DE112011100856B4 - Verfahren und Einheit zur Herstellung eines monokristallinen Blatts - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Blatts (11) eines Halbleitermaterials, wobei das Halbleitermaterial ein elementares Halbleitermaterial ist, welches das Folgende umfasst: Bereitstellen von mindestens zwei Öffnungselementen (1, 2), welche zwischen sich eine Lücke (3) bilden; Bereitstellen einer geschmolzenen Legierung (4), welche das Halbleitermaterial umfasst, in der Lücke (3) zwischen den mindestens zwei Öffnungselementen (1, 2); Bereitstellen eines gasförmigen Vorstufenmediums (5), welches das Halbleitermaterial liefert, in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung (4); Bereitstellen eines Keimkristalls (6) des Halbleitermaterials in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung (4); In-Kontakt-Bringen des Keimkristalls (6) mit der geschmolzenen Legierung (4); Anordnen der Öffnungselemente (1, 2) und der geschmolzenen Legierung (4) derart, dass die geschmolzene Legierung (4) durch die Oberflächenspannung zwischen den Öffnungselementen (1, 2) gehalten wird; allmähliches Zurückziehen des Keimkristalls (6) aus der geschmolzenen Legierung (4), wobei das Halbleitermaterial aus dem gasförmigen Vorstufenmedium (5), welches das Halbleitermaterial umfasst, in die geschmolzene Legierung (4) freigesetzt wird, wodurch die geschmolzene Legierung (4) mit dem Halbleitermaterial übersättigt wird.

Description

  • Diese Offenbarung betrifft Verfahren und Einheiten zur Herstellung monokristalliner Blätter, insbesondere monokristalliner Siliciumblätter.
  • Die meisten Halbleitereinheiten, z. B. integrierte Schaltungen oder Mikrochips, basieren auf Silicium. Außerdem kann Silicium in Photovoltaikanwendungen verwendet werden und bildet die Grundlage für die Mehrzahl der verwendeten Solarzellen. Für Solarzellenanwendungen finden dünne Siliciumsubstrate breite Verwendung.
  • Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad einer Solarzelle auf Siliciumbasis von der Kristallinität des Siliciums abhängt, das als Substrat verwendet wird. Zum Beispiel weisen Solarzellen, bei denen amorphes Silicium verwendet wird, Wirkungsgrade von weniger als 10% auf. Effizientere Solarzellen, bei denen multikristallines Silicium verwendet wird, weisen Wirkungsgrade von ungefähr 15% auf. Der Wirkungsgrad von Solarzellen wird normalerweise über die von einer Solarzelle erzeugte elektrische Energie im Verhältnis zu der einfallenden Sonnenenergie gemessen. Die höchsten Wirkungsgrade für Solarzellen können mit monokristallinen Siliciumsubstraten erreicht werden. Auch andere Halbleitermaterialien, vorzugsweise in ihrer monokristallinen Form, werden in Photovoltaikanwendungen verwendet. In kommerziellen Anwendungen werden jedoch vorherrschend Siliciumsubstrate verwendet.
  • Die US 2004/0031437 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von monokristallinen GaN Substraten und ein auf dem monokristallinen GaN Substrat gebildetes Halbleitergerät.
  • Die US 2007/0175383 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von monokristallinen GaN aus einer geschmolzenen Legierung auf einem Keimkristall.
  • Gemäß einer Ausführungsform einer Erscheinungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Blatts eines Halbleitermaterials bereitgestellt, wobei das Halbleitermaterial ein elementares Halbleitermaterial ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Bereitstellen von mindestens zwei Öffnungselementen, welche zwischen sich eine Lücke bilden,
    Bereitstellen einer geschmolzenen Legierung, welche das Halbleitermaterial in der Lücke zwischen den mindestens zwei Öffnungselementen umfasst,
    Bereitstellen eines gasförmigen Vorstufenmediums, welches das Halbleitermaterial umfasst, in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung,
    Bereitstellen eines Keimkristalls des Halbleitermaterials in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung,
    In-Kontakt-Bringen des Keimkristalls mit der geschmolzenen Legierung,
    Anordnen der Öffnungselemente und der geschmolzenen Legierung derart, dass die geschmolzene Legierung durch die Oberflächenspannung zwischen den Öffnungselementen gehalten wird, und
    allmähliches Zurückziehen des Keimkristalls aus der geschmolzenen Legierung, wobei das Halbleitermaterial aus dem gasförmigen Vorstufenmedium, welches das Halbleitermaterial umfasst, in die geschmolzene Legierung freigesetzt wird, wodurch die geschmolzene Legierung mit dem Halbleitermaterial übersättigt wird.
  • Das Halbleitermaterial kann zum Beispiel aus Silicium oder Germanium sein. Das Vorstufenmedium kann Chloride, Hydride oder metallorganische Verbindungen des Siliciums (Si), Germaniums (Ge), Iridiums (In), Arsens (As), Phosphors (P) oder Galliums (Ga) umfassen, die als Gas verwendet werden.
  • Durch die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens kann ein monokristallines Halbleiterblatt erhalten werden, ohne dass es erforderlich ist, einen Block eines Einkristalls des Halbleitermaterials in dünne Blätter zu schneiden. Ferner kann das Blatt die Form eines Rechtecks aufweisen, weil das monokristalline Siliciumblatt zusammen mit einem Keimkristall wächst. Diese Geometrie kann besonders geeignet sein, wenn sie als Substrat für Solarzellen verwendet wird.
  • Das Verfahren kann auch den Schritt des Erwärmens der Öffnungselemente umfassen.
  • Zum Beispiel kann durch Verwendung eines gasförmigen Vorstufenmediums, das Silicium umfasst, das Silicium in dem Vorstufenmedium oder Vorstufengas in die geschmolzene Legierung eindringen, was zu einer Übersättigung führt. Anschließend kann am Rand des Keimkristalls, der den Bereich der geschmolzenen Legierung berührt, monokristallines Silicium anwachsen. Demzufolge kann in bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens Silicium aus dem gasförmigen Vorstufenmedium, das Silicium umfasst, in die geschmolzene Legierung freigesetzt werden, wodurch die geschmolzene Legierung mit dem Silicium übersättigt wird. Silicium kann hier für ein beliebiges Halbleitermaterial stehen, welches in dem Vorstufenmedium oder dem Keimkristall und dem Halbleitermaterial des herzustellenden monokristallinen dünnen Blatts enthalten ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird das Verfahren in einer schützenden Atmosphäre ausgeführt, welche ein inertes Gas umfassen kann. Während des Verfahrens kann auch eine Vakuumkammer benutzt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform einer Erscheinungsform der Erfindung wird eine Einheit zur Herstellung eines monokristallinen Halbleiterblatts bereitgestellt. Die Einheit kann mindestens zwei Öffnungselemente in einem vorgegebenen Abstand voneinander umfassen, wodurch eine Lücke gebildet wird, und welche dafür geeignet sind, erwärmt zu werden, um eine geschmolzene Legierung, die ein Halbleitermaterial umfasst, durch die Oberflächenspannung in der Lücke zwischen den Öffnungselementen zu halten. Die Einheit umfasst ferner ein Mittel zum Liefern oder Herstellen eines gasförmigen Vorstufenmediums, welches das Halbleitermaterial in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung umfasst, und ein Positioniermittel zum Halten und Bewegen eines Keimkristalls in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung.
  • In Ausführungsformen der Erscheinungsformen der Erfindung kann es sich bei der geschmolzenen Legierung um ein eutektisches Material handeln, welches z. B. mindestens ein Metall, zum Beispiel Gold oder Aluminium, und das Halbleitermaterial umfasst.
  • Das gasförmige Vorstufenmedium kann mindestens eines aus der Gruppe von Chloriden, Hydriden und metallorganischen Verbindungen aus zumindest Silicium, Germanium, Indium, Arsen, Phosphor, Stickstoff oder Gallium umfassen.
  • Für Silicium werden die Öffnungselemente vorzugsweise auf eine Temperatur von 350°C bis 1000°C erwärmt. Vorzugsweise wird das Verfahren oder werden die Verfahrensschritte in einem Temperaturbereich von 350°C bis 500°C durchgeführt.
  • In Ausführungsformen der Erscheinungsformen der Erfindung kann es sich bei der Lücke zwischen den mindestens zwei Öffnungselementen um einen länglichen Spalt handeln.
  • Die beiden Öffnungselemente können Abschnitte aufweisen, die V-förmig oder gekerbt sind. Dann können die beiden gegenüber angeordneten Abschnitte zwischen sich die Lücke erzeugen.
  • Die Öffnungselemente können außerdem eine Siliciumaxid(SiO2)-Beschichtung oder eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen. Bei der Beschichtung kann es sich insbesondere um eine dielektrische Beschichtung handeln, die ein Metalloxid umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Öffnungselemente aus Silicium gebildet werden.
  • In einer Ausführungsform beträgt der vorgegebene Abstand zwischen den Öffnungselementen vorzugsweise weniger als 200 Mikrometer.
  • In einer Variation des Verfahrens wird der Schritt des Bereitstellens eines Dotiergases durchgeführt, welches mindestens eines aus der Gruppe aus Silicium (Si), Phosphor (P), Bor (B), Schwefel (S), Arsen (As) und anderen Dotierelementen umfasst, die für den Zielhalbleiter geeignet sind, wie es auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist.
  • In noch einer anderen Ausführungsform des Verfahrens oder der Einheit wird der Schritt des Bereitstellens eines Ätzgases, welches mindestens eines aus der Gruppe aus Chlor (Cl), Fluor (F), Brom (Br) oder Molekülen umfasst, die Chlor (Cl), Fluor (F) oder Brom (Br) umfassen, als Reinigungsmittel für die Öffnungselemente durchgeführt. Ferner kann der Schritt des Bereitstellens eines Ätzgases zum Glätten oder Passivieren der Oberfläche des resultierenden Halbleiters angewendet werden.
  • Geometrisch kann das gasförmige Vorstufenmedium, welches Silicium umfasst, in Bezug auf die geschmolzene Legierung auf einer ersten Seite der Öffnungselemente bereitgestellt werden, und der Silicium-Keimkristall kann in Bezug auf die geschmolzene Legierung auf einer zweiten Seite der Öffnungselemente bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das Vorstufengas oder das gasförmige Vorstufenmedium über den horizontal angeordneten Öffnungselementen angeordnet werden, und der Silicium-Keimkristall kann unter den Öffnungselementen angeordnet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird vor dem In-Kontakt-Bringen eines Silicium-Keimkristalls mit der geschmolzenen Legierung der Schritt des Schneidens des Silicium-Keimkristalls entlang der <111>-Wachstumsrichtung durchgeführt. Dies kann das exakte Anwachsen ohne jeden Defekt in dem monokristallinen Siliciumblatt erleichtern.
  • Das angewachsene monokristalline Siliciumblatt, welches zum Beispiel eine rechteckige Form aufweist, kann für die weitere Verarbeitung auf eine Rolle gewickelt werden.
  • Zum Beispiel kann das Siliciumblatt durch Schritte des Maskierens, Dotierens oder Metallisierens oder durch Oberflächenstrukturierung weiter verarbeitet werden oder auf einer transparenten Trägerschicht angeordnet werden und mit elektrischen Kontakten versehen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform einer anderen Erscheinungsform der Erfindung wird eine Solarzellenanordnung bereitgestellt, welche ein monokristallines Blatt umfasst, das über das offenbarte Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Blatts hergestellt wird, wobei das monokristalline Blatt so dotiert ist, dass es einen p-n-Übergang aufweist.
  • Die Solarzellenanordnung kann auf einem dünnen monokristallinen Siliciumblatt oder anderen Siliciummaterialien basieren, die auf die oben dargestellte Weise hergestellt werden.
  • Das Siliciumblatt kann ohne ein Substrat gezüchtet oder hergestellt werden, oder ohne eine Siliciumschicht von einem Substrat zu entfernen oder zu schneiden. Stattdessen kann das Blatt oder die Folie direkt ohne Zwischenschichten oder Substrate gezüchtet und hergestellt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform einer weiteren Erscheinungsform wird eine Anzeigeeinheit vorgeschlagen, wobei die Anzeigeeinheit ein monokristallines Blatt umfasst, welches über das offenbarte Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Blatts hergestellt wird, wobei das monokristalline Blatt so dotiert ist, dass es einen p-n-Übergang aufweist.
  • Insbesondere kann das kristalline Si-Blatt für Anzeigeeinheiten verwendet werden, insbesondere für große Anzeigeeinheiten, welche durch kristalline Si-Transistoren angesteuert werden. Insbesondere können amorphe Si-Transistoren mit geringerer Leistungsfähigkeit verwendet werden, z. B. für organische Licht emittierende Anzeigeeinheiten.
  • Bestimmte Ausführungsformen oder Erscheinungsformen der Einheit und des Verfahrens können einzelne oder kombinierte Merkmale, Verfahrensschritte oder Erscheinungsformen umfassen, wie sie vorstehend oder nachstehend in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind.
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen eines Verfahrens und einer Einheit zur Herstellung von monokristallinen Blättern und Solarzellenanordnungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
  • 1 zeigt ein blockförmiges Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines monokristallinen Siliciumblatts;
  • 2 bis 7 zeigen Darstellungen von Verfahrensschritten und Anordnungen der Einheit zur Realisierung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines monokristallinen Siliciumblatts;
  • 8 zeigt eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform einer Einheit zur Herstellung eines monokristallinen Siliciumblatts;
  • 9 zeigt eine schematische Zeichnung eines monokristallinen Siliciumblatts und
  • 10 zeigt eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform einer Solarzelle auf der Basis eines monokristallinen Siliciumblatts.
  • Gleichen oder funktionell gleichen Elementen in den Zeichnungen sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet, sofern nicht anders angezeigt.
  • Wie es hierin verwendet wird, kann sich „In-Kontakt-Bringen” auf den Vorgang des Berührens, der Herstellung eines Kontakts oder unmittelbarer Nachbarschaft, insbesondere zwischen dem Keimkristall und der geschmolzenen Legierung, beziehen. Das In-Kontakt-Bringen umfasst die Relativbewegung der Elemente aufeinander zu, um in Kontakt gebracht zu werden.
  • Wie es hierin verwendet wird, kann sich „geschmolzen” auf eine Substanz beziehen, die geschmolzen wird, wobei es sich bei dem Schmelzen um das Verfahren des Erwärmens einer festen Substanz auf den Schmelzpunkt handelt, wo sie in eine Flüssigkeit umgewandelt wird. Eine geschmolzene Legierung kann deshalb bedeuten, dass eine geeignete Temperatur zum Erzeugen der flüssigen Phase der Legierung gewählt und angewendet wird.
  • Eine „Legierung” kann sich auf ein homogenes Gemisch von zwei oder mehr Elementen beziehen, wobei es sich bei mindestens einem von diesen um ein Metall handelt. Zum Beispiel kann gemäß einer Erscheinungsform eines Verfahrens oder einer Einheit zur Herstellung eines monokristallinen Siliciumblatts eine Gold-Silicium-Legierung verwendet werden.
  • Der Begriff „eutektisch” bedeutet, dass die Legierung, die eine Kombination von Materialien umfasst, bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur einer ihrer Komponenten schmilzt. Eine eutektische Gold-Silicium-Legierung kann um etwa 700°C niedriger als eine ihrer Komponenten schmelzen, nämlich bei etwa 360°C.
  • Wie sie hierin verwendet wird, kann die „Lücke” auch als Öffnung, Schlitz, Graben oder Luftloch bezeichnet werden. Bei der Lücke kann es sich um einen Raum zwischen zwei Öffnungselementen handeln, wobei eine Breite der Öffnung geringer als die Länge der Öffnung ist. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite mindestens zwei, wobei die Breite einem Abstand zwischen den Öffnungselementen entspricht. Die Lücke kann als Spalt realisiert sein.
  • Der Begriff „monokristallines Siliciumblatt” entspricht monokristallinem Silicium ohne ein tragendes Substrat. Das Blatt kann auch als Siliciumdünnschicht, Schicht, Membran oder Folie bezeichnet werden.
  • Der Begriff „monokristallin” kann sich auf ein festes Material beziehen, wobei das Kristallgitter des gesamten Blatts bis zu den Rändern des Blatts durchgängig und ununterbrochen ist. Das hergestellte monokristalline Blatt steht im Gegensatz zu amorphen Materialien, wo es keine Fernordnung der Positionen der Atome des Materials gibt. Typische amorphe Phasen werden durch Abscheiden einer Schicht des Materials auf einem Substrat hergestellt. Monokristalline Materialien können Vorteile gegenüber polykristallinen Materialien aufweisen, die aus vielen Kristalliten oder Körnern variierender Größe und Orientierung zusammengesetzt sind. Solarzellen auf der Basis amorpher Siliciumsubstrate (aSi) können Wirkungsgrade in Form von erzeugter Elektrizität je Sonnenenergieeinheit von weniger als 10% aufweisen, solche auf der Basis von multi- oder polykristallinem Silicium (mc- oder poly-Si) weisen einen Wirkungsgrad von ungefähr 15% auf, und Solarzellen, bei denen monokristallines Silicium (c-Si) verwendet wird, können einen Wirkungsgrad von bis zu 22% aufweisen.
  • Unter Bezugnahme auf 1, welche ein blockförmiges Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines monokristallinen Siliciumblatts zeigt, und unter Bezugnahme auf 2 bis 7, welche mögliche Verfahrensschritte zeigen, werden bestimmte Erscheinungsformen eines solchen Verfahrens zur Herstellung von Siliciumblättern erläutert. Insbesondere zeigen 2 bis 7 auch schematisch Merkmale und Elemente einer Vorrichtung oder einer Einheit, die zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines monokristallinen Siliciumblatts geeignet ist.
  • In einem ersten Verfahrensschritt S1, welcher in 1 dargestellt ist, werden zwei Öffnungselemente bereitgestellt, wie sie in 2A und 2B dargestellt sind. Die Öffnungselemente 1, 2 können jeweils einen Abschnitt 1A, 2A aufweisen, welcher eine nutartige oder V-artige Form aufweist. Die zwei nutartigen Abschnitte 1A und 2A sind einander gegenüberliegend angeordnet, so dass zwischen den beiden Öffnungselementen 1, 2 eine Lücke 3 auftritt. 2A zeigt eine Querschnittsdarstellung, wobei in der Orientierung der 2A durch die zwei horizontal angeordneten Öffnungselemente 1, 2 eine obere Seite T und eine untere Seite B definiert sind.
  • 2B zeigt eine Draufsicht auf die zwei Öffnungselemente 1, 2. Die beiden Öffnungselemente sind in einem vorgegebenen Abstand D angeordnet. Die Lücke 3 weist die Form eines länglichen Spalts einer Länge I auf, wie in der Draufsicht in 2B zu sehen ist. Vorzugsweise übersteigt die Länge L den Abstand D deutlich. Zum Beispiel kann die Öffnungs- oder Lückenbreite D durch einen Abstand D definiert sein, der geringer als 200 μm ist. In bestimmten Ausführungsformen kann jedoch die Länge des Spalts oder der Lücke 3 10 cm oder mehr betragen. Der Spalt oder die Lücke 3 kann geradlinig sein, d. h. die beiden nutartigen Öffnungsabschnitte 1A, 2A sind parallel angeordnet. Die Öffnungselemente werden vorzugsweise durch Feinbearbeitung aus Silicium gefertigt und können mit Siliciumdioxid oder Kohlenstoff beschichtet sein. Es können jedoch auch andere Materialien als Schutzabdeckung erwogen werden.
  • Im nächsten Schritt S2 wird eine geschmolzene Legierung, die Silicium umfasst, in den Raum der Lücke 3 zwischen den beiden Öffnungselementen 1, 2 gegeben. 3A und 3B zeigen zum Beispiel eine geschmolzene Legierung 4, welche in die Lücke entlang der Länge der Öffnung oder Lücke passt. Die Legierung, welche zum Beispiel eine Gold-Silicium-Legierung (Au-Si) umfasst, ist eutektisch und weist eine Temperatur von ungefähr 360°C auf. Sie ist als der punktierte Bereich 4 dargestellt.
  • Im nächsten Verfahrensschritt S3 wird ein Vorstufenmedium in seiner gasförmigen Phase in die Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung 4 gebracht. Dies ist in 4 dargestellt. Das Vorstufenmedium oder Vorstufengas ist schematisch als eine Wolke 5 dargestellt. Zum Beispiel führt eine Gasversorgungseinheit der geschmolzenen Legierung 4 Siliciumchlorid SiCl4 oder Silan SiH4 oder eine andere metallorganische Verbindung aus Silicium zu. Die siliciumhaltige Vorstufe setzt Silicium in die Gold-Silicium-Legierung frei, was durch die Pfeile A veranschaulicht ist. Nach einer Weile ist die Legierung 4 übersättigt.
  • Die Temperatur der Öffnung und des Vorstufengases wird gemäß dem verwendeten Vorstufenmaterial und Legierungsmaterial gewählt. Die Temperaturen können 350°C bis 850°C betragen. Es können jedoch auch höhere Temperaturen angewendet werden, zum Beispiel, wenn Siliciumchlorid verwendet wird.
  • Als Nächstes wird im Schritt S4, wie in 5 dargestellt, ein monokristalliner Siliciumkristall, der als Keimkristall 6 verwendet wird, von unten in die Nachbarschaft der geschmolzenen übersättigten Legierung 4 gebracht. 5 zeigt den Keimkristall 6, welcher vorzugsweise entlang der <111>-Wachstumsrichtung geschnitten ist und mit seiner Spitze 7 in der Nähe der geschmolzenen Legierung mit der Silicium-Übersättigung angeordnet wird.
  • 6 zeigt eine perspektivische Darstellung der beiden länglichen Öffnungselemente, welche zwischen sich einen länglichen Spalt oder eine längliche Lücke bilden, wo sich die geschmolzene Legierung 4 befindet. Diese geschmolzene Legierung 4 kann lediglich durch die Oberflächenspannung zwischen den beiden Öffnungselementen 1, 2 gehalten werden. Unterhalb der horizontalen Anordnung des ersten Öffnungselements 1, der geschmolzenen Legierung 4 in der Lücke und des zweiten Öffnungselements 2 ist der aus Silicium hergestellte Keimkristall 6 angeordnet. Die Anordnung, wie sie in der 6 dargestellt ist, entspricht einer Ausführungsform einer Einheit oder Vorrichtung zur Herstellung monokristalliner Siliciumblätter.
  • Wenn der Keimkristall mit der übersättigten geschmolzenen Legierung in Kontakt gebracht wird (Schritt S4), was in 7 dargestellt ist, entsteht ein monokristallines Siliciumblatt. Wenn die geschmolzene Legierung, die zum Beispiel ein eutektisches Gemisch aus Gold und Silicium umfasst, durch den Einfluss des Vorstufengases 5 kontinuierlich übersättigt bleibt, kristallisiert Silicium 8 an der Spitze 7 des Keimkristalls 6, die sich in enger Nachbarschaft zu der geschmolzenen Legierung 4 befindet. Man kann den Keimkristall 6 mit dem anwachsenden monokristallinen Blatt 8 kontinuierlich zurückziehen, wie es durch den Pfeil M in 7 angezeigt ist. Die Rückziehgeschwindigkeit des Keimkristalls aus der Legierung 4 ist an die Wachstumsgeschwindigkeit des Blatts 8 angepasst. Während des Herstellungsverfahrens setzt die übersättigte Legierung kontinuierlich Silicium auf den Keimkristall frei. Die Geschwindigkeit kann so gesteuert werden, dass eine konstante Form oder Querschnittsform des geschmolzenen Legierungsmaterials 4 zwischen den Öffnungselementen 1, 2 garantiert wird. Der Schritt des Zurückziehens S5 kann durch eine Steuereinheit, z. B. einen Mikroprozessor oder einen geeignet programmierten Computer, gesteuert werden, welche die gesamte Einheit zur Herstellung der monokristallinen Siliciumschicht steuert.
  • Die Wachstums- oder Rückziehgeschwindigkeit des angewachsenen monokristallinen Siliciumblatts kann gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung von 0,1 mm bis zu 3 mm je Minute variieren. Es können jedoch auch höhere Wachstumsgeschwindigkeiten erreicht werden.
  • 8 zeigt eine andere Ausführungsform einer Einheit zur Herstellung monokristalliner Siliciumblätter, durch welche eine andere Ausführungsform des zuvor dargestellten Verfahrens realisiert wird. 8 zeigt die Herstellungseinheit 20, welche zwei Öffnungselemente aufweist, die zwischen sich eine Lücke bilden, die dafür geeignet ist, erwärmt zu werden, so dass eine geschmolzene Legierung 4 durch die Oberflächenspannung zwischen den Öffnungselementen gehalten wird. Eine Vorstufengasversorgung 15, auch als Mittel zum Zuführen eines gasförmigen Vorstufenmediums bezeichnet, stellt ein Vorstufenmedium 5 bereit, welches Silicium umfasst. Durch geeignetes Einstellen der Temperatur der geschmolzenen Legierung, wie zum Beispiel Gold und Silicium, und des Vorstufenmediums 5, wird die Legierung 4 mit Silicium übersättigt. Dies ist durch die Pfeile A angezeigt.
  • Ferner hält eine Positionier- oder Zugeinheit 16, auch als Positioniermittel bezeichnet, den Keimkristall 6 und zieht das in dem Wachstumsbereich 8 kontinuierlich wachsende monokristalline Blatt allmählich aus der geschmolzenen Legierung 4 zurück. Zum Beispiel kann das gewachsene monokristalline Siliciumblatt 11 für die weitere Verarbeitung auf eine Rolle 9 gewickelt werden.
  • Die Ausführungsform einer Einheit 20 zur Herstellung oder Produktion eines dünnen monokristallinen Siliciumblatts umfasst auch eine Steuereinheit 17, welche geeignete Steuersignale CT an die Vorstufengasversorgung 15, die erwärmten Öffnungselemente 1, 2 und die Positioniereinheit 16 erzeugt. Die gesamte Anordnung 20 kann unter Verwendung eines Inertgases, zum Beispiel Argon, von einer Schutzgasatmosphäre bedeckt sein.
  • Man kann auch erwägen, Dotiergase in das Verfahren zu integrieren, um das Halbleiterblatt während seines Anwachsens zu dotieren. Als Dotiermaterialien können zum Beispiel Silicium, Phosphor, Bor und Kohlenstoff verwendet werden. Man kann ferner erwägen, als Reinigungsmittel für die Öffnungselemente Ätzgase zuzugeben. Geeignete Ätzgase können Moleküle umfassen, welche Chlor, Fluor oder Brom enthalten. Wie zuvor erwähnt, können die Öffnungselemente 1, 2 aus Silicium hergestellt sein und mit einer Oxidschicht oder Kohlenstoff beschichtet sein.
  • Aufgrund der geometrischen Verwirklichung der parallelen Öffnungselemente, wodurch ein länglicher Spalt oder eine längliche Lücke realisiert wird, werden rechteckige Formen des Siliciumblatts erhalten, welches für die weitere Verarbeitung gewalzt werden kann. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen monokristallinen Siliciumblatts, welches durch das dargestellte Verfahren oder die dargestellte Einheit hergestellt wird.
  • Das monokristalline Silicium-Blattmaterial kann verwendet werden, um Solarzellen zu realisieren. Insbesondere können monokristalline Materialien eine höhere Leistungsfähigkeit oder höhere Wirkungsgrade in Photovoltaik-Anwendungen ermöglichen. Da die dünnen Blätter direkt hergestellt werden können, entstehen keine kleinen Materialabfälle wie beim herkömmlicher Weise erforderlichen Sägen oder Schneiden. Dies kann zu verringerten Material- und Verfahrenskosten führen. Das gesamte Verfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen ablaufen. Dies kann für ein energieeffizientes Produktionsverfahren sorgen.
  • 10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Solarzelle, welche ein dünnes monokristallines Siliciumblatt umfasst, das zum Beispiel gemäß dem Verfahren hergestellt ist, das in Bezug auf 1 bis 7 beschrieben ist. Das Siliciumblatt ist dotiert, um über seine gesamte Dicke für einen p-n-Übergang zu sorgen. Die Solarzelle 12 umfasst das dotierte Siliciumblatt 11 mit elektrischen Kontakten 13 auf der oberen Seite und weiteren Kontakten 14 auf der unteren Seite. Solche Solarzellen können in Solarzellenfeldern oder Photovoltaikmodulen verwendet werden, welche mehrere solcher Solarzellen umfassen und verwendet werden, um Elektrizität zu erzeugen.
  • Obwohl das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Einheit in Bezug auf Ausführungsformen für die Herstellung monokristalliner Siliciumblätter beschrieben wurde, können auch andere monokristalline Halbleiterblätter hergestellt werden. Zum Beispiel können statt einer Gold-Silicium-Legierung metallische Legierungen verwendet werden, die Germanium, Indium oder Gallium umfassen. Anschließend würden statt eines Vorstufenmediums auf Siliciumbasis Vorstufengase verwendet, die Germanium, Indium oder Gallium enthalten.
  • Zum Realisieren alternativer Solarzellenanordnungen kann die Siliciumfolie auf einem transparenten Träger oder Substrat angeordnet werden und mit einer Verdrahtung versehen werden. Außer in Photovoltaikanwendungen kann die monokristalline Silicium-Dünnschicht in allen anderen elektronischen Einheiten verwendet werden, wo Halbleitersubstrate eingesetzt werden, zum Beispiel in Sensoren, Systemen der Nanotechnologie, Anzeigeeinheiten und Ähnlichem.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Blatts (11) eines Halbleitermaterials, wobei das Halbleitermaterial ein elementares Halbleitermaterial ist, welches das Folgende umfasst: Bereitstellen von mindestens zwei Öffnungselementen (1, 2), welche zwischen sich eine Lücke (3) bilden; Bereitstellen einer geschmolzenen Legierung (4), welche das Halbleitermaterial umfasst, in der Lücke (3) zwischen den mindestens zwei Öffnungselementen (1, 2); Bereitstellen eines gasförmigen Vorstufenmediums (5), welches das Halbleitermaterial liefert, in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung (4); Bereitstellen eines Keimkristalls (6) des Halbleitermaterials in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung (4); In-Kontakt-Bringen des Keimkristalls (6) mit der geschmolzenen Legierung (4); Anordnen der Öffnungselemente (1, 2) und der geschmolzenen Legierung (4) derart, dass die geschmolzene Legierung (4) durch die Oberflächenspannung zwischen den Öffnungselementen (1, 2) gehalten wird; allmähliches Zurückziehen des Keimkristalls (6) aus der geschmolzenen Legierung (4), wobei das Halbleitermaterial aus dem gasförmigen Vorstufenmedium (5), welches das Halbleitermaterial umfasst, in die geschmolzene Legierung (4) freigesetzt wird, wodurch die geschmolzene Legierung (4) mit dem Halbleitermaterial übersättigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: Erwärmen der Öffnungselemente (1, 2).
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei der geschmolzenen Legierung (4) um eine eutektische Legierung handelt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das gasförmige Vorstufenmedium (5) mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: Chloride, Hydride, metallorganische Verbindungen aus zumindest Silicium, Germanium, Indium, Arsen, Phosphor, Stickstoff oder Gallium.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Öffnungselemente (1, 2) eine Temperatur von 350 bis 1.000 Grad Celsius aufweisen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welches das Bereitstellen eines Dotiergases umfasst, das mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: Silicium, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Schwefel, Bor oder Moleküle, die Silicium oder Brom umfassen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, welches das Bereitstellen eines Ätzgases umfasst, das mindestens eines aus der folgenden Gruppe umfasst: Chlor, Fluor, Brom oder Moleküle, die Chlor, Fluor oder Brom umfassen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei es sich bei der Lücke (3) zwischen den mindestens zwei Öffnungselementen um einen länglichen Spalt handelt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welches vor dem In-Kontakt-Bringen des Keimkristalls (6) das Schneiden des Keimkristalls (6) entlang der <111>-Wachstumsrichtung umfasst.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das gasförmige Vorstufenmedium (5) auf einer ersten Seite (T) der Öffnungselemente (1, 2) in Bezug auf die geschmolzene Legierung (4) bereitgestellt wird und der Keimkristall (6) auf einer zweiten Seite (B) der Öffnungselemente (1, 2) in Bezug auf die geschmolzene Legierung (4) bereitgestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend: Wickeln des monokristallinen Siliciumblatts (11) auf eine Rolle (9) für die weitere Verarbeitung.
  13. Einheit (10, 20) zur Herstellung eines monokristallinen Halbleiterblatts (11), welches durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wird und diedas Folgende umfasst: mindestens zwei Öffnungselemente (1, 2) in einem vorgegebenen Abstand (D) voneinander, wodurch eine Lücke (3) gebildet wird, und welche dafür geeignet sind, erwärmt zu werden, um eine geschmolzene Legierung (4), welche ein Halbleitermaterial umfasst, durch die Oberflächenspannung in der Lücke (3) zwischen den Öffnungselementen (1, 2) zu halten; ein Mittel (15) zum Zuführen eines gasförmigen Vorstufenmediums (5), welches das Halbleitermaterial umfasst, in die Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung (4); ein Positioniermittel (16) zum Halten und Bewegen eines Keimkristalls (6) in Nachbarschaft der geschmolzenen Legierung (2).
  14. Einheit (10, 20) nach Anspruch 13, wobei die zwei Öffnungselemente (1, 2) Abschnitte (1A, 2A) aufweisen, die v-förmig oder gekerbt sind.
  15. Einheit (10, 20) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die zwei Öffnungselemente (1, 2) eine Beschichtung, die Metalloxide umfasst, oder eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen.
  16. Einheit (10, 20) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der vorgegebene Abstand (D) weniger als 200 Mikrometer beträgt.
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