DE2659366A1

DE2659366A1 - Verfahren zum modifizieren der kristallinen struktur einer schicht aus halbleitermaterial

Info

Publication number: DE2659366A1
Application number: DE19762659366
Authority: DE
Inventors: Aslan Baghdadi; Richard Warren Gurtler
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1975-12-31
Filing date: 1976-12-29
Publication date: 1977-07-14

Description

Verfahren zum Modifizieren der kristallinen Struktur einer
Schicht aus Halbleitermaterial Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren der kristallinen Struktur einer Schicht aus Halbleitermaterial und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren, um Siliziumschichten herzustellen, welche direkt zur Fertigung von Solarzellen verwendbar sind.
Halbleitereinrichtungen werden im allgemeinen aus Platten aus monokristallinem Silizium hergestellt. Verschiedene Verfahren zur Herstellung von Platten oder Scheiben aus monokristallinem Silizium sind bekannt. Beispielsweise besteht die sogenannte Czochralski-Methode darin, daß ein monokristalliner Stab aus einer Schmelze gezogen wird, die durch entsprechende Aufheizung von polykristallinem Silizium gebildet ist. Eine andere Methode, die als Schwimmzonentechnik zu bezeichnen ist, besteht im wesentlichen darin, daß ein monokristalliner Stab aus einem Flüssigkeitsbereich herausgezogen wird, der durch lokale Aufheizung hervorgerufen wird, und zwar innerhalb oder auf einem Anguß eines polykristallinen Materials. Beide Verfahren arbeiten mit einem monokristallinen Stab, der in Scheiben zersägt werden muß und dann durch Läppen, Polieren und/oder Ätzen weiterbearbeitet werden muß, um geeignete Scheiben zu bilden, welche für die Herstellung von Halbleitereinrichtungen geeignet sind. Ein anderes bekanntes Verfahren, bei welchem Einkristalle in der Form von langen, flachen Streifen aus einer Schmelze gezogen werden, ist in der US-Patentschrift 3 096 158 beschrieben. Dieses Verfahren erfordert jedoch die Verwendung eines Keimkristalls, einer Schmelze, eines Konzentratorelementes, einer Spule mit einer Anzahl von Windungen und eine Abschirmung.
Aufgrund des Bedürfnisses, neue Energiequellen zu erschließen, sind viele Versuche unternommen worden, die Sonnenenergie nutzbar zu machen. Ein Verfahren zur Nutzbarmachung der Sonnenenergie besteht darin, sogenannte Solarzellen zu verwenden, mit welchen Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Einrichtungen oder Anlagen, die mit Solarzellen arbeiten, große Mengen an Halbleitermaterial benötigen, d. h. im allgemeinen monokristallines Silizium. Wenn derartige Anlagen wirtschaftlich arbeiten sollen, muß das entsprechende Silizium mit einem Kostenaufwand herstellbar sein, der weit unter den Kosten für monokristalline Siliziumscheiben liegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei außerordentlich geringen Kosten eine Schicht aus Halbleitermaterial herzustellen, welche für Solarzellen verwendbar ist und unmittelbar aus einer Schicht aus polykristallinem Material zu gewinnen ist.
#ur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß eine kristalline Struktur einer Schicht aus Halbleitermaterial in der Weise modifiziert wird, daß zunächst eine Schmelzzone in der Schicht quer zueinander gegenüber angeordneten Rändern erzeugt wird und dann die Schmelzzone dazu gebracht wird, daß sie in einer Richtung parallel zu den einander gegenüber angeordneten Rändern der Schicht wandert. Die Temperatur der Schmelzzone kann auf einen Wert abgesenkt werden, der unter dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegt, nachdem die Schicht über eine aupreichende Strecke in der ursprünglichen Richtung gewandert ist, um die Kristalle zu orientieren. Bei dieser bevorzugten Ausfii;rungsform der Erfindung wird eine zweite Schmelzzone innerhalb des Bereiches der Schicht aufgebaut, welcher von der ersten Schmelzzone durchlaufen ist, und das Verfahren wird dann fortgesetzt, indem die zweite Schmelzzone dazu gebracht wird, daß sie in einer Richtung entgegengesetzt zu der von der ersten Zone eingeschlagenen Richtung wandert.
Die Schritte, die Temperatur der geschmolzenen Zone abzusenken, eine weitere Zone innerhalb des Bereiches zu erzeugen, welcher von der vorhergehenden Zone durchlaufen wurde, und die Maßnahme, die neu erzeugte Zone in einer Richtung entgegengesetzt zu der Wanderrichtung der vorhergehenden Zone weiterzubewegen, können je nach den Brfordernissen beliebig oft wiederholt werden, um eine Schicht zu erzeugen, welche die gewünschte kristalline Struktur aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der einzelnen Schritte, mit welchen gemäß der Erfindung die Kristallstruktur einer Fläche wie eines Bleches verändert wird, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Schritte, mit welchen gemäß der Erfindung die Kristallstruktur einer Fläche wie eines Bleches verändert wird, und zwar gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 3 einen schematischen Grundriß einer vereinfachten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Fig. 1a ist eine Schmelzzone 10 dargestellt, welche in einer polykristallinen Schicht 12 erzeugt wird. Wie unten noch deutlicher hervortritt, muß sich die Schmelzzone 10 über die gesamte Breite der polykristallinen Schicht erstrecken und muß sich weiterhin auch durch die gesamte Dicke der Schicht hindurcherstrecken. Die Schmelzzone 10 wird durch Anwendung einer geeigneten Wärmequelle wie einer liaserstrahlenbündelquelle oder einer HS-Heizung hervorgerufen. Gemäß Fig. Ib wird die Schmelzzone in einer Richtung parallel zu den Längsrändern des Bandes bewegt, vorzugsweise dadurch, daß das Band in der durch den Pfeil angegebenen Richtung bewegt wird, während die Schmelzzone aufrechterhalten wird, indem fortwährend Wärme aufgebracht wird. Dies führt zunächst zu der Bildung einer Zone von langgestreckten Kristallkörnern, welche durch die Bezugszahlen 1 bis 5 in der Fig. Ib veranschaulicht sind. Die Bewegung der Schmelzzone 10 wird dann fortgeführt, und dies führt zu dem Ergebnis, wie es -in den Fig. Ic und Id dargestellt ist, wobei die größeren Kristallkörner dominieren und die kleineren Kristallkörner überflügeln. Somit verschwindet zuerst das Korn 1 und dann verschwinden die Körner 2 und 5. Während die Schmelzzone dann gemäß den obigen Ausführungen weiterbewegt wird, wird eine einzige monokristalline Schicht erzeugt, die in der Fig. le mit 4 bezeichnet ist.
In der Fig. 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Gemäß Fig. 2a wird die Schmelzzone 10 in derselben Weise erzeugt, wie es oben anhand der Fig. 1 erläutert wurde. Die Schmelzzone 10 wird dann in einer Richtung parallel zu den Längsrändern des Bandes bewegt, um die Kristalle wie im Bereich 11 zu orientieren.
Nachdem die in der Fig. 2b dargestellte Position erreicht ist, wird die Temperatur dieser ersten Schmelzzone 10 auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials abgesenkt, welches in der Schicht des polykristallinen Materials enthalten ist. Dann wird innerhalb des Bereiches der Kristallorientierung 11 eine zweite Schmelzzone 14 erzeugt (siehe Fig.2c).
Diese zweite Schmelzzone wird dann dazu gebracht, daß sie sich in der entgegengesetzten Richtung zu derjenigen Richtung bewegt, in welcher die erste Schmelzzone 10 bewegt wird. Die einzelnen Schritte, nämlich das Absenken der Temperatur der Schmelzzone, das Erzeugen einer weiteren Schmelzzone innerhalb des Bereiches, welchen die erste Schmelzzone durchlaufen hat, sowie die Wanderung der neuen Zone in einer entgegengesetzten Richtung zu der vorher erzeugten Zone, können nach Bedarf beliebig oft wiederholt werden, um die gewünschte Kristallkonfiguration in der polykristallinen Schicht hervorzurufen. Gemäß Fig. 2d ist es nicht erforderlich, unbedingt monokristallines Halbleitermaterial zu erzeugen, um eine Struktur zu schaffen, welche zur Herstellung von Solarzellen geeignet ist. Somit kann das Band kristalline Körner enthalten, wie sie bei 3 und bei 4 dargestellt sind, welche einen wesentlichen Teil der Breite des Bandes einnehmen. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß gute Solarzellen aus Bändern hergestellt werden können, die ein Material aufweisen, in welchem kristalline Körner mit einer Breite von wenigstens 20 % der Breite des Bandes enthalten sind.
Die Verwendung solcher Bänder eliminiert den Anfall von Abfallprodukten und vermindert die Kosten der hergestellten Einrichtungen.
Unter allen Umständen ist zu berücksichtigen, daß die Schmelzzone vorzugsweise dadurch aufrechterhalten wird, daß die Energiestrahlungsquelle über die Breite des polykristallinen Bandes 10 ausreichend rasch hin und zurück bewegt wird, um dort eine konstante Wärme zu erzeugen.
In der Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Die polykristalline Schicht 12 ist in einem Gehäuse 24 untergebracht.
Es ist ersichtlich, daß die Schicht 12 auf beiden Seiten durch Rollen oder Walzen gehalten ist, um eine Bewegung und ein Aufwickeln des fertiggestellten Produktes zu ermöglichen. Laserstrahlenbündel 16 bzw. 18 werden jeweils von einer (nicht dargestellten) Quelle ausgesandt und auf Umlenkspiegel 20 bzw.
22 gerichtet, von dort auf Abtastspiegel 24 bzw. 26 reflektiert und jeweils durch Linsen 28 bzw. 30 fokussiert. Die Laserstrahlenbündel treffen dann auf gegenüberliegende Seiten der Schicht auf, d. h. auf die Vorderseite und die Rückseite des polgkristallinen Bandes 12, um die Schmelzzone 10 zu erzeugen. Das Laserstrahlenbündel wird gemäß den obigen Ausführungen bewegt, und das polykristalline Band wird gemäß der Erfindung weiter transportiert.
Während die Art der Wärmequelle bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht kritisch ist, hat sich gezeigt, daß ein Kohlendioxid-Laserbündel mit einer Wellenlänge von 10,6je, welches bis zu 400 Watt erzeugt, besonders geeignet ist. Offensictlich ist die erforderliche Gesamtenergiemenge von der Dicke und der Breite der polykristallinen Schicht 12 abhängig. Beispielsweise sind etwa 200 Watt optimal, wenn eine Schicht verwendet wird, die etwa 12,7 mm (1/2") breit und 0,25 mm (10 mils) dick ist. Obwohl die Fig. 3 erkennen läßt, daß die Wärme sowohl auf die Vorderseite als auch auf die Rückseite der polykristallinen Schicht 12 aufgebracht wird, ist dies nicht notwendigerweise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dieser Weise zu handhaben. Es kann vielmehr die Wärme nur auf eine Seite der Schicht aufgebracht werden, mit der Maßgabe, daß die Sciimelzzonen und -bereiche sich über die gesamte Breite des Bandes erstrecken müssen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre ausgeführt, wie es in der US-Patentanmeldung unter dem Titel SemiconductoE Sheet Crystal structure #odification" (Aktenzeichen: SC-75861)>beschrieben ist, welche auf den Erfinder J. Ellis et al. zurückgeht und zugleich mit der vorliegenden Anmeldung eingereicht wurde.
Im Hinblick auf die Relativabmessungen der verschiedenen Elemente, die gemäß der Erfindung verwendet werden, ist zu bemerken, daß die Breite der Schmelzzone vorzugsweise der dreifachen bis zehnfachen Dicke der Schicht entsprechen sollte. Als repräsentative Abmessung kann die Breite der gemäß der Erfindung behandelten Schicht von der Größenordnung eines Zentimeters bis zu der Größenordnung von 10 Zentimeter reichen und liegt vorzugsweise zwischen etwa 1,27 cm (0,5") und 15,24 cm (6").
Die Dicke der Schicht liegt vorzugsweise zwischen etwa 0,1 mm (4 mils) und 0,5 mm (20 mils), wobei eine besonders bevorzugte Dicke zwischen etwa 0,075 mm bis 0,150 mm (3-6 mils) liegt, während die Schmelzzone eine Breite von etwa 0,625 mm bis 1,875 mm (25-75 mils) aufweist, wobei die Breite dieser Zone quer zu der Breite der Schicht bzw. Bahn angeordnet ist. Es ist zu bemerken, daß die gewählte Breite der Schmelzzone von der Dicke der Schicht abhängt, wobei vorzugsweise breitere Zonen in den dickeren Schichten innerhalb der oben genannten Bereiche vorgesehen werden. Weiterhin werden vorzugsweise Bänder aus Halbleitermaterial behandelt, d. h. Bleche aus einem Material, welches gegenüber seiner Breite eine große Länge aufweist.
*) siehe ¢ende der Berebng Während das Ausgangsmaterial oben als polykristallines Material bezeichnet wurde, ist zu bemerken, daß das Ausgangsmaterial auch ein Material sein könnte, in welchem der polykristalline Aufbau eine teilweise Ausrichtung aufweist, oder es könnte ein monokristallines Material verwendet werden, welches eine ausreichende Anzahl von Fehlstellen aufweist, um es für die Verwendung zur Herstellung von Solarzellen nicht brauchbar erscheinen zu lassen. Vorzugsweise wird als Material Silizium verwendet.
Die Erfindung läßt sich auch in weiteren Ausführungsformen ausführen: Während in der Zeichnung die Anordnung derart veranschaulicht ist, daß die Schmelzzone durch eine Bewegung der polgkristallinen Schicht bewegt wird, könnte auch statt dessen die Wärmequelle bewegt werden.
Offensichtlich lassen sich gemäß der Erfindung gegenüber den bekannten V rfahren wesentliche Vorteile erreichen. Beispielsweise ist eine brauchbare Schicht aus Halbleitermaterial direkt aus einer Schicht eines polykristallinen Materials zu erzeugen, und zwar in der Weise, daß eine Eigenkeimbildung erfolgt, ohne daß die Technik angewandt wird, die für geschmolzenes Ausgangsmaterial erforderlich ist, ohne daß entsprechende Zuführungseinrichtungen benötigt werden und ohne daß Formgebungsarbeiten und dergleichen auszuführen sind.
Weiterhin läßt sich erreichen, daß sowohl die Breite als auch die Dicke in ausgezeichneter Weise gesteuert werden können, und zwar ohne aufwendige Einrichtungen und Verfahren.
*)en4-pricht der deutschen Patentanmeldung: "Verfahren zum Modifizieren einer Kri#talls.#trukturn einer fitibleiterschicht", welche Zrr seibez ~, wie die vorliegende Anmeldung unter den Ksnzlei-AZ- - Patentansprüche -14 470 des Vertreters der Anmelderin beim Deutschen Pa.tent~mt hinterlefflt wurde.
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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren. zum Modifizieren der kristallinen Struktur einer Schicht aus Halbleitermaterial, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß in der Schicht quer zueinander gegenüber angeordneten Rändern eine Schmelzzone (10) erzeugt wird und daß die Schmelzzone (10) dazu gebracht wird, daß sie sich in einer Richtung parallel zu den beiden einander gegenüber angeordneten Rändern bewegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone dazu gebracht wird, daß sie sich bewegt, indem Wärme aus einer Wärmequelle aufgebracht wird, während zugleich die Schicht in einer Richtung quer zu der Richtung der Schmelz2;one und von der Wärmequelle weg bewegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schmelzzone der dreifachen bis zehnfachen Dicke der Schicht entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
5. Verfahren zum Modifizieren der kristallinen Struktur einer Schicht aus Halbleiterrnaterial, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schicht quer zueinander gegenüberliegenden Rändern eine Schmelzzone (10) gebildet wird, daß die Schmelzzone dazu gebracht wird, in einer ersten Richtung parallel zu den einander gegenüber angeordneten Rändern zu wandern, um die Kristalle in der Schicht in einem ersten Bereich zu orientieren, daß die Temperatur der ersten Schmelzzone auf eine Temperatur abgesenkt wird, welche unterhalb des Schmelzpunktes des Halbleitermaterials liegt, daß innerhalb des ersten Bereiches eine zweite Schmelzzone (14) gebildet wird und daß die zweite Schmelzzone (14) dazu gebracht wird, daß sie in einer zweiten Richtung parallel zu den lsängsrändern und entgegengesetzt zu der ersten Richtung wandert.
6.Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelzzone dazu gebracht wird, daß sie wandert, indem Wärme von einer Wärmequelle aufgebracht wird, während die Schicht in einer Richtung quer zu der Richtung der Schmelzzone und von der Quelle weg bewegt wird.
7.Verfahren zum Modifizieren der kristallinen Struktur einer Schicht eines Halbleitermaterials, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schmelzzone (10) in der Schicht quer zu deren einander gegenüber angeordneten Rändern erzeugt wird, daß die erste Zone dazu gebracht wird, daß sie in einer ersten Richtung parallel zu den einander gegenüber angeordneten Rändern wandert, um einen ersten Bereich mit einer modifizierten kristallinen Struktur zu erzeugen, daß die Temperatur der ersten Zone auf eine Temperatur abgesenkt wird, welche unter dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials liegt, daß weiterhin eine zweite Schmelzzone (14) in dem ersten Bereich quer zu dessen einander gegenüber angeordneten Rändern erzeugt wird, daß die zweite Zone dazu gebracht wird, daß sie in einer zweiten Richtung parallel zu den einander gegenüber angeordneten Rändern und entgegengesetzt zu der ersten Richtung wandert, um einen zweiten Bereich mit einer modifizierten kristallinen Struktur zu erzeugen, daß die Temperatur der zweiten Zone auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials abgesenkt wird, daß die geschmolzenen Zonen fortgesetzt in einem Bereich erzeugt werden, welcher beim Wandern der zuvor geschmolzenen Zone erreicht wird, indem die Zone in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen der vorhergehenden Zone bewegt wird, wobei die Temperaturen der Zone auf eine Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials abgesenkt werden, bis eine Schicht mit der gewünschten kristallinen Struktur erreicht ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Zone dazu gebracht wird, daß sie wandert, indem Wärme aus einer Wärmequelle aufgebracht wird, während die Schicht in einer Richtung quer zu der Richtung der geschmolzenen Zone und von der Quelle weg bewegt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der geschmolzenen Zone der dreifachen bis zehnfachen Dicke der Schicht entspricht.

1 0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.