DE2659397A1 - Verfahren zum modifizieren einer kristallstruktur eines halbleitermaterials - Google Patents

Description

• Verfahren zum Modifizieren einer Kristallstruktur eines
• Halbleitermaterials Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Modifizieren einer Kristallstruktur eines Halbleitermaterials und bezieht sich insbesondere auf ein Modifizieren einer Kristallstruktur eines Halbleiterbleches, und zwar vorzugsweise in der Form einer Bahn.
• Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Verfahrens, welches in der US-Patentanmeldung 538 214 der Anmelderin beschrieben ist, welche auf den Erfinder Israel A. Lesk zurückgeht und am 2. 1. 1975 unter dem Titel "Silicon Manufacture" eingereicht wurde. Die Erfindung stellt weiterhin eine Weiterentwicklung derjenigen Erfindung dar, welche auf den Erfinder Ellis et al.
• zurückgeht und von der Anmelderin unter dem Titel "Semiconductor Sheet Crystal Structure Modification" (Aktenzeichen SC-75861)*) zugleich eingereicht wurde.
• In der oben genannten Anmeldung "Ellis et al.", welche hiermit zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung erklärt wird, wird die Kristallstruktur eines Halbleiters, insbesondere die Kristallstruktur von Silizium, welches in Form eines Bleches oder einer *) siehe Ende der Beschvrexibul Bahn vorliegt, dadurch modifiziert, daß eine geschmolzene Zone oder eine Schmelzzone erzeugt und über die Oberfläche in einer oxidierenden Atmosphäre hinwegbewegt wird. Das Ergebnis ist eine verbesserte Kri stall struktur, bei welcher beispielsweise polykristallines Silizium in monokristallines Silizium umgewandelt ist oder eine Zunahme in der Größe der Kristalle in dem polykristallinen Material erreicht ist, welche ausreicht, daß das entsprechende Material zur Herstellung von Silizium-Solarzellen verwendet werden kann. Mit diesem Vorgang wurde ein wesentlicher technischer Fortschritt erreicht, weil durch diese Erfindung die bisher erforderliche Maßnahme überflüssig geworden ist, eine träge Atmosphäre zu verwenden.
• Bei der oben genannten Anmeldung "Ellis et al." hat sich die in einer Halbleiterbahn erzeugte Schmelzzone nicht bis zu dem Rand der Bahn erstreckt. Eine entsprechende Begrenzung war erforderlich, da sie sich aus praktischen Erfahrungen mit einem solchen Vorgang in einer trägen Atmosphäre ergeben hat. Wenn in einer solchen Atmosphäre nämlich eine Schmelzzone sich bis zu dem Rand einer Halbleiterbahn erstrecken kann, so wird die Schmelzzone in erheblichem Maß instabil, und es treten Unregelmäßigkeiten oder sogar ein Abreißen oder eine Trennung der Siliziumbahn in zwei getrennte Stücke auf. Folglich waren eine erhebliche Anstrengung und umfangreiche Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, die Schmelzzone zwischen dem polykristallinen Siliziummaterial und dem monokristallinen Siliziummaterial sehr schmal zu halten, wenn derartige Probleme vermieden werden sollten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, mit welchem in zuverlässiger Weise und hohem Durchsatz bei geringen Kosten Halbleitermaterial erzeugt werden kann, welches zur Herstellung von Halbleiter-Solarzellen ebenso wie für andere mikroelektronische Anwendungen geeignet ist, wobei das Material unter Verwendung einer Schmelzzone mit besonders hoher Stabilität erzeugt werden soll.
• Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale.
• Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß die Schmelzzone sich von einem Rand zum anderen eines Halbleiterbahnmaterials erstrecken kann.
• Gemäß der Erfindung kann eine besonders gute und gleichmäßige Modifikation der Kristallstruktur erreicht werden.
• Die Erfindung bedient sich der Erkenntnis, daß eine zumindest auf einer Seite offene Schmelzzone dazu verwendet werden kann, die Kristallstruktur in einem Halbleiterblech oder einer Halbleiterbahn zu modifizieren, wenn die Schmelzzone über das Material, insbesondere das Blech oder die Bahn, bewegt wird, wenn eine oxidierende Atmosphäre wirksam ist. In einer solchen oxidierenden Atmosphäre, vorzugsweise in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, die beispielsweise aus Luft bestehen kann, lassen sich die Stabilitätsprobleme im Zusammenhang mit der Schmelzzone gemäß der Erfindung lösen, wie sie andernfalls in einer trägen Atmosphäre auftreten. Somit kann sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schmelzzone über das Blech oder die Bahn des Halbleitermaterials von einem Rand zum anderen erstrecken, und die Schmelzzone kann dann einfach der Bahn entlang bewegt werden, um die Kristall struktur der gesamten Fläche zu modifizieren. Die Breite einer solchen- Schmelzzone zwischen dem polykristallien Halbleitermaterial und dem monokristallinen Halbleitermaterial oder der verbesserten Kristallstruktur des Halbleitermaterials, welches gemäß der Erfindung modifiziert wurde, kann wesentlich vergrößert werden, ohne daß Fehlstellen in dem hergestellten Produkt auftreten oder eine Bruchgefahr der modifizierten und der nichtmodifizierten Abschnitte bestünde. Auf diese Weise läßt sich der Nodifikationsvorgang wesentlich besser steuern, indem zugleich gewährleistet wird, daß das gesamte Halbleitermaterial geschmolzen und anschließend wieder verfestigt wird, um seine Kristallstruktur zu ändern. Außerdem kann mit einer vergrößerten Breite der Schmelzzone die Durchlaufgeschwindigkeit des Halbleitermaterials vergrößert werden, während zugleich gewährleistet ist, daß das gesamte Halbleitermaterial vollständig während des Vorganges in den geschmolzenen Zustand versetzt wird.
• Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur ein Siliziumband während der Ausführung des erfindungsgemäßen Vorganges.
• In der Zeichnung ist ein polykristallines Siliziumband 12 dargestellt, welches in ein monokristallines Siliziumband 14 umgewandelt wird, indem eine geschmolzene Zone 16 in einer Luftatmosphäre an dem Band 12 entlangbewegt wird. Wie in der oben genannten Anmeldung "Ellis et al." gelehrt wird, wird die geschmolzene Zone 16 durch teilweise defokussierte Laserstrahlenbündel erzeugt, welche auf das polykristalline Band 12 gerichtet werden, um die geschmolzene Zone 16 zu erzeugen.
• Die geschmolzene Zone 16 wird dann entlang dem polykristallinen Siliziumband 12 bewegt, indem das polykristalline Siliziumband 12 in einer vertikalen Richtung transportiert wird, wie es durch den Pfeil 18 dargestellt ist. Wenn das polykristalline Siliziumband 12 durch die Laserstrahlenbündel hindurchgeht, wird es auf den Schmelzpunkt des Siliziums aufgeheizt, d. h.
• auf etwa 1420 OC. Wenn das ursprünglich polykristalline Siliziumband 12 2aus den Laserstrahlenbündeln herauskommt, kühlt es sich ab und wird rasch verfestigt, um wie bei 14 monokristallines Silizium zu bilden.
• Gemäß den obigen Ausführungen kann im Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik dann, wenn während eines solchen Vorganges oder einer Umwandlung von polykristallinem Silizium in monokristallines Silizium eine oxidierende Atmosphäre verwendet wird, die Zone 16 des geschmolzenen Siliziums sich bis zu den Rändern 20 und 22 des Siliziumbandes erstrecken, ohne daß in der Schmelzzone 16 Instabilitätsprobleme auftreten. Wenn auch die effektive Wirkungsweise noch nicht restlos geklärt ist, besteht Grund zu der Annahme, daß das Vorhandensein von Luft oder einer anderen mit Sauerstoff angereicherten Atmosphäre die Bildung einer dünnen Oxidschicht auf dem polykristallinen Siliziumband 12 ermöglicht, so daß die Oberflächenspannungseffekte in der Schmelzzone 16 gegenüber ihrer Wirkung bei der Ausführung eines solchen Vorganges in einer trägen Atmosphäre modifiziert werden. Diese Modifizierung oder Veränderung der Oberflächenspannungseffekte ermöglicht, daß die geschmolzene Zone oder die Schmelzzone 16 eine offene Seite hat, ohne daß eine Notwendigkeit besteht, daß die Zone sehr schmal gehalten wird. Beispielsweise sollte bei einem Siliziumblech mit einer Dicke von 0,25 mm (10 mils) eine Schmelzzone eine Breite zwischen dem polykristallinen Siliziummaterial 12 und dem resultierenden monokristallinen Siliziummaterial 14 aufweisen, die nicht größer ist als etwa 0,25 mm (10 mils), wenn eine träge Atmosphäre verwendet wird Wenn eine Atmosphäre verwendet wird, welche Sauerstoff enthält, kann die entsprechende Breite der Schmelzzone 16 auf etwa 2,5 mm (100 mils) oder darüber vergrößert werden, ohne daß Instabilitätsprobleme bzw. Stabilitätsprobleme auftreten.
• Weitere Betriebsparameter eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind dieselben wie für die oben genannte Anmeldung "Ellis et al.". Da solche Parameter in dieser Bezugsanmeldung ausführlich diskutiert sind, bedarf es hier keiner Wiederholung.
• Es dürfte nunmehr offensichtlich geworden sein, daß gemäß der Erfindung ein Verfahren geschaffen ist, mit welchem ein Halbleiterblech in seiner Kristall struktur in gewünschter Weise modifiziert werden kann, um die Erfindungsaufgabe zu lösen.
• Die Verwendung einer oxidierenden Atmosphäre ermöglicht es, daß sich eine Schmelz zone von einem Rand zum anderen Rand einer Halbleiterbahn oder eines Halbleiterbleches ausdehnen kann, ohne daß eine Instabilität der Schmelze hervorgerufen würde.
• Eine solche Schmelze kann einfach der Bahn entlang bewegt werden, und zwar in ihrer anderen planaren Abmessung, um eine vollständige Umwandlung des polykristallinen Halbleiterbahnmaterials in monokristallines Halbleiterbahnmaterial herbeizuführen oder in ein Halbleiterbahn- bzw. Halbleiterblechmaterial, welches eine verbesserte Kristallstruktur aufweist.
• Dadurch wird eine weitere Vereinfachung erreicht und der Durchsatz bei einem entsprechenden industriellen Verfahren wird wesentlich erhöht, bei welchem eine Schmelzzone über das Blech oder die Bahn bewegt wird, um eine Modifikation der Kristallstruktur herbeizuführen.
• Natürlich kann auch eine andere oxidierende Atmosphäre als Luft verwendet werden.
• *) entspricht der deutschen Patentanmeldurg: "Verfahren zum Modifizieren einer Kri-stallstruktur einer Halbleiterschicht", welche am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung unter dem Kanzlei-Aktenzeichen M 470 des Vertreters der Anmelderin beim Deutschen Patentamt hinterlegt wurde.
• - Patentansprüche -

Claims (11)

1. Patentans# rüche 61. Verfahren zum Mo(lifizieren einer Kristallstruktur eines Halbleitermaterials, insbesondere eines Halbleiterbleches wie einer Halbleiterbahn, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daX eine Schmelzzone (16) in dem Halbleitermaterial erzeugt wird, welche sich von wenigstens einem Rand des Materials über die Oberfläche hinweg erstreckt, und zwar in einer oxidierenden Atmosphäre, daß. die Schmelzzone dem Material entlang bewegt wird und daß die Schmelzzone fortschreltend verfestigt wird, und zwar in dem Naß, in welchem die #chmelzzone sich über das Material bewegt, wodurch eine verbesserte Kristallstruktur erreicht wird.
2. 2.. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierende Atmosphäre wenigstens etwa 4 Vol.-% Sauerstoff enthält.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierende Atmosphäre aus Luft besteht.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 61, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.
5. 5. Verfahren zum Modifizieren einer Kristallstruktur eines Halbleitermaterials 7 insbesondere eines Halbleiterbleches wie einer Halbleiterbahn, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Material eine Schmelzzone (61#) erzeugt wird, welche derart angeordnet und ausgebildet ist, daß sie sich mit einer ersten Abmessung von einem Rand zu dem anderen Rand des Materials erstreckt, und zwar in einer oxidierenden Atmosphäre, daß die Schmelzzone entlang einer zweiten Dimension des Materials bewegt wird, und zwar entlang einer Richtung, welche sich gegenüber der ersten Abmessung unterscheidet, und daß die Schmelzzone fortschreitend in dem Naß verfestigt wird, wie die Schmelzzone in dem Material weiterbewegt wird, wodurch eine verbesserte Kristallstruktur in dem Halbleitermaterial erzeugt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in der Form eines vertikal angeordneten Bleches oder einer vertikal angeordneten Bahn in vertikaler Richtung an einer Wärmequelle vorbeibewegt wird, und zwar in der Weise, daß die Schmelzzone entlang der Bahn weiterbewegt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle eine Laserstrahlenbündel-Quelle ist, welche in einem gewünschten Ausmaß defokussiert ist, um das Bündel in einem Flächenbereich auf die Bahn zu lenken, welcher der gewünschten Schmelzzone entspricht.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial polykristallines Silizium ist, welches gemäß der Erfindung in im wesentlichen monokristallines Silizium umgeformt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidierende Atmosphäre Luft ist.
10. 10. Verfahren zum Modifizieren einer Kristallstruktur eines Halbleitermaterials, insbesondere eines Halblelterbleches wie einer Halbleiterbahn, dadurch gekennzeichnet, daß eine ausreichende Wärmeenergie von einer entsprechenden Quelle dem Material zugeführt wird, um die Temperatur eines bestimmten vorgebbaren Flächenbereiches zu erhöhen, welcher sich von dem einen Rand zu dem anderen Rand einer Bahn erstreckt, wobei die Temperatur bis zu dem Schmelzpunkt des Ealbleitermaterials in einer Atmosphäre erhöht wird, welche Sauerstoff enthält, daß die Bahn relativ zu der Wärmequelle in der Weise bewegt wird, daß ein Teil der Bahn geschmolzen wird, während er an der Wärmequelle vorbeigeführt wird, während die Bahn fortgesetzt in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre gehalten wird, und daß der geschmolzene Abschnitt der Bahn zur Verfestigung gebracht wird, wenn er von der Wärmequelle wegbewegt wird, wodurch eine verbesserte Kristallstruktur erreicht wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoff enthaltende Atmosphäre Luft ist.