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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von monokristallinen Halbleiterwerkstoffen, insbesondere von monokristallinem Silizium. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Herstellung solcher monokristalliner Halbleiterwerkstoffe.
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Elementares Silizium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden unter anderem in der Photovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (Halbleiter, Computerchips) Verwendung. Demgemäß ist es üblich, elementares Silizium an Hand seines Reinheitsgrades zu klassifizieren. Man unterscheidet beispielsweise „Electronic Grade Silizium” mit einem Anteil an Verunreinigungen im PPT-Bereich und „Solar Grade Silizium”, das einen etwas höheren Anteil an Verunreinigungen aufweisen darf.
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Bei der Herstellung von Solar Grade Silizium und Electronic Grade Silizium geht man stets von metallurgischem Silizium (in der Regel 98–99% Reinheit) aus und reinigt dieses über ein mehrstufiges, aufwendiges Verfahren auf. So ist es beispielsweise möglich, das metallurgische Silizium in einem Wirbelschichtreaktor mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan umzusetzen, das anschließend zu Siliziumtetrachlorid und Monosilan disproportioniert wird. Letzteres lässt sich thermisch in seine elementaren Bestandteile Silizium und Wasserstoff zersetzen. Ein entsprechender Verfahrensablauf ist beispielsweise in der
WO 2009/121558 beschrieben.
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Das auf diesem Weg erhaltene Silizium weist in aller Regel mindestens eine ausreichend hohe Reinheit auf, um als Solar Grade Silizium klassifiziert zu werden. Noch höhere Reinheiten lassen sich gegebenenfalls durch nachgeschaltete zusätzliche Aufreinigungsschritte erzielen. Gleichzeitig ist es für viele Anwendungen günstig oder sogar erforderlich, das aus obigem Verfahren hervorgehende und in der Regel polykristallin anfallende Silizium in monokristallines Silizium umzuwandeln. So weisen Solarzellen aus monokristallinem Silizium einen in der Regel deutlich höheren Wirkungsgrad auf als Solarzellen aus polykristallinem Silizium.
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Die Umwandlung von polykristallinem Silizium in monokristallines erfolgt in der Regel durch Aufschmelzen des polykristallinen Siliziums und anschließendes Kristallisieren in monokristalliner Struktur mit Hilfe eines Impfkristalles.
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Eine Technik zur Herstellung von monokristallinem Silizium, mit der es möglich ist, Silizium-Einkristalle mit besonders hohem Reinheitsgrad herzustellen, ist das sogenannte Zonenschwebeverfahren oder Float-Zone-Verfahren (FZ), das zuerst von Keck und Golay vorgeschlagen wurde. Eine Ausführungsform eines FZ-Verfahrens bzw. einer für ein solches Verfahren geeigneten Vorrichtung sind z. B. in der
EP 1595006 B1 dargestellt.
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Die FZ-Technik bietet gegenüber alternativen Verfahren wie zum Beispiel dem bekannten Czochralski-Verfahren einige deutliche Vorteile, insbesondere was die Reinheit des gewonnenen monokristallinen Siliziums angeht. Bei FZ-Verfahren wird die zur Kristallzüchtung verwendete Siliziumschmelze nämlich nicht in einem Tiegel gehalten. Stattdessen wird das untere Ende eines Stabes aus Polysilizium in den Heizbereich einer Induktionsheizung abgesenkt und vorsichtig aufgeschmolzen. Unterhalb des Siliziumstabes sammelt sich eine Schmelze aus aufgeschmolzenem Silizium, in die, in der Regel von unten, ein Impfkristall aus monokristallinem Silizium eingetaucht wird. Sobald der Impfkristall mit der Siliziumschmelze benetzt ist, kann mit der Kristallzüchtung begonnen werden, indem die Siliziumschmelze langsam aus der Heizzone abgesenkt wird. Der aufzuschmelzende Siliziumstab muss gleichzeitig von oben nachgeführt werden, so dass das Volumen der Schmelze im Wesentlichen konstant bleibt. Beim Absenken der Schmelze bildet sich an ihrer Unterseite eine Erstarrungsfront aus, entlang derer das flüssige Silizium in der gewünschten Struktur kristallisiert.
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Die Herstellung von monokristallinem Silizium ausgehend von metallurgischem Silizium gestaltet sich energetisch sehr aufwendig. Sie ist gekennzeichnet durch eine komplexe Abfolge von chemischen Prozessen und Aggregatzustandsänderungen. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die bereits erwähnte
WO 2009/121558 . Das in dem dort beschriebenen mehrstufigen Prozess gewonnene Silizium fällt in einem Pyrolysereaktor in Form von festen Stangen an, die zur anschließenden Weiterverarbeitung, beispielsweise in einem Czochralski-Verfahren oder einem FZ-Verfahren, gegebenenfalls zerkleinert und wieder aufgeschmolzen werden müssen.
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Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine neue Technik zur Herstellung von monokristallinem Silizium bereitzustellen, die sich insbesondere durch einen vereinfachten Verfahrensablauf sowie durch energetische Optimierung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensabläufen auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage sind in den abhängigen Ansprüchen 11 und 12 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren können grundsätzlich die unterschiedlichsten Halbleiterwerkstoffe in monokristalliner Form erhalten werden. Insbesondere eignet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von monokristallinem Silizium. Es umfasst dabei stets zumindest die folgenden Schritte:
- 1. In einem Schritt wird ein Halbleiterwerkstoff als Ausgangsmaterial bereitgestellt. Bei dem Halbleiterwerkstoff handelt es sich bevorzugt um Silizium.
- 2. In einem weiteren Schritt wird das Ausgangsmaterial in eine Heizzone überführt. In dieser Heizzone befindet sich eine Schmelze aus dem Halbleiterwerkstoff, die mit Ausgangsmaterial gespeist wird. Bei der Schmelze handelt es sich wie bei klassischen FZ-Verfahren, z. B. dem in der EP 1595006 B1 beschriebenen Verfahren, um eine „frei schwebende Schmelze”. Darunter ist eine Schmelze zu verstehen, die nicht in Kontakt mit den Wänden eines Gefäßes wie eines Tiegels steht. Stattdessen wird ihre Stabilität kontaktlos aufrecht erhalten, worauf unten noch näher eingegangen wird.
- 3. Durch Absenken der Schmelze aus der Heizzone oder alternativ durch Anheben der Heizzone kann die Ausbildung einer Erstarrungsfront am unteren Ende der Schmelze herbeigeführt werden, entlang derer der Halbleiterwerkstoff in der gewünschten monokristallinen Struktur erstarrt. Grundsätzlich kann das Absenken der Schmelze aus der Heizzone und das erwähnte Anheben der Heizzone auch gleichzeitig erfolgen.
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Besonders zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass das Ausgangsmaterial aus dem Halbleiterwerkstoff in flüssiger Form bereitgestellt und auch flüssig in die Schmelze eingespeist wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit einige Gemeinsamkeiten mit klassischen FZ-Verfahren auf, insbesondere die erwähnte „frei schwebende Schmelze”. Das Aufrechterhalten und Stabilisieren der Schmelze sowie die Abkühlung der Schmelze, insbesondere durch Absenkung der Schmelze aus dem Heizbereich, kann grundsätzlich gemäß aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen erfolgen, wie sie z. B. in der
EP 1595006 B1 beschrieben und erwähnt sind. Im Unterschied zu klassischen FZ-Verfahren wird die Schmelze allerdings nicht durch Nachführen eines festen Halbleitermaterials, insbesondere eines festen Siliziumstabes, wie er eingangs erwähnt ist, gespeist. Stattdessen wird die Schmelze mit Ausgangsmaterial gespeist, das nicht erst unmittelbar oberhalb der Schmelze aufgeschmolzen sondern in bereits verflüssigter Form herangeführt wird.
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Zur Bildung der gewünschten monokristallinen Struktur wird die Schmelze bevorzugt mit einem Keim aus einem monokristallinen Halbleiterwerkstoff, insbesondere einem Keim aus monokristallinem Silizium, geimpft, der, insbesondere von unten, in die Schmelze eingetaucht werden kann. Die Schmelze erstarrt entsprechend beim Erkalten entlang der Erstarrungsfront an ihrem unteren Ende in einer monokristallinen Struktur.
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In den noch unveröffentlichten Patentanmeldungen der Anmelderin mit den Aktenzeichen
PCT/EP2009/008457 und
DE 10 2010 011 853.2 werden jeweils Verfahren zur Siliziumgewinnung beschrieben, bei denen Silizium in flüssiger Form erhalten wird. Die vorliegend beschriebene Erfindung baut auf diesen Verfahren auf.
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Zur Bereitstellung des flüssigen Ausgangsmaterials werden in bevorzugten Ausführungsformen Partikel aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder eine Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs in einen Gasstrom eingespeist, wie das in den beiden genannten Patentanmeldungen beschrieben ist. Gegebenenfalls können in den Gasstrom sowohl Partikel aus dem Halbleiterwerkstoff als auch eine Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs eingespeist werden. Der Gasstrom weist eine ausreichend hohe Temperatur auf, um die Partikel aus dem Halbleiterwerkstoff aus dem festen in den flüssigen und/oder gasförmigen Zustand zu überführen und/oder um die Vorläuferverbindung thermisch zu zersetzen.
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Die Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs könnte grundsätzlich zwar auch direkt erwärmt werden, so dass es zu einer thermischen Zersetzung der Vorläuferverbindung kommt, beispielsweise indem ihr mittels elektrostatischer oder elektromagnetischer Felder Energie zugeführt wird, um sie in einen plasmaartigen Zustand zu überführen. Bevorzugt wird sie zur Zersetzung aber in einen hocherhitzten Gasstrom eingespeist.
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Bei den Partikeln aus dem Halbleiterwerkstoff handelt es sich insbesondere um metallische Siliziumpartikel, wie sie zum Beispiel beim Zersägen von Siliziumblöcken zu dünnen Waferscheiben aus Silizium in großen Mengen anfallen können. Unter Umständen können die Partikel oberflächlich zumindest leicht oxidiert sein.
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Bei der Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs handelt es sich bevorzugt um eine Silizium-Wasserstoff-Verbindung, besonders bevorzugt um Monosilan (SiH4). Allerdings ist beispielsweise auch die Verwendung von anderen siliziumhaltigen Verbindungen, insbesondere von Chlorsilanen wie zum Beispiel insbesondere Trichlorsilan (SiHCl3), möglich.
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Der Gasstrom, in den die Partikel aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder die Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffes eingespeist werden, umfasst in der Regel mindestens ein Trägergas. In bevorzugten Ausführungsformen besteht er aus einem solchen. Der Anteil an der Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffes in der Mischung mit dem mindestens einen Trägergas liegt besonders bevorzugt zwischen 5 Gew.-% und 99 Gew.-%, insbesondere zwischen 5 Gew.-% und 50 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 5 Gew.-% und 20 Gew.-%. Als Trägergas kommt insbesondere Wasserstoff in Frage, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn es sich bei der Vorläuferverbindung um eine Silizium-Wasserstoff-Verbindung handelt. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann es sich bei dem Trägergas auch um eine Trägergasmischung, beispielsweise aus Wasserstoff und einem Edelgas, insbesondere Argon, handeln. Das Edelgas ist dann in der Trägergasmischung bevorzugt in einem Anteil zwischen 1% und 50% enthalten.
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Der Gasstrom weist bevorzugt eine Temperatur zwischen 500°C und 5000°C, besonders bevorzugt zwischen 1000°C und 5000°C, insbesondere zwischen 2000°C und 4000°C, auf. Bei einer solchen Temperatur können zum einen z. B. Partikel aus Silizium verflüssigt bzw. im Gasstrom sogar mindestens teilweise verdampft werden. Auch Silizium-Wasserstoff-Verbindungen und andere denkbare Vorläuferverbindungen des Halbleiterwerkstoffs werden bei solchen Temperaturen in der Regel ohne Weiteres in ihre elementaren Bestandteile zersetzt.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Gasstrom um ein Plasma, insbesondere um ein Wasserstoff-Plasma. Bei einem Plasma handelt es sich bekanntlich um ein teilweise ionisiertes Gas, das zu einem nennenswerten Anteil freie Ladungsträger wie Ionen oder Elektronen enthält. Erhalten wird ein Plasma stets durch äußere Energiezufuhr, welche insbesondere durch thermische Anregung, Bestrahlungsanregung oder durch Anregung durch elektrostatische oder elektromagnetische Felder erfolgen kann. Vorliegend ist insbesondere die letztere Anregungsmethode bevorzugt. Entsprechende Plasmageneratoren sind kommerziell erhältlich und müssen im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht näher erläutert werden.
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Nach dem Einspeisen der Partikel aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder der Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffes in den Gasstrom ist es erforderlich, entstehenden gasförmigen Halbleiterwerkstoff aus dem Gasstrom auszukondensieren (sofern erforderlich) sowie den entstehenden gasförmigen und/oder flüssigen Halbleiterwerkstoff gegebenenfalls von der Trägergaskomponente abzutrennen. Hierfür kommt in bevorzugten Ausführungsformen ein Reaktorbehälter zum Einsatz, in den der Gasstrom mit den Partikeln aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder der Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs bzw. mit entsprechenden gasförmigen und/oder flüssigen Folgeprodukten aus diesen eingeleitet wird. Ein solcher Reaktorbehälter dient zum Sammeln und gegebenenfalls zum Kondensieren des flüssigen und/oder gasförmigen Halbleiterwerkstoffs. Insbesondere ist er dazu vorgesehen, die in bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Mischung aus Trägergas, Halbleiterwerkstoff (flüssig und/oder gasförmig) und gegebenenfalls gasförmigen Zerfallsprodukten aufzutrennen.
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Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird das so gewonnene flüssige Ausgangsmaterial bevorzugt unmittelbar aus dem Reaktorbehälter in die Schmelze aus dem Halbleiterwerkstoff eingespeist. Alternativ kann das flüssige Ausgangsmaterial nach dem Auskondensieren bzw. Abtrennen aus dem Gasstrom allerdings auch in einen hochtemperaturstabilen Sammelbehälter überführt werden, in dem es zwischengespeichert werden kann. Auch aus diesem kann die Schmelze aus dem Halbleiterwerkstoff gespeist werden.
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Wie bereits eingangs erwähnt, liegt ein großer Vorteil der FZ-Technik darin, dass zum Beispiel flüssiges Silizium beim Auskristallisieren nicht mit den Wänden eines Tiegels in Kontakt kommt, wie dies zum Beispiel beim Czochralski-Verfahren der Fall ist. Selbst wenn die Tiegelwände aus sehr hochtemperaturstabilen Material wie z. B. Quarz gefertigt werden, können aus den Reaktorwänden Fremdelemente wie Sauerstoff in das flüssige Silizium diffundieren und dessen Eigenschaften beeinflussen, zumindest wenn der Kontakt zum flüssigen Silizium über einen längeren Zeitraum besteht. Grundsätzlich wäre ein Eindiffundieren von Fremdatomen in flüssige Halbleitermaterialien wie flüssiges Silizium natürlich auch ausgehend von Wänden des erwähnten Reaktorbehälters bzw. des erwähnten Sammelbehälters möglich. Es wäre entsprechend wünschenswert, wenn das flüssige Halbleitermaterial auch mit diesen Wänden nicht oder zumindest nicht über längere Zeit unmittelbar in Kontakt treten würde.
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In bevorzugten Ausführungsformen sind der Reaktorbehälter und/oder der Sammelbehälter deshalb innenseitig mit einer festen Schicht (wird auch als „skull” bezeichnet) aus dem erstarrten Halbleiterwerkstoff überzogen. Dies gilt insbesondere für die Bereiche der Innenwände, die mit dem flüssigem Halbleitermaterial unmittelbar in Kontakt treten können, also beispielsweise für die Bodenbereiche der Behälter, in denen sich gegebenenfalls z. B. auskondensiertes flüssiges Silizium sammelt. Die feste Schicht aus dem erstarrten Halbleiterwerkstoff schirmt die Behälterwände von flüssigem Halbleitermaterial ab (bzw. umgekehrt), ein permanentes Eindiffundieren von Verunreinigungen in das flüssige Halbleitermaterial wird dadurch verhindert.
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Die Dicke der Schicht aus dem erstarrtem Halbleiterwerkstoff wird bevorzugt mittels eines Sensors überwacht. Dies kann sehr wichtig sein, da die Schicht idealerweise eine gewisse Mindestdicke aufweisen, gleichzeitig aber nicht unkontrolliert wachsen sollte. Es ist entsprechend erforderlich, innerhalb der Behälter ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, insbesondere im Bereich der Behälterwände. Hierzu können, insbesondere innerhalb der Wände, Heiz- und/oder Kühlmittel vorgesehen sein, die idealerweise über eine Steuerung mit dem erwähnten Sensor gekoppelt sind, um eventuellen Schwankungen der Dicke durch entsprechende Maßnahmen entgegenwirken zu können. Als Sensor eignen sich insbesondere Ultraschallsensoren. Auch die Durchführung von Leitfähigkeitsmessungen ist denkbar.
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In bevorzugten Ausführungsformen weisen der Reaktorbehälter und/oder der Sammelbehälter einen Bodenbereich auf, der zumindest teilweise aus dem herzustellenden Halbleiterwerkstoff, insbesondere aus hochreinem Silizium, besteht. Insbesondere ist es auch möglich, dass der Reaktorbehälter und/oder der Sammelbehälter im Bodenbereich einen Auslass für flüssiges Halbleitermaterial aufweisen, der durch einen Pfropf aus dem erstarrten Halbleitermaterial blockiert ist. In bevorzugten Ausführungsformen wird zum Einspeisen des flüssigen Halbleitermaterials in die Schmelze der zumindest teilweise aus dem herzustellenden Halbleiterwerkstoff bestehende Bodenbereich, insbesondere der „Pfropf” aus dem erstarrten Halbleitermaterial, der den erwähnten Auslass blockiert, kontrolliert aufgeschmolzen. Auf diese Weise ist es möglich, die Menge an flüssigem Halbleiterwerkstoff, die in die Schmelze eingespeist wird, zu kontrollieren.
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Um die Schmelze selbst stabil zu halten, ist es erforderlich, der Schmelze nicht zu viel flüssigen Halbleiterwerkstoff zuzuführen. Deshalb ist eine Kontrolle der Menge des in die Schmelze eingespeisten Halbleiterwerkstoffs sehr wichtig. Der hydrostatische Druck in der Schmelze ist nämlich direkt proportional zu ihrer Höhe. Diese sollte also stets in einem gewissen, recht eng gesteckten Bereich gehalten werden. Das Volumen der Schmelze sollte deshalb im Wesentlichen konstant bleibt. Es sollte nicht mehr flüssiger Halbleiterwerkstoff zugeführt werden, als gleichzeitig am unteren Ende der Schmelze erstarrt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die in die Schmelze eingespeiste Menge an flüssigem Halbleiterwerkstoff natürlich auch gesteuert werden, indem die Menge der Partikel aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder der Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs, die in den erwähnten hocherhitzten Gasstrom eingespeist werden, entsprechend dosiert wird. Die Menge z. B. an der Vorläuferverbindung, die in den Gasstrom eingespeist wird, kann sehr fein dosiert werden. Es ist so möglich, kontinuierlich genau definierbare Mengen an flüssigem Halbleiterwerkstoff zu erzeugen. Für die Beibehaltung der Schmelzzonenstabilität kann diese Vorgehensweise von großem Vorteil sein und auch eine aufwendige Kontrolle des Ablaufs des flüssigen Halbleiterwerkstoffs aus dem Reaktorbehälter ist so nicht zwingend erforderlich.
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Das Aufschmelzen des mindestens teilweise aus hochreinem Halbleiterwerkstoff bestehenden Bodenbereichs wird bevorzugt mittels Heiz- und/oder Kühlmitteln, die im Bodenbereich des Reaktorbehälters angeordnet oder diesem zumindest zugeordnet sind, kontrolliert. Dabei umfassen die Heiz- und/oder Kühlmittel bevorzugt mindestens eine Induktionsheizung, mit der der Bodenbereich des Reaktorbehälters und/oder des Sammelbehälters erwärmt werden kann. Die Kühlmittel sind in bevorzugten Ausführungsformen in den Bodenbereich des Reaktorbehälters und/oder des Sammelbehälters integriert, insbesondere um den erwähnten Auslass für flüssiges Halbleitermaterial herum angeordnet.
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Weiterhin können die Heiz- und/oder Kühlmittel in besonders bevorzugten Ausführungsformen auch mindestens einen fokussierbaren Licht- und/oder Materiestrahl umfassen, insbesondere zusätzlich, gegebenenfalls aber auch alternativ zu der erwähnten mindestens einen Induktionsheizung. Bei einem solchen fokussierbaren Licht- und/oder Materiestrahl kann es sich insbesondere um einen Laser oder um einen Elektronenstrahl handeln. Mittels diesem können – lokal begrenzt – z. B. aus dem herzustellenden Halbleiterwerkstoff bestehende Teilbereiche des Bodenbereichs des Reaktorbehälters und/oder des Sammelbehälters oder der blockierende Pfropf aus erstarrtem Halbleitermaterial gezielt verflüssigt werden, so dass ein Auslass geöffnet wird, über den flüssiger Halbleiterwerkstoff austreten kann. Durch Variation der Intensität und Fokussierung des Licht- und/oder Materiestrahl lässt sich die Größe des verflüssigten Bereichs beeinflussen. Ein unkontrollierter Austritt von flüssigem Silizium kann so vermieden werden.
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Auch die Heizzone, in der die Schmelze aus dem Halbleiterwerkstoff angeordnet ist, umfasst bevorzugt mindestens ein Heizmittel, bei dem es sich insbesondere um eine Induktionsheizung und/oder einen fokussierbaren Licht- und/oder Materiestrahl handeln kann. In bevorzugten Ausführungsformen kann ein und dasselbe Heizmittel, insbesondere ein und dieselbe Induktionsheizung, sowohl zum Aufrechterhalten der Schmelze in der Heizzone als auch zum Erwärmen des Bodenbereichs des Reaktorbehälters und/oder des Sammelbehälters dienen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich in allen Anlagen durchführen, die eine Quelle für einen als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoff, ein Heizmittel zum Herstellen und/oder Aufrechterhalten einer in einem Heizbereich angeordneten frei schwebenden Schmelze aus dem Halbleiterwerkstoff, Mittel zum Absenken der Schmelze aus dem Heizbereich und/oder Mittel zum Anheben des Heizbereichs sowie bevorzugt auch Mittel zum kontrollierten Einspeisen des als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoffs in die Schmelze umfasst. Auch eine solche Anlage ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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Bei der Quelle für den als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoff handelt es sich bevorzugt um den oben erwähnten Reaktorbehälter und/oder den oben erwähnten Sammelbehälter für flüssiges Silizium. Diese umfassen in der Regel einen hitzebeständigen Innenraum. Damit dieser (insbesondere im Falle des Reaktorbehälters) durch den oben beschriebenen hocherhitzten Gasstrom nicht zerstört wird, ist er in der Regel mit entsprechenden hochtemperaturstabilen Materialien ausgekleidet. Geeignet sind beispielsweise Auskleidungen auf Basis von Graphit oder Siliziumnitrid. Dem Fachmann sind geeignete hochtemperaturbeständige Materialien bekannt.
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Innerhalb des Reaktorbehälters spielt insbesondere die Frage des Übergangs von gegebenenfalls gebildeten Dämpfen wie Siliziumdämpfen in die flüssige Phase eine große Rolle. Dafür ist natürlich die Temperatur der Reaktorinnenwände ein wichtiger Faktor. Sie liegt bevorzugt im Bereich des Schmelzpunkts von Silizium, auf jeden Fall aber unterhalb des Siedepunkts von Silizium. Bevorzugt wird die Temperatur der Wände auf einem relativ niedrigen Niveau gehalten, insbesondere knapp unterhalb dem Schmelzpunkt von Silizium. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich auf der Innenseite des Reaktorbehälters, wie oben beschrieben, eine Schicht aus erstarrtem Halbleitermaterial, insbesondere aus erstarrtem Silizium, ausbilden soll. Zur Einstellung der dafür erforderlichen Temperaturen kann der Reaktorbehälter geeignete Isolier-, Heiz- und/oder Kühlmittel aufweisen.
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Flüssiger Halbleiterwerkstoff sollte sich am Reaktorboden sammeln können. Der Boden des Reaktorinnenraumes kann dazu konisch ausgebildet sein mit einem Ablauf am tiefsten Punkt, um das Abführen des flüssigen Halbleiterwerkstoffs zu erleichtern. Der Reaktorbehälter weist zum kontrollierten Abführen des flüssigen Halbleiterwerkstoffs beispielsweise den bereits beschriebenen zumindest teilweise aus dem herzustellenden Halbleiterwerkstoff bestehenden Bodenbereich auf, insbesondere den Auslass für flüssiges Halbleitermaterial, der durch einen Pfropf aus dem erstarrten Halbleitermaterial blockiert ist. Diesem Auslass bzw. dem Bodenbereich kann ein zusätzliches Blockiermittel zugeordnet sein, mit dem ein unkontrolliertes Abfließen von flüssigem Halbleitermaterial aus dem Reaktor unterbunden werden kann. Dieses Blockiermittel besteht bevorzugt aus einem Material, das sich durch Hochfrequenzinduktion nicht oder zumindest weniger gut erwärmen lässt als Silizium. Bevorzugt sind insbesondere Materialien, die einen höheren Schmelzpunkt als Silizium aufweisen. Das Blockiermittel kann beispielsweise als Platte oder als Schieber ausgebildet sein, mit der sich z. B. der Auslass für das flüssige Halbleitermaterial verschließen lässt.
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Weiterhin muss natürlich auch das in den Reaktorbehälter eingeleitete bzw. das dort durch Zersetzung gegebenenfalls gebildete Gas wieder abgeführt werden. Neben einer Zuleitung für den Gasstrom ist dafür in der Regel eine entsprechende Gasableitung vorgesehen.
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Der Gasstrom wird bevorzugt bei relativ hohen Geschwindigkeiten in den Reaktorbehälter eingeleitet, um eine gute Verwirbelung innerhalb des Reaktorbehälters zu gewährleisten. Im Reaktorbehälter herrscht bevorzugt ein Druck leicht oberhalb Normaldruck, insbesondere zwischen 1013 und 2000 Millibar (mbar).
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Mindestens ein Abschnitt des Reaktorinnenraumes ist in bevorzugten Ausführungsformen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Die Einleitung des Gasstroms kann über einen in den Innenraum mündenden Kanal erfolgen. Die Mündung dieses Kanals ist besonders im oberen Bereich des Innenraumes angeordnet, bevorzugt am oberen Ende des im Wesentlichen zylindrischen Abschnitts.
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Bei den Mitteln zum kontrollierten Einspeisen des als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoffs in die Schmelze handelt es sich bevorzugt um Rinnen und/oder Rohre. Mit diesen kann der flüssige Halbleiterwerkstoff aus dem Reaktorbehälter in den Heizbereich überführt werden, gegebenenfalls auf dem Umweg über einen Sammelbehälter. Gefertigt werden können die Rinnen und/oder Rohre beispielsweise aus Quartz, aus Graphit oder aus Siliziumnitrid. Gegebenenfalls können diesen Mitteln Heizeinrichtungen zugeordnet sein, um einem Erstarren des flüssigem Halbleiterwerkstoffs beim Transport vorzubeugen. In bevorzugten Ausführungsformen können die Mittel in den Bereichen, die mit dem flüssigen Halbleiterwerkstoff in Kontakt treten, auch mit einer festen Schicht aus dem erstarrten Halbleiterwerkstoff überzogen sein, wie dies auch bei dem oben beschriebenen Reaktorbehälter der Fall ist. Auch hierfür kann die erfindungsgemäße Anlage geeignete Heiz- und/oder Kühlmittel umfassen.
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Weiterhin können die Mittel zum kontrollierten Einspeisen des als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoffs in die Schmelze auch die oben bereits beschriebenen Heiz- und/oder Kühlmittel umfassen, mit denen das Aufschmelzen des mindestens teilweise aus hochreinem Halbleiterwerkstoff bestehenden Bodenbereichs kontrolliert wird. Insbesondere können sie in Kombination eine Induktionsheizung umfassen, die zum Aufrechterhalten der frei schwebenden Schmelze dient sowie zum Erwärmen des Bodenbereichs des Reaktorbehälters und gleichzeitig mindestens einen fokussierbaren Licht- und/oder Materiestrahl, mit dessen Hilfe – lokal begrenzt – aus dem Halbleiterwerkstoff bestehende Teilbereiche des Bodenbereichs des Reaktorbehälters und/oder des Sammelbehälters gezielt verflüssigt werden können.
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Wie oben bereits erwähnt, kann in dem Reaktorbehälter flüssiger Halbleiterwerkstoff nach Bedarf erzeugt werden, indem die Menge an Partikeln aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder an der Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs, die in den hocherhitzten Gasstrom eingespeist wird, entsprechend variiert wird. Insbesondere in diesem Fall kann die Kopplung der Überführungsmittel an den Reaktorbehälter, in dem der flüssige Halbleiterwerkstoff aus dem Gasstrom auskondensiert und/oder abgetrennt wird, beispielsweise über eine siphonartige Rohrverbindung erfolgen. Der entstehende flüssige Halbleiterwerkstoff sammelt sich im Reaktorbehälter und erzeugt einen entsprechenden hydrostatischen Druck. Über die siphonartige Rohrverbindung kann, bedingt durch diesen Druck, flüssiger Halbleiterwerkstoff kontrolliert aus dem Reaktorbehälter abgeführt bzw. der Schmelze, in der dann der Übergang des flüssigen Halbleiterwerkstoffs in den festen Zustand unter Ausbildung von monokristallinen Kristallstrukturen erfolgt, zugeführt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber klassischen Techniken zur Gewinnung von monokristallinen Halbleiterwerkstoffen klare Vorteile. Aus energetischer Sicht ist es sehr vorteilhaft, flüssig anfallende Halbleiterwerkstoffe unmittelbar in eine monokristalline Form zu überführen, ohne den Umweg über polykristallines Halbleitermaterial. Weiterhin passiert das Halbleitermaterial, bedingt durch den stark verkürzten Verfahrensablauf, nur noch sehr wenige potentielle Verunreinigungsquellen. Es lässt sich somit Halbleitermaterial in sehr hoher Reinheit herstellen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines monokristallinen Halbleiterwerkstoffes in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination mit einander verwirklicht sein. Die beschriebene bevorzugte Ausführungsform dient lediglich zur Erläuterung um zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
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1 zeigt die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage 100, die zur Herstellung eines monokristallinen Halbleiterwerkstoffes dient.
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Als Quelle für einen als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoff weist die Anlage den Reaktorbehälter 101 auf. Der im Schnitt dargestellte Reaktorbehälter umfasst einen zylindrischen Abschnitt, der seitlich durch die Reaktorinnenwand 102 begrenzt ist. Der Teil des Reaktors oberhalb des zylindrischen Abschnitts ist nicht dargestellt, er umfasst u. a. einen Einlass für ein siliziumhaltiges Plasma sowie einen Auslass für aus dem Reaktor abzuführende Gase. Das Plasma wird in einer dem Reaktorbehälter 101 vorgeschalteten Vorrichtung aus einem Trägergas erzeugt und mit Partikeln aus dem Halbleiterwerkstoff und/oder einer Vorläuferverbindung des Halbleiterwerkstoffs versetzt. Unterhalb des zylindrischen Abschnitts verjüngt sich der Reaktorinnenraum bis hin zum Auslass 103, über den flüssiger Halbleiterwerkstoff 104 aus dem Reaktorbehälter 101 austreten kann. Die Ausgestaltung dieses Teils des Reaktorinnenraumes ist insbesondere durch die L-förmigen gekühlten Wand-/Bodenelemente 105 bedingt, die sich an die Unterseite der Reaktorinnenwand 102 anschließen. Diese werden auf einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des im Reaktorbehälter 101 enthaltenen Halbleiterwerkstoffs gehalten. Dieser bildet entsprechend eine erstarrte Deckschicht 106 aus, die sich gegebenenfalls auch über den Auslass 103 erstrecken und den Auslass somit blockieren kann. Der Reaktorbehälter 101 weist somit einen Bodenbereich auf, der zumindest teilweise aus dem herzustellenden Halbleiterwerkstoff besteht. Um die Reaktorinnenwand 102 und L-förmigen gekühlten Wand-/Bodenelemente 105 herum ist die Reaktoraußenwand 107 angeordnet. Diese kann Heiz-, Isolier- und und/oder Kühlmittel umfassen.
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Unterhalb des Reaktorbehälters 101 ist die Heizzone 108 angeordnet, in der sich eine Schmelze 109 aus dem Halbleiterwerkstoff befindet. Die Heizzone 108 umfasst als Heizmittel die Induktionsheizung 110, die ringförmig um die Schmelze 109 herum angeordnet ist. Für letztere dient der Impfling 111 als Unterlage. Dieser kann über geeignete Mittel samt der Schmelze 109 aus der Heizzone 108 abgesenkt werden, so dass sich am unteren Ende der Schmelze 109 eine Erstarrungsfront ausbildet, entlang derer der Halbleiterwerkstoff in der monokristallinen Struktur des Endkonus 111 kristallisiert.
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Die Induktionsheizung 110 dient insbesondere zum Aufrechterhalten der Schmelze 109 in der Heizzone 108. Weiterhin erwärmt sie aber auch den Bodenbereich des Reaktorbehälters 101. Durch Zuschalten des Lasers 112, der als Mittel zum kontrollierten Einspeisen des als Ausgangsmaterial dienenden flüssigen Halbleiterwerkstoffs in die Schmelze 109 derart angeordnet ist, dass er auf den Auslass 103 fokussiert werden kann, lässt sich den Auslass 103 gegebenenfalls blockierender Halbleiterwerkstoff aufschmelzen, so dass die Schmelze 109 kontrolliert mit flüssigem Halbleiterwerkstoff gespeist werden kann.
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Um ein unkontrolliertes Auslaufen des Reaktorbehälters 101 zu verhindern, umfasst die erfindungsgemäße Anlage 100 als Sicherung das Blockiermittel 113, bei dem es sich um einen Schieber handelt, mit dem der Auslass 103 verschlossen werden kann. Der Schieber besteht bevorzugt aus einem Material, welches sich durch Hochfrequenzinduktion nicht oder kaum erwärmen lässt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/121558 [0003, 0008]
- EP 1595006 B1 [0006, 0011, 0013]
- EP 2009/008457 [0015]
- DE 102010011853 [0015]
