffnung gehalten, so dass er nicht in den Tiegel hineinfällt und sich in dem sich bildenden Halbleiterkristallkörper festsetzen kann. Es können zwar filigrane oder sogar mikroskopische Kristallisationskörper verwendet werden. Verlässlicher und einfacher zu handhaben sind jedoch ein oder mehrere makroskopische Kristallisationskörper, beispielsweise stiftförmige Kristallisationskörper mit etwa 0,2 bis 2 cm Durchmesser und einer Länge von einigen Zentimetern.
• Bei der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers aus der Schmelze verschiebt sich eine Phasengrenze zwischen dem festen Halbleiterkristallkörper und der flüssigen Schmelze in Richtung der Schmelze. Hierbei vergrößert sich der Halbleiterkristallkörper.
• Typischerweise ist die Konzentration einer Verunreinigung in der Schmelze, wenn diese sich im Gleichgewicht mit dem daraus kristallisierenden Kristall befindet, größer als die Konzentration der gleichen Verunreinigung die in den kristallisierenden Kristall eingebaut wird, was gleichbedeutend mit einem Verteilungskoeffizienten kleiner als eins ist, weshalb während der Kristallisation die Konzentration des Verunreinigungselementes in der Schmelze ansteigt. Insbesondere ist diese Konzentration in der Nähe der Phasengrenze verhältnismäßig hoch und bildet dort ein lokales Maximum.
• Dieses „Aufstauen” des Verunreinigungselementes nahe der Phasengrenze kann vorliegend ausgenutzt werden, indem der Kristallisationskörper so in dem Tiegel angeordnet wird, dass er während der Kristallisation des Halbleitermaterials nahe der Phasengrenze angeordnet ist. Hierbei muss jedoch darauf geachtet werden, dass der Kristallisationskörper, Teile davon oder das an dem Kristallisationskörper kristallisierte Verunreinigungsmaterial nicht die Phasengrenze berührt. Ansonsten bestünde die Gefahr, dass der Kristallisationskörper in den entstehenden Halbleiterkristallkörper eingeschlossen wird. Der Kristallisationskörper wird somit vorzugsweise mit der Phasengrenze mitgeführt. Vorzugsweise sollte der Kristallisationskörper in einem Abstand von wenigen Millimetern bis etwa 5 mm oder 10 mm von der Phasengrenze gehalten werden.
• Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der in die Schmelze getauchte Abschnitt des Kristallisationskörpers während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers bewegt wird. Hierzu wird vorzugsweise der gesamte Kristallisationskörper bewegt.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der in die Schmelze getauchte Abschnitt des Kristallisationskörpers während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers eine Parallelbewegung parallel zu der Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem kristallisierenden Halbleiterkristallkörper ausführt. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, mit der die in der Schmelze befindlichen Verunreinigungselemente mit dem Kristallisationskörper in Kontakt kommen und dort kristallisieren.
• Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Parallelbewegung eine Rotationsbewegung des Kristallisationskörpers um eine Rotationsachse umfasst. Hierzu kann der Kristallisationskörper an einem Rotationskörper außerhalb oder innerhalb des Tiegels befestigt sein.
• Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Kristallisationskörper während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers eine Querbewegung senkrecht zu einer Phasengrenze zwischen der Schmelze und dem kristallisierenden Halbleiterkristallkörper derart ausführt, dass ein Abstand zwischen einem Ende des Kristallisationskörpers und der Phasengrenze im Wesentlichen konstant gehalten wird. Der Kristallisationskörper wird vorzugsweise aus der Schmelze vollständig entfernt, sobald die Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers abgeschlossen ist, beziehungsweise wenn die Phasengrenze eine Schmelzoberfläche der Schmelze beinahe erreicht hat.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Erzeugen des Halbleiterkristallkörpers ein gerichtetes Erstarren des Halbleiterkristallkörpers aus der Schmelze oder ein Ziehen des Halbleiterkristallkörpers aus dem Tiegel mittels des Czochralski-Verfahrens umfasst. Für das gerichtete Erstarren kann ein geeignetes, variierendes Temperaturprofil im Tiegel beispielsweise mittels Wärme- und/oder Kältevorrichtungen eingestellt werden.
• Es ist vorgesehen, dass der Kristallisationskörper aus Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid bereitgestellt wird. Ein Kristallisationskörper aus Siliziumkarbid eignet sich insbesondere für die Entnahme von Siliziumkarbid aus der Schmelze. Insbesondere ist er dazu geeignet, Kohlenstoffverunreinigungen, die sich in einer Siliziumschmelze befinden, in Form von Siliziumkarbid an sich zu binden. In der einleitend verwendeten Nomenklatur kann somit der sich in der Schmelze befindliche Kohlenstoff als ein Verunreinigungselement und das Silizium als Halbleiterkomponente bezeichnet werden, die sich in der Schmelze, bevorzugt an der Oberfläche des Kristallisationskörpers zu Siliziumkarbid verbinden und an dem Kristallisationskörper auskristallisieren.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird die eine Konzentration eines Verunreinigungselementes in der Schmelze in einem Ostwald-Miers-Bereich (OM-Bereich) gehalten. Wenn die Schmelze aus geschmolzenem Silizium gebildet ist und es sich bei dem Verunreinigungselement um Kohlenstoff handelt, so entspricht der OM-Bereich einer Kohlenstoffkonzentration von zwischen etwa 35 und 75 × 10¹⁷ Atomen pro cm³.
• Um mit dem Kristallisationskörper die vorangehend beschriebene Parallel- und/oder Querbewegung ausführen zu können, weist die Herstellungsvorrichtung eine mit dem Kristallisationskörper verbundene Bewegungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist, den Kristallisationskörper parallel und/oder senkrecht zu einer Phasengrenze in der Schmelze zu bewegen. Hierbei kann eine Steuervorrichtung zur automatischen Steuerung der Bewegungseinrichtung eingesetzt werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 eine schematische Querschnittsansicht eines mit einer Schmelze gefüllten Tiegels während eines Kristallisationsprozesses;
• 2 ein Phasendiagramm von Silizium und Kohlenstoff als Beispiel eines Halbleiters mit einem Verunreinigungselement;
• 3 eine schematische Ansicht auf einen Kristallisationskörper mit ankristallisierten Verunreinigungskristallen;
• 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Tiegels mit darin enthaltener Schmelze, in die während eines Kristallisationsprozesses Kristallisationskörper eingeführt sind; und
• 5 eine schematische Ansicht auf eine Rotationseinrichtung für Kristallisationskörper.
• Die 1 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Tiegel 1, in dem eine Schmelze 3 aus Silizium, angeordnet ist. Der Tiegel 1 umfasst einen Tiegelboden 12 und eine Tiegelwand 13. Beispielsweise kann der Tiegel 1 einen kreisförmigen, rechteckigen oder quadratischen Innendurchmesser aufweisen, der in der Querschnittsansicht der 1 jedoch nicht erkennbar ist. Um in den Tiegel 1 einen Halbleiterkristallkörper 2 mittels gerichteten Erstarrens aus der Schmelze 3 zu erzeugen, werden vorzugsweise Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen verwendet, die am oder um den Tiegel 1 herum angeordnet, jedoch in der 1 nicht dargestellt sind.
• Mittels der Heiz- und/oder Kühlvorrichtungen wird in dem Tiegel 1 ein Temperaturprofil so aufgeprägt, dass von unten nach oben, also ausgehend von dem Tiegelboden 12, eine Erstarrung zur Bildung eines mono- oder multikristallinen beziehungsweise polykristallinen Halbleiterkristallkörpers herbeigeführt wird. Während der Halbleiterkristallkörper 2 mittels Kristallisation aus der Schmelze 3 des Halbleiterkristalls entsteht und wächst, bewegt sich eine Phasengrenze 31 zwischen der flüssigen Schmelze 3 und dem festen Halbleiterkristallkörper 2 nach oben. Die Phasengrenze 31 braucht sich hierbei lediglich relativ zum Tiegel 1 nach oben zu bewegen, während sie absolut im Raum fest stehen kann, wenn zum Beispiel der Tiegel 1 entsprechend nach unten bewegt wird.
• Die 2 zeigt das Phasendiagramm für eine Siliziumschmelze als Beispiel für eine Schmelze 3 aus Halbleitermaterial, in der Kohlenstoff als Verunreinigungselement enthalten ist. Entlang der Abszisse ist die Konzentration an Kohlenstoff in der Schmelze in 10¹⁷ Atomen pro cm³ aufgetragen, während die Temperatur der Schmelze 3 ohne Einheiten entlang der Ordinate aufgetragen ist. Das Phasendiagramm zeigt an, in welcher Form Silizium und/oder Kohlenstoff in der Schmelze 3 bei einem gegebenen Parameterpaar aus Konzentration und Temperatur vorliegen.
• Hierbei bedeutet „Liq”, dass eine Lösung in einem flüssigen Aggregatzustand vorliegt. Demgegenüber bedeuten „Si” oder „SiC”, dass jeweils Silizium oder Siliziumkarbid im kristallinen Zustand vorliegt, gegebenenfalls mit Verunreinigungen in Form von eingelagerten Verunreinigungselementen wie elementarer Kohlenstoff. Dementsprechend bezeichnen „Si + Liq”, „SiC + Liq” und „Si + SiC” jeweils das Vorhandensein von Siliziumkristall und (verunreinigte) Siliziumschmelze, Siliziumkarbidkristall und (verunreinigte) Siliziumschmelze sowie Siliziumkristall und Siliziumkarbidkristall. Letzterer Zustand, in dem Siliziumkarbidkristalle in dem erstarrten Siliziumkristall abgelagert sind, stellt sich ein, wenn das Material in dem Tiegel 1 vollständig erstarrt ist. Mit T_m wird die Schmelztemperatur von reinem Silizium bezeichnet.
• Kohlenstoff kann in die Siliziumschmelze einmal dadurch gelangen, dass in einem für die Schmelze verwendeten Siliziumausgangsmaterial Kohlenstoff mit einer gewissen Konzentration als Verunreinigungselement enthalten ist, und/oder als Partikel in Form von Verbindungen wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC), Metallkarbide und/oder andere Kohlenstoffverbindungen wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe. Kohlenstoff kann auch während des Schmelzvorgangs des Halbleitermaterials und/oder während des anschließenden Kristallisationsprozesses, bei dem der Halbleiterkristallkörper 2 gebildet wird, aus einer die Schmelze umgebenden Gasatmosphäre in Form von kohlenstoffhaltigen gasförmigen Verbindungen wie beispielsweise Kohlenmonoxid in die Schmelze 3 eingetragen werden. Kohlenstoff kann in der Siliziumschmelze bis zu einer Konzentration von etwa 4 × 10¹⁸ Atome/cm³ gelöst werden. Dieser Wert ist im Phasendiagramm der 2 mit C_L bezeichnet.
• Bei der Kristallisation von Silizium aus einer kohlenstoffhaltigen Schmelze 3 wird in den Siliziumkristall Kohlenstoff mit einer Konzentration eingebaut, die gleich der Konzentration ist, die sich aus dem Produkt aus einem Verteilungskoeffizienten k und der Kohlenstoffkonzentration in der Schmelze ergibt, wobei k = 0,07 ist. Infolge dieser sogenannten Segregation wird in dem Siliziumkristall weniger Kohlenstoff eingebaut, als in der Schmelze 3 vorhanden ist. Dies führt zu einem Anstieg der Kohlenstoffkonzentration insgesamt in der Schmelze 3, jedoch insbesondere vor der sich mit entsprechend einer Kristallisationsrate bewegenden Phasengrenze 31 zwischen festem Halbleiterkristallkörper 2 und flüssiger Schmelze 3.
• Die Kohlenstoffkonzentration steigt also im Verlauf der Kristallisation des Halbleitermaterials an und hat ein lokales Maximum in der Nähe oder an der Phasengrenze 31. Wird infolge dieser Anreicherung von Kohlenstoff in der Schmelze 3 die Löslichkeit des Kohlenstoffs in der Schmelze 3 überschritten, kommt es zur Bildung von Siliziumkarbid-Ausscheidungen in der Siliziumschmelze.
• Neuere Ergebnisse zeigen, dass selbst wenn die Kohlenstoffkonzentration in der Schmelze 3 den Wert C_L überschreitet, sich zunächst keine SiC-Ausscheidungen bilden. Dies geschieht erst beim Überschreiten eines wesentlich höheren Wertes, welcher in 2 mit C_OM bezeichnet ist. Der Wert C_OM kann durchaus etwa doppelt so groß sein, wie C_L. Dieses Ergebnis kann durch die kinetische Keimbildungsenergie begründet werden, die überschritten werden muss, bevor eine neue feste Phase gebildet werden kann, was vorliegend einer SiC-Ausscheidung entspricht. Dies hat zur Folge, dass die SiC-Ausscheidung erst dann gebildet wird, wenn die Übersättigung, das heißt die Differenz der aktuellen Kohlenstoffkonzentration zur Löslichkeitsgrenze C_L, einen kritischen Wert überschreitet, der zur Bildung von Kristallkeimen führt.
• Anders ausgedrückt, erfolgt erst in dem Konzentrationsbereich oberhalb C_OM eine homogene Keimbildung, weshalb dieser Bereich in 2 als Keimbildungsbereich „KB” bezeichnet ist. Der Übersättigungsbereich oberhalb C_L, in dem in der Regel noch keine spontane oder homogene Keimbildung erfolgt, ist als Ostwald-Miers-Bereich (OM-Bereich) bekannt. Allerdings können auch im OM-Bereich SiC-Ausscheidungen gebildet werden, wenn bereits fremde Kristallisationskeime, beispielsweise aus SiC oder einem anderen geeigneten Material, vorhanden sind. Dieser Effekt wird vorliegend ausgenutzt, um Verunreinigungen aus der Schmelze zu entziehen. Hierzu wird die Konzentration des Kohlenstoffs in der Schmelze 3 vorzugsweise zwischen den beiden Konzentrationswerten C_L und C_OM gehalten, also im OM-Bereich. Innerhalb dieses OM-Bereichs ist es möglich, durch Vorgabe von Kristallkeimen die Bildung einer neuen festen Phase zu erreichen. Vorliegend umfasst die neue feste Phase das Verunreinigungsmaterial in kristalliner Form, das sich als SiC-Ausscheidungen in der Schmelze bildet. Als Kristallisationskeim dient ein Kristallisationskörper, der wie nachfolgend erläutert in die Schmelze 3 getaucht wird.
• Die 3 zeigt beispielhaft einen derartigen Kristallisationskörper 4, der stiftförmig ausgebildet ist. In allen hier vorgestellten Ausführungsformen kann der Kristallisationskörper 4 auch andere geometrische Formen annehmen. Beispielsweise kann er die Form eines Gitters annehmen, welches horizontal oder vertikal in die Schmelze 3 getaucht wird und zum Beispiel parallel zur Phasengrenze aufgehängt wird.
• An dem Kristallisationskörper 4 aus der Schmelze 3 ausgeschiedene Verunreinigungskristalle 5 aus dem Verunreinigungsmaterial sind in der 3 ebenfalls dargestellt. Es handelt sich also um einen Kristallisationskörper 4, der nach dem Kristallisieren des Halbleiterkristallkörpers 2 aus der Schmelze 3 entnommen wurde. Da es sich hierbei lediglich um eine schematische Zeichnung handelt, ist durchaus möglich, dass die Verunreinigungskristalle 5 auch bei einem gleichartigen Kristallisationskörper 4 anders gestaltet sind. Insbesondere können die Größenverhältnisse je nach Dimensionierung des Kristallisationskörpers 4 von den in 3 dargestellten Größenverhältnissen wesentlich abweichen. Der Kristallisationskörper 4 kann nun von dem Verunreinigungsmaterial gereinigt und wiederverwendet werden. Alternativ kann der Kristallisationskörper 4 auch zusammen mit den Verunreinigungskristallen 5 entsorgt werden.
• Die 4 veranschaulicht in einer schematischen Querschnittsansicht die Anordnung mehrerer Kristallisationskörper 4 gemäß der 3 in einem Tiegel 1 gemäß 1 derart, dass die Kristallisationskörper 4 während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers 2 in die Schmelze 3 eingetaucht sind. In dieser speziellen Ausführungsform sind die Kristallisationskörper 4 an einer Trägerplatte 6 befestigt, die über einer Öffnung 14 des Tiegels 1 angeordnet und an einer Haltestange 7 gehalten ist. Auf diese Weise werden die Kristallisationskörper 4 so gehalten, dass sie jeweils mit einem freien Ende Nahe der Phasengrenze 31 angeordnet werden, ohne diese jedoch zu berühren.
• Die Anordnung der Haltestange 7 mit der Trägerplatte 6 und den hieran befestigten Kristallisationskörpern 4 ist in einer schematischen Perspektivenansicht in der 5 dargestellt. Es ist aus der 5 ersichtlich, dass in dieser Ausführungsform vier Kristallisationskörper 4 an der Trägerplatte 6 umfänglich äquidistant angeordnet sind. In der 5 ist ferner mit Hilfe von Pfeilen 71, 72 veranschaulicht, dass die Haltestange 7 sowohl eine Rotationsbewegung 71 als auch eine Translationsbewegung 72 parallel zu einer Erstreckungsrichtung der Haltestange 7 ausführen kann. Aufgrund der Rotationsbewegung 71 werden die vier Kristallisationskörper 4 in der Schmelze 3 parallel zur Phasengrenze 31 bewegt, während sie aufgrund der Rotationsbewegung 71 der Haltestange 7 senkrecht zur Phasengrenze 31 bewegt werden. Die beiden Bewegungen 71, 72 können zeitlich von einander getrennt oder gleichzeitig durchgeführt werden.
• Die Bewegung der Kristallisationskörper 4 senkrecht zur Phasengrenze 31 dient dazu, einen Abstand zwischen der Phasengrenze 31 und den Kristallisationskörpern 4 während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers 2 möglichst konstant zu halten. Demgegenüber dient das Bewegen der Kristallisationskörper 4 parallel zur Phasengrenze 31 der besseren Aufnahme des in der Schmelze 3 vorliegenden und/oder des vor der Phasengrenze 31 angereicherten Verunreinigungselementes, im vorliegenden Fall des Kohlenstoffs.
• Schließlich zeigt die 6 einen Tiegel 1, an dessen Innenoberfläche 11 der Kristallisationskörper 4 als Beschichtung angeordnet ist. Die Beschichtung ist hierbei lediglich entlang eines oberen Randes der Tiegelwand 13 aufgebracht. Alternativ kann die Beschichtung und somit der Kristallisationskörper 4 die gesamte Tiegelwand 13 und/oder gegebenenfalls den Tiegelboden 12 bedecken. Wenn der Halbleiterkristallkörper 2 bei seiner Herstellung in Randbereichen mit dem Kristallisationskörper 4 in Berührung kommt, was bei einer vollständigen Beschichtung der gesamten Innenoberfläche 11 des Tiegels 1 zwangsläufig geschieht, müssen diese Randbereiche im Anschluss von dem Halbleiterkristallkörper 2 entfernt werden, um einen verunreinigungsfreien Halbleiterkristallkörper 2 zu erhalten. Die weiteren Merkmale des in 6 dargestellten Aufbaus können denen aus den 1 oder 4 gleichen. Die in 6 dargestellte Ausführungsform gehört jedoch nicht zur Erfindung.
• Bezugszeichenliste

1

Tiegel

11

Innenoberfläche des Tiegels

12

Tiegelboden

13

Tiegelwand

14

Tiegelöffnung

2

Halbleiterkristallkörper

3

Schmelze

31

Phasengrenze

4

Kristallisationskörper

5

Verunreinigungskristalle

6

Trägerplatte

7

Haltestange

71

Rotationsbewegung

72

Translationsbewegung

Claims (10)

1. Herstellungsverfahren eines Halbleiterkristallkörpers (2), umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Schmelze (3) aus Silizium in einem Tiegel (1); und – Erzeugen des Halbleiterkristallkörpers (2) mittels gradueller Kristallisation des Halbleitermaterials aus der Schmelze (3), wobei vor und/oder während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers (2) ein Kristallisationskörper (4) mit der Schmelze (3) in Kontakt gebracht wird, an dem sich ein Verunreinigungsmaterial in festem Aggregatzustand aus der Schmelze (3) heraus abscheidet, wobei der Kristallisationskörper (4) aus Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid bereitgestellt wird, zumindest an seiner Oberfläche polykristallin ist und derart ausgebildet ist, dass er als Kristallisationskeim für das Verunreinigungsmaterial dient, und wobei der Kristallisationskörper (4) durch eine Tiegelöffnung (14) zumindest teilweise in die Schmelze (3) getaucht wird, wobei entweder mehrere makroskopische Kristallisationskörper durch die Tiegelöffnung (14) zumindest teilweise in die Schmelze (3) getaucht werden oder ein oder mehrere makroskopische Kristallisationskörper durch die Tiegelöffnung (14) zumindest teilweise in die Schmelze (3) getaucht werden und der in die Schmelze (3) getauchte Abschnitt des Kristallisationskörpers (4) oder der Kristallisationskörper (4) während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers (2) eine Parallelbewegung parallel zu einer Phasengrenze (31) zwischen der Schmelze (3) und dem kristallisierenden Halbleiterkristallkörper (2) ausführt.
2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskörper (4) Verunreinigungsmaterial aufweisend oder aus diesem bestehend bereitgestellt wird.
3. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Schmelze (3) getauchte Abschnitt des Kristallisationskörpers (4) während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers (2) bewegt wird.
4. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelbewegung eine Rotationsbewegung des Kristallisationskörpers (4) um eine Rotationsachse umfasst.
5. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskörper (4) während der Kristallisation des Halbleiterkristallkörpers (2) eine Querbewegung senkrecht zu einer Phasengrenze (31) zwischen der Schmelze (3) und dem kristallisierenden Halbleiterkristallkörper (2) derart ausführt, dass ein Abstand zwischen einem Ende des Kristallisationskörper (4) und der Phasengrenze (31) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
6. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Halbleiterkristallkörpers (2) ein gerichtetes Erstarren des Halbleiterkristallkörpers (2) aus der Schmelze (3) oder ein Ziehen des Halbleiterkristallkörpers (2) aus dem Tiegel mittels des Czochralski-Verfahrens umfasst.
7. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konzentration eines Verunreinigungselementes in der Schmelze in einem Ostwald-Miers-Bereich gehalten wird.
8. Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkristallkörper (2) in Form eines Substratmaterials für Solarzellen hergestellt wird.
9. Herstellungsvorrichtung zur Herstellung eines Halbleiterkristallkörpers (2) umfassend einen Tiegel (1), welcher ausgebildet ist, eine Schmelze (3) aus Silizium aufzunehmen und einen zumindest teilweise in den Tiegel (1) einführbaren Kristallisationskörper (4), welcher derart ausgebildet ist, dass an ihm eine Verunreinigungsverbindung in festem Aggregatzustand aus der Schmelze (3) heraus abscheidbar ist, wobei der Kristallisationskörper (4) aus Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid gebildet ist, mit einer Bewegungseinrichtung verbunden ist, welche ausgebildet ist, den Kristallisationskörper (4) senkrecht zu einer Phasengrenze in der Schmelze (3) zu bewegen, zumindest an seiner Oberfläche polykristallin ist und derart ausgebildet ist, dass er als Kristallisationskeim für das Verunreinigungsmaterial dient, wobei entweder mehrere zumindest teilweise in den Tiegel (1) einführbare makroskopische Kristallisationskörper vorgesehen sind oder ein oder mehrere zumindest teilweise in den Tiegel (1) einführbare makroskopische Kristallisationskörper und eine mit dem Kristallisationskörper (4) oder mit den Kristallisationskörpern (4) verbundene Bewegungseinrichtung vorgesehen ist, welche ausgebildet ist, den Kristallisationskörper (4) parallel zu einer Phasengrenze in der Schmelze (3) zu bewegen.
10. Herstellungsvorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass der Halbleiterkristallkörper (2) als Substratmaterial für Solarzellen erzeugt wird.

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