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Verfahren zum Modifizieren einer Kristall struktur einer
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Halbleiterschicht Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umwandeln
der Kristallstruktur einer Halbleiterschicht. Die Erfindung stellt eine Weiterentwicklung
des Verfahrens dar, welches in der zugleich hinterlegten 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" hinterlegt wurde. Die vorliegende
Erfindung bedient sich der Erkenntnis, daß bestimmte Einschränkungen, welche in
der oben genannten Bezugsanmeldung als notwendig bezeichnet wurden, unter bestimmten
Voraussetzungen jedoch nicht unbedingt erforderlich sind.
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Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren, welches
dazu dient, die Kristalistruktur in einem Halbleiterblech in Form einer Halbleiterbahn
zu verändern.
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Gegenwärtig werden Silizium und andere Halbleitermaterialien, welche
zur Herstellung von elektronischen Einrichtungen geeignet sind, dadurch erzeugt,
daß große Einkristalle aus Halbleitermaterial gezüchtet werden, und zwar aus einem
Keimkristall,
insbesondere nach dem Czochralski-Verfahren oder in
ähnlicher Weise. Derartige Einkristalle werden in entsprechenden Öfen aus einer
Schmelze gezogen. Die aus der Schmelze gezogenen Stangen von Einkristallen aus Halbleitermaterial
werden dann in Scheiben geschnitten, geläppt und poliert, um dünne Scheiben aus
Halbleitermaterial zu erzeugen, in welchen verschiedene mikro elektronische Einrichtungen
dann nach bekannten Verfahren erzeugt werden. Dieses Verfahren hat sich in der Vergangenheit
zur Herstellung von Halbleitermaterial als geeignet erwiesen, und zwar sowohl zur
Fertigung von diskreten Halbleitereinrichtungen als auch zur Herstellung von integrierten
Schaltungen.
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Siliziumsolarzellen beginnen nunmehr zur Umwandlung von Sonnenenergie
in elektrische Energie an Bedeutung zu gewinnen, und zwar als wertvolle Alternative
zu herkömmlichen Energiequellen.
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Derartige Siliziumsolarzellen sind insbesondere im Hinblick darauf
vielversprechend, daß sie zuverlässige Quellen für elektrische Energie sein können,
die ohne Verschmutzung der Umwelt arbeiten. Es werden jedoch große Mengen an Siliziumschichtmaterial
benötigt, um auf diese Weise Blektrizität zu erzeugen. Nach entsprechenden Schätzungen
würde zur Verdopplung der gegenwärtig in den Vereinigten Staaten von Amerika erzeugten
Energie ein Flächenbereich an Siliziumschichtmaterial erförderlich sein, welcher
der Fläche sämtlicher befestigter Straßen in den Vereinigten Staaten entspricht.
Offensichtlich ist zur Erzeugung einer derart großen Menge an Siliziumschichtmaterial
ein Verfahren erforderlich, welches bei außerordentlich geringen Kosten großtechnisch
zu verwirklichen ist.
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Es ist zwar gemäß den US-Patentschriften 3 096 158 und 3 293 002 bereits
versucht worden, bandähnliche Anordnungen herzustellen, diese Technik hat in der
Praxis jedoch keinen Eingang gefunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
von Halbleiterschichtmaterial zu schaffen, welches zur Fertigung von Halbleiter-Solarzellen
geeignet ist, jedoch auch für andere mikro elektronische Anwendungen zu verwenden
ist, so daß bei hoher Zuverlässigkeit außerordentlich große Mengen an Halbleiterschichtmaterial
bei besonders geringen Kosten hergestellt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren
niedergelegten Merkmale.
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Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß ein
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterschichtmaterial gefunden ist, welches für
elektronische Zwecke geeignet ist und während der Herstellung des Materials keiner
trägen Atmosphäre bedarf.
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Weiterhin wird gemäß der Erfindung der Vorteil erreicht, daß ein zuverlässiges
Verfahren zur Verfügung steht, um eine unkontrollierte Ablagerung von Oxiden auf
einer Siliziumschicht während der Umwandlung der Kristallstruktur der Siliziumschicht
zu verhindern, ohne daß eine träge Atmosphäre verwendet wird.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß die Struktur einer Halbleiterschicht verändert wird
und zwar beispielsweise dadurch, daß eine polykristalline Schicht in eine monokristalline
Schicht oder in eine Schicht mit großen einzelnen Kristallen wie Einkristallen umgewandelt
wird. Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird vorzugsweise eine geschmolzene
Zone oder eine Schmelzzone in der Schicht des Halbleitermaterials erzeugt, und zwar
vorzugsweise in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre. Die Erfindung bedient
sich somit auch der Erkenntnis, daß eine träge Atmosphäre zur Umwandlung einer polykristallinen
Halbleiterschicht in eine monokristalline oder eine verbesserte
Halbleiterschicht
nicht erforderlich ist. Es lassen sich nämlich in der Tat bessere Ergebnisse in
einer oxidierenden Atmosphäre als in einer trägen Atmosphäre erreichen, zumindest
in den meisten Fällen. Insbesondere hat sich Luft als geeignete oxidierende Atmosphäre
erwiesen, wodurch insbesondere im Hinblick auf die erforderliche Einrichtung offensichtlich
außerordentliche Vorteile erreicht werden. Die Schmelzzone wird dann über die Schicht
bewegt, und zwar in der oxidierenden Atmosphäre.
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Anschließend bekommt die Schmelzzone die Möglichkeit, sich in der
oxidierenden Atmosphäre fortschreitend zu verfestigen, während sie über die Schicht
bewegt wird. Das Ergebnis ist eine verbesserte Kristallstruktur in dem Halbleitermaterial.
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Beispielsweise läßt sich eine polykristalline Siliziumkristallstruktur
mit statistisch verteilter Anordnung der Kristalle in eine im wesentlichen monokristalline
Siliziumstruktur oder in große, entsprechend ausgerichtete Körner aus monokristallinem
Material in der Schicht umwandeln. Ein solches Verfahren ermöglicht es, eine dünne
Schicht aus Halbleitermaterial direkt so umzuformen, daß unmittelbar verwendbare
Solarzellen oder andere mikroelektronische Einrichtungen daraus hergestellt werden
können, so daß dadurch die Notwendigkeit des Zersägens, des Läppens und des Polierens
von Scheiben aus einer entsprechenden Stange von Halbleitermaterial entfallen.
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Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich
Silizium besonders gut. Es kann jedoch auch Germanium oder eine Halbleiterverbindung
wie Galliumarsenid und dergleichen verwendet werden.
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Im wesentlichen kann jede Sauerstoff enthaltende Atmosphäre in der
Praxis bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden. Die
Atmosphäre sollte eine ausreichende Menge an Sauerstoff in einer Form enthalten,
daß er mit dem Silizium reagieren kann, um eine dünne Oxidschicht auf dem
Silizium
zu bilden. Im Falle von Sauerstoff hat sich gezeigt, daß wenigstens vier Vol.-%
Sauerstoff benötigt werden, um diese Wirkung herbeizufuhren, Der Sauerstoff kann
als solcher gasförmig, als Ozon oder in einer Eombination mit anderen Elementen
wie im Wasserdampf vorhanden sein, solange der Sauerstoff mit dem Silizium reagieren
kann. Vorzugsweise sollte die Sauerstoff enthaltende Atmosphäre zwischen etwa 10
und 30 Vol.-% des oxidierenden Gases enthalten. Die Durchfuhrung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie dazu verwendete Vorrichtungen werden stark vereinfacht, wenn Luft
als Sauerstoff enthaltende Atmosphäre verwendet wird.
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Wenn auch die im einzelnen bei der Durchführung des Verfahrens ablaufenden
Vorgänge noch nicht theoretisch exakt geklärt sind, besteht Grund zu der Annahme,
daß aufgrund der oxidierenden Atmosphäre auf der Oberfläche der Schicht eine dünne
Oxidschicht gebildet wird. Weiterhin besteht Grund zu der Annahme, daß die Schwierigkeiten
bei der Durchführung von bekannten Verfahren, welche träge Atmosphären verwenden,
daher rühren, daß kleine Luftmengen während der Durchführung des Verfahrens in die
aus einem trägen Gas bestehende Atmosphäre durch Leckverluste hineingelangen können.
Das Halbleitermaterial verdampft dann und reagiert mit dem Sauerstoff in der Verunreinigungsluft,
wonach sich dann in unkontrollierbarer Weise Oxide auf der Schicht absetzen. Die
dünne Oxidschicht, welche bei diesem Verfahren entsteht, verhindert eine derartige
Verdampfung und die nachfolgende Oxidation.
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Die geschmolzene Zone oder die Schmelzzone kann in der Schicht aus
Halbleitermaterial dadurch erzeugt werden, daß im wesentlichen irgendeine geeignete
Methode angewandt wird, welche in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre durchführbar
ist. Ein teilweise defokussierter Laser bzw. ein entsprechendes Laserstrahlenbündel
hat sich als besonders geeignet erwiesen, eine
ausreichende Wärmeenergiemenge
auf eine Schicht aus Halbleitermaterial aufzubringen, um die Schmelzzone zu bilden.
In diesem Zusammenhang sei in Erinnerung gebracht, daß der Schmelzpunkt von Silizium
bei etwa 1420 °C liegt. Es können jedoch auch andere Verfahren angewandt werden,
beispielsweise können Hochfrequenzimpulse mit der verwendeten Schicht gekoppelt
werden.
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Es könnte auch konzentrierte Sonnenenergie oder eine ähnliche Wärmequelle
verwendet werden.
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Die Schmelzzone wird dann über die Schicht bewegt, während sie fortwährend
in der Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre gehalten wird, und die Bewegung erfolgt
mit einer Geschwindigkeit, welche es ermöglicht, daß ein zweiter Bereich der Schicht,
in welchen die Schmelzzone bewegt wird, vollständig zum Schmelzen gebracht wird,
bevor die Zone in einen dritten Bereich der Schicht gelangt, welcher an den zweiten
Bereich angrenzt. Obwohl eine derartige Bewegung der Schmelzzone in einer Reihe
von diskreten einzelnen Schritten durchgeführt werden könnte, die beliebig klein
gehalten werden könnten, wird eine kontinuierliche Bewegung der Schmelzzone durch
die Schicht bevorzugt. Offensichtlich wird die Bewegungsgeschwindigkeit der Schmelzzone
durch die auf die Flächeneinheit des Halbleiterschichtmaterials aufgebrachte Energiemenge
begrenzt, die von einem Laserstrahlenbündel oder von einer anderen Wärmeenergiequelle
kommt. Wenn ein teilweise defokussiertes Laserstrahlembündel als Wärmeenergiequelle
verwendet wird, kann die Schmelzzone über die Materialschicht bewegt werden, indem
entweder das Laserstrahlenbündel selbst geschwenkt wird oder das Halbleiterschichtmaterial
in bezug auf das Laserstrahlenbündel bewegt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht
einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Vorrichtung,
Fig. 2 einen Grundriß eines Siliziumbandes während der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in der Fig. 2.
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In der Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Vorrichtung 10
dargestellt, welche zur Umwandlung eines polykristallinen Siliziumbandes 12 in ein
monokristallines Silizilunband 14 dient.
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Walzen 16 werden dazu verwendet, um das Band 12 und 14 durch die Wachstumseinrichtung
10 hindurchzuführen. Einander gegenüber angeordnete Walzen 18 innerhalb der Kammer
20 dienen dazu, das Band 12 genau zu positionieren, und sie werden weiterhin dazu
verwendet, das Band durch die Vorrichtung hindurchzubewegen.
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Iaserstihlenbündel 22 treffen auf das polykristalline Siliziumband
12 innerhalb der Kammer 20 gemäß der Darstellung auf. Die vertikale Anordnung des
Bandes 12 und 14 innerhalb der Kammer, und zwar an der Stelle, an welcher die Schmelzzone
in dem Band erzeugt wird, ist deshalb vorteilhaft, weil auf diese Weise Probleme
vermieden werden können, die mit der Halterung desjenigen Bandabsehnittes zusammenhängen,
in welchem die Schmelzzone erzeugt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
braucht die Kammer 20 nicht abgedichtet zu werden, da Luft als sauerstoffhaltige
Atmosphäre verwendet wird. Wenn jedoch eine andere Atmosphäre verwendet werden soll,
beispielsweise reiner sauerstoff oder eine Atmosphäre mit höherem Sauerstoffgehalt,
als er normalerweise in der Luft vorliegt, wäre es erforderlich, die Kamier 20 in
entsprechender Weise abzudichten, dama eine vorgegebene Atmosphäre innerhalb der
Kammer gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in der Weise durchgeführt werden,
wie es in der zugleich von der Anmelderin hinterlegten Anmeldung beschrieben ist,
die auf den Erfinder Lesk zuruckgeht, die oben bereits angesprochen wurde. Der Inhalt
dieser Anmeldung wird hiermit ausdrücklich zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden
Anmeldung erklärt. Bei diesem Verfahren wird ein vorhandenes monokristallines Band
als Keimkristall verwendet, indem das monokristalline Band in einem Bandtrennbereich
24 in ein polykristallines Siliziumband 12 umgeformt wird. Dies geschieht grundsätzlich
dadurch, daß das polykristalline Siliziumband und das monokristalline Siliziumband
innerhalb von zugleich als Halterung ausgebildeten durchlässigen dielektrischen
Elementen 26 und 28 miteinander in Berührung gebracht werden, so daß dann ihre zwei
Enden mit einem Laserstrahlenbündel 30 geschmolzen werden. Der sich dabei ergebende
geschmolzene Bereich kann sich dann verfestigen, wobei eine Zwischenschicht gebildet
wird, welche das monokristalline Siliziumband und das polykristalline Siliziumband
miteinander vereinigt.
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Die daraus resultierende Zwischenschicht zwischen den zwei Bändern
wird dann zu der Kammer 20 bewegt, und die Umwandlung des polykristallinen Siliziumbandes
12 in das monokristalline Siliziumband 14 wird begonnen, indem an der Zwischenschicht
eine geschmolzene Zone gebildet wird und diese geschmolzene Zone in das polykristalline
Band 12 gebracht wird, indem das Band innerhalb der Vorrichtung nach oben bewegt
wird, wie es durch den Pfeil 31 dargestellt ist, wobei Laserstrahlenbündel 22 auf
einen Bereich des polykristallinen Bandes 12 auftreffen, welcher sich an den im
geschmolzenen Zustand befindlichen Bereich anschließt.
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In alternativer Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch nach
der Lehre der zugleich hinterlegten US-Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel
"Method of Modifying Crystalline Structure of a Semiconductor Sheet" (Aktenzeichen
SC-75857),
welche auf den Erfinder Baghdadi ei al. zurückgeht und
deren Inhalt hiermit zum Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung erklärt wird.
Grundsätzlich ist bei diesem Vorgang eine keimerzeugung des polykristallinen iliziumbandes
12 mit dem monokristallinen Siliziummaterial nicht erforderlich. Ein geschmolzener
Bereich wird in dem polykristallinen Band 12 durch Laserbündel 22 erzeugt, und das
polykristalline Silizium wird durch die Kammer 12 mit einer Geschwindigkeit hindurchbewegt,
welche es der Schmelzzone erlaubt, sich dem Band 12 entlang zu bewegen, während
das Band 12, welches in dem Bereich angeordnet ist, während seiner Wanderung vollständig
geschmolzen wird.
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Dies führt zu einer Umwandlung des polykristallinen Silizium bandes
12 in ein monokristallines Siliziumband 14 oder in ein polykristallines Material,
welches große Einkristalle enthält und damit zur Herstellung von Siliziumolarzellen
geeignet ist.
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Das Band verfestigt sich fortschreitend, nachdem es durch die Laserbündel
12 hindurchgegangen ist und durch diese in den geschmolzenen Zustand reduziert ist.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen Einzelheiten der Schmelzzone 32, welche in
dem polykristallinen Siliziumband 12 durch die Laserbündel 22 hervorgerufen wird,
um das polykristalline Siliziumband 12 in der Kammer 20 der Einrichtung gemäß Fig.
1 in ein monokristallines Siliziumband 14 umzuwandeln. Gemäß Fig. 2 erstreckt sich
die Schmelzzone 32 nicht bis zu den Rändern 34 und 36 des polykristallinen Siliziumbandes
12. Der Grund dafür läßt sich in Verbindung mit dem Querschnitt der geschmolzenen
Zone 32 gemäß Fig. 3 erläutern. Gemäß der Darstellung ist die Schmelzzone 32 etwas
dünner in ihrer Mitte, im Vergleich zu der Dicke des polykristallinen Siliziumbandes
12 und des monokristallinen Bandes 14, wie sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt werden. Wenn eine Schmelzzone 32 zu breit wird, so wird sie instabil
und kann auch so dünn werden, daß sie diskontinuierlich wird. Wenn ein Umwandlungsvorgang
dieser Art in einer
trägen Atmosphäre ausgeführt wird und der geschmolzene
Bereich 22 sich vollständig von dem Rand 34 bis zu dem Rand 36 des polykristallinen
Siliziumbandes 12 erstrecken kann, so muß die geschmolzene Zone 32 bzw. die Schmelzzone
32 sehr schmal gehalten werden, d.h., sie darf nicht größer sein als etwa 0,25 mm
(10 mils) und zwar für ein Siliziumband, welches eine Dicke von etwa 0,2.5 mm (10
miis) aufweist. Dies ist erforderlich, um Unterbrechungen oder Risse bzw. Brüche
in dem monokristallinen Band 14 oder eine deutliche Trennung zwischen dem polykristallinen
Band 12 und dem monokristallinen Band 14 zu verhindern Die eingeschnürte Form der
geschmolzenen Zone 32 gemäß Fig. 2, die auch als hantelförmig bezeichnet werden
könnte, trägt dazu bei, eine Ausdehnung der polykristallinen Randstreifen 33 in
den Körper des Bandes hinein zu verhindern, indem ihre Ausbreitungsrichtungen nach
außen gerichtet werden Es hat sich jedoch gezeigt, daß im Gegensatz zu den Erfordernissen,
welche notwendig sind, um die geschmolzene Zone 32 in einer trägen Atmosphäre sehr
dünn zu halten, unter der Voraussetzung, daß gemäß der Erfindung eine oxidierende
Atmosphäre verwendet wird, die geschmolzene Zone 32 sich vollständig über das polykristalline
Siliziumband 12 erstrecken kann, ohne besonders schmal gehalten zu werden. Diese
Erkenntnis bildet einen tragenden Gedanken für eine zugleich von der Anmelderin
hinterlegte US-Patentanmeldung mit dem Titel "Semiconductor Sheet O.ry-stal Structure
Modification with an open ended Melt Zone", deren Inhalt hiermit ausdrücklich zum
Offenbarungsinhalt der vorliegenden Anmeldung erklärt wird.
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In der Praxis hängt die Geschwindigkeit, mit welcher das polykristalline
Sili-ziumband 12 durch die Kammer 20 gemäß Fig. 1 hindurchgeführt werden kann; von
dem Energiepegel ab, welcher durch die Laserbündel 22 auf die Flächeneinheit des
polykristallinen Siliziumbandes aufgebracht wird. Mit einem Laser
verhältnismäßig
geringer Energie sind Zuführungsgeschwindigkeiten einzuhalten, die unterhalb von
etwa 2,5 cm pro Minute (1" pro Minute) liegen Mit Lasern höherer Energie können
Zuführungsgeschwindigkeiten bis zu etwa 25 cm pro Minute erreicht werden Für eine
Zuführungsgeschwindigkeit von etwa 2,54 mm pro Minute (0,5 " pro Minute) kann mit
einer Lasereinrichtung, welche 220 Watt liefert, ein Siliziumband mit einer Dicke
von etwa 0,25 mm (0,01 in monokristallines Silizium umgewandelt werden.
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Um die Zuführungsgeschwindigkeit auf etwa 25,4 mm pro Minute 1 ")
" pro Minute) anzuheben, wurde eine Energie von etwa 500 Watt erforderlich sein
Gemäß der Erfindung kann ein polykristallines Halbleiterschichtmaterial direkt in
monokristallines Halbleiterschichtmaterial umgewandelt werden, ohne daß die Notwendigkeit
besteht, eine träge Atmosphäre zu verwenden. Auf diese Weise ist eine rasche, wirtschaftliche
Eerstellung von monokristallinen Halbleiterschichten oder Halbleiterblechen möglich,
welche zur Herstellung von Silizium-Solarzellen und anderen Halbleltereinrichtungen
geeignet sind Es könnte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anstatt
einer Laserstrahlenquelle auch eine Quelle für Hochfrequenzimpulse verwendet werden,
um die Siliziumbänder aufzuheizen.
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Patentansprüche