DE2700994C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen von kristallinen Siliciumkörpern - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen von kristallinen SiliciumkörpernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen von langgestreckten, kristalllinen Siliciumkörpern in einer
Inertgasatmosphäre aus der Schmelze nach der EFG-Methode und eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des
Verfahrens.
Zum Züchten von einkristalllinem Silicium werden üblicherweise die Czochralski- oder Zonenschmelzverfahren
angewandt, welche zylindrische Einkristalle erzeugen. Bandförmiges Silicium ist mittels verschiedener
Techniken erzeugt worden. Das dendritische Gespinst-Züchtungsverfahren hat die Verfestigung
einer Siliciumplatte aus einer Schmelzkuppe zur Folge, welche an den Enden durch dünne Dendritc, welche
abwärts in einen stark gekühlten Schmelzenbereich wachsen und am oberen Ende durch eine Grenzschicht
zwischen dem Band und der Schmelze begrenzt sind. Diese dendritische Gespinst-Technik ist ausführlicher
in den Publikationen von S. N. Dermatris u. a. in IEEi; Trans. Commun. and Electronics, Band 82, Seite 94
(1963) und von D. L. Barrett u. a. in J. Elec. Chcm. Soc,
Band 118, Seite 952 (1971) beschrieben. Die Stepanov-Methode benützt ein nicht benetzbares Ziehstück, welches
sich im Kontakt mit der Schmelze befindet, um dem Meniskus die richtige Form für das Band wachstum
zu geben. Dieses Verfahren wurde ausführlich beschrieben von A. v. Stepanov in Zh. Tekh. Fiz. Band 29, Seile
381 (1959) und von J. Boatman u.a. in Elec. Chem. Tech., Band 5, Seite 98 (1967).
Neuer ist die Erfindung einer Technik zum Züchten von Kristallen mit komplex geformten Querschnitten,
bei der die Kapillarwirkung zur Formgebung ausgenutzt wird. Diese Technik wurde zunächst beim Züchten von
Saphirkristallen angewandt und wurde kantendefiniertes filmzugeführtes Wachsen (Edge-defined, Film-fed
Growth (EFG)) genannt. Dieses Verfahren ist seitdem auf viele andere Materialien einschließlich Silicium
angewandt worden. Bei der EFG-Tcchnik wird der Kristall aus einer dünnen geschmolzenen Zone, welche
sich auf der oberen Oberfläche eines Ziehstücks, das mil der Kapillarwirkung arbeitet, befindet, gezogen. Wenn
der Kristall wächst, wird frische Flüssigkeit aus dem Schmelzenreservoir in dem Tiegel durch Kanäle in dem
Ziehstück mittels Kapillarwirkung nachgeliefert. Die äußeren Kanten oder Enden des Oberteils des Ziehstücks
begrenzen den unteren Bereich des Meniskus,
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von dem aus der Kristall wächst, und bestimmen infolgedessen seine Form. Zwar sind zahllose Formen
gewachsen worden, die meisten Arbeiten konzentrieren sich jedoch auf Bänder, Stäbe und Röhren, wobei der
Schwerpunkt eindeutig auf Bändern liegt .Oas Verfahren
ist ausführlicher in den Publikationen von H. E. LaBeIIe, Jr. in Materials Research Bulletin, Band 6,
Seile 581 (1971), von H. F.. LaBeIIe, Jr., T. F. Ciszek in
Materials Research Bulletin, Band 7, Seite 731 (1972), T.
F. Ciszek u. a. in Physical Stat. Sol., Band 27, Seite 231 (1975) und von J. C. Swariz u. a. in Journal Electron
Materials, Band 4, Seite 255 (1975) und im US-Patent 35 91 348 beschrieben.
, Zu den Vorteilen dieser Methode gehören die Eliminierung der Plättchenherstellung nach dem Züchten
bzw. irgendeiner anderen Formung, die Möglichkeit kontinuierlich zu wachsen, eine minimale Segregation
der Lösung und eine hohe lineare Wachstumsgeschwindigkeit. Jedoch hat diese Technik auch Nachteile. Zu
eignisse, weiche zur Zwillingsbildung führen, können eingeteilt werden in Zwillingsbildung während der
Keimbildung und Zwillingsbildung an Oberflächeneinlagerungen.
In der DE-AS 12 86 510 und DE-OS 20 08 410 sind weitere Verfahren zur Herstellung von bandförmigen,
aus Halbleitermaterial bestehenden Einkristallen durch
Ziehen aus einer Schmelze beschrieben. Dabei werden die Einkristalle in einer bestimmten Krisiallrichtung -
ίο bei dem in der DE-AS 12 86 510 beschriebenen Verfahren
handelt es sich dabei um die <110>-Richtung - aus
der Schmelze gezogen. Bei den beiden genannten Verfahren handelt es sich aber nicht um Weiterbildungen
der bekannten EFG-Methode und infolgedessen lösen diese beiden Verfahren nicht die oben angesprochenen
Probleme, welche bei dem EFG-Verfahren auftreten. Anders als bei dem EFG-Verfahren, wird bei den beiden
genannten Verfahren der Siliciumkristall nicht aus dem Oberteil eines Ziehstücks herausgezogen, welches mit-
diesen gehören die Erfordernis eines Ziehstücks, wel- 20 tels mindestens einer Kapillare in dem aus Kohlenstoff
ches nicht reaktiv, unlöslich, dauerhaft und benetzbar
ist, kritische isotherme Kontrollerfordernisse, am oberen Teil des Ziehstücks, eine im allgemeinen schlechte
kristalline Struktur (dies trifft für Silicium zu) und eine geringe Materialdurchsatzrate.
Während des Wachsens von langgestreckten Siliciumkristallen unter Verwendung von Ziehstücken aus Kohlenstoff,
bilden sich kleine Siliciumcarbidkristallite an der Ausmündung des Ziehstücks. Solche Kristallite
oder Siliciumcarbid bestehenden Ziehstück aus einem großen, Siliciumschmelze enthaltenden Ziegel aufgrund
der Kapillarwirkung mit geschmolzenem Silicium versorgt wird. Bei dem EFG-Verfahren tritt infolgedessen
das oben beschriebene von den ausgefällten Siliciumcarbidkriställchen verursachte Problem nicht
auf und deshalb wird auch eine Lösung des geschilderten Problems durch die in den beiden genannten Schriften
beschriebenen Verfahren in keiner Weise nahege-
werden auch schwimmend auf dem Meniskus auf der 30 legt. In den beiden Schriften wird auch nicht auf eine
oberen Oberfläche des Ziehstücks gefunden. Mehr oder weniger häufig verbindet sich solch ein Teilchen mit
dem Siliciumkristall und zerstört auf diese Weise die Perfektion des Kristalls. Ähnliche Beobachtungen werden
gemacht an der Außenseite eines Ziehstücks aus Kohlenstoff, welcher sich im Kontakt mit dem
geschmolzenen Silicium befindet. Kristallite haufen sich an der Ausflußöffnung des Ziehstücks aus Kohlenstoff
an, welches zum Kristallziehen benutzt wird.
durch Zwillingsbildung verursachte Unterbrechung des Einkristallwachstums hingewiesen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Züchten von langgestreckten,
bevorzugt bandförmigen Siliciumkristallen anzugeben, welche sich durch eine glatte Oberfläche, eine geringe
Defektdichte und definierte Abmessungen auszeichnen.
Der Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren der
Der Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren der
Mikrophotographien von solchen kleinen Kristallen, 40 eingangs genannten Art mit dem Merkmal des kenn-
wclche mit dem Rastermikroskop aufgenommen worden sind, deuten daraufhin, daß diese Kristalle gleichachsig
sind und hauptsächlich die (111)- und die (100)-Oberflächcn
zeigen. Die Morphologie dieser Kristalle ist in Übereinstimmung mi! dem Wachstum aus der
flüssigen Phase durch Ausfällung. Einige dieser Krislalle werden in Clusters gefunden, wobei sie aneinandergebunden
sind mit einem sehr begrenzten Bereich, wo ihre Orientierungen identisch sind. Sie sind ein
unerwünschtes Nebenprodukt des Ziehens von SiIiciumbändern.
Rin Problem beim Wachsen von langgestreckten Siliciumkristallen
ist die Zwillingsbildung. Zwillingsbildung bedeutet eine abrupte Rotation um 180° der kristallinen
Atomstruktur auf einer {lll}-Kristallebene. Dieser Effekt unterbricht das Kristallwachstum von
einem Keimkristall aus während der Kristallkernbildungsphase und hat zur Folge, daß nicht ein einkristalliner
langgestreckter Siliciumkörper, sondern ein Körper aus polykristallinem Silicium entsteht.
Die Zwillingsbildung ist ein dominierender Mechanismus während des Kristallwachstums von Siliciumbiindern
und hat einen grol.len Einfluß auf die Perfektion des Bandes. Die Kristallkernbildungsfrequenz von
Zwillingen ist sehr hoch während der anfänglichen Keimbildiingsoperalion und ganz wesentlich geringer
im späteren Stadium, wenn der Kristall mit unverändertem Querschnitt wuchst. Die Kristallkernbildungserzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit dem Merkmal
des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 7.
Die glatte Oberfläche und die geringe Defektdichte beruhen zum Teil darauf, daß durch die Orientierung
des Keimkristalls die Ansammlung von Kristalliten in der Ausmündung des Ziehstücks während des Wachsens
reduziert wird. Außerdem wird durch die Erfindung die durch Zwillingsbildung verursachte Unterbrechung
des Einkristallwachstums während der Kristallkernbildungsphase überwunden. Wird als ursprüngliche
Wachstumsebene eine {110|-Ebene verwendet, so wiederholt sich, wenn Zwillingsbildung auftritt, die
ursprüngliche <110>-Kristallorientierung. Dies erlaubt die Fortsetzung des Kristallwachstums ohne Unterbrechung
und ohne die unerwünschte Bildung von polykristallinem Silicium. Werden Zwillingsebenen erzeugt, so
sind diese parallel zu der <110>-Wachstumsrichtung.
Es ist vorteilhaft, wenn der Keimkristall eine <110>{211>-Orientierung hat und, wenn bandförmige
Siliciumkörper hergestellt werden sollen, außerdem eine {lllJ-Kantenfläche aufweist. {211 !-Orientierung
bedeutet in diesem Zusammenhang die Orientierung der Hauptebene des Keimkristalls. Die genannten
Keimkristallorientierungen sind günstig bezüglich der epitaxialen Beziehung zwischen Silicium und Siliciumcarbid.
Das Ergebnis der Züchtung läßt sich bei der Erzeu-
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gung bandförmiger kristalliner Siliciumkörper noch verbessern, wenn das Oberteil des Ziehstücks eine
abgestumpfte keilförmige Gestalt hat und seine obere, im wesentlichen die abgestumpfte Schneide umfassende
Oberfläche in der Mitte der Schneide am breitesten ist und ihren tiefsten Punkt hat und an den beiden
Enden der Schneide am schmälsten ist und ihre höchsten Punkte hat. Das so ausgebildete Ziehstück trägt zu
einer glatteren Oberfläche des gezüchteten Kristalls dadurch bei, daß gegenüber den bekannten Vorrichtungen,
in denen auch ein mit Kapillarwirkung arbeitendes Ziehstück vorgesehen sind, die Aufnahme von
Siliciumcarbidteilchen, welche sich unter Mitwirkung des normalerweise aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid
bestehenden Ziehstücks bilden, geringer ist. Dieser. insbesondere in der Nähe des mittleren Bereichs des
bandförmigen Kristallkörpers, d. h. in dem von den Seitenkanten am weitesten entfernten Bereich, erwünschte
Effekt, ergibt sich daraus, daß der Abstand zwischen der festflüssigen Grenzfläche, bei der normalerweise ein
ebener Verlauf angestrebt wird und der oberen Oberfläche des Ziehstücks im mittleren Teil des wachsenden
Kristalls größer ist als an den Seitenkanten. Dadurch, daß der mittlere Bereich der oberen Oberfläche des
Ziehstücks breiter ist als die Enden, wird verhindert, daß sich die unterschiedlichen Abstände zwischen
Grenzfläche und Ziehstück so auswirken, daß der wachsende Kristall im mittleren Bereich dünner ist als an den
Seitenkanten.
Um den Querschnitt des wachsenden Kristalls zu steuern, beispielsweise, um einen bandförmigen Kristallkörper
einheitlicher Dicke zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Ziehstücks in einer
sanften Kurve vom tiefsten Punkt zu den höchsten Punkten verläuft oder wenn die Oberfläche in der
Umgebung der Schneidenmitte eben ist und erst in der Nähe der Enden ansteigt.
Es ist vorteilhaft, wenn das Ziehstück aus Kohlenstoff und/oder die Oberfläche des Ziehstücks aus Siliciumcarbid
besteht.
Zur Sicherstellung des kontinuierlichen Zuflusses von Schmelze durch die Kanäle in dem Ziehstück, zur
Herstellung einer homogenen Temperaturverteilung an der flüssigfesten Grenzfläche, zur Beeinflussung der
Dicke des wachsenden Kristalles und zur Herstellung eines Temperaturgradienten in dem wachsenden Kristall
oder auch nur zur Ausführung einzelner dieser Aufgaben ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung Einrichtungen
zur Temperaturbeeinflussung im Ziehstück und/oder in dessen Umgebung enthält. Dabei ist es vorteilhaft,
wenn wenigstens einzelne dieser Einrichtungen zur Temperaturbeeinflussung unabhängig voneinander
in ihrer Heizleistung regelbar sind. Speziell für die Dickenbeeinflussung ist ein Hitzeschild geeignet,
welcher sich von einem Punkt in der Nähe der Oberfläche des Ziehstücks eine Strecke entlang des wachsenden
Siliciumkörpers erstreckt. Für die Herstellung eines dünnen bandförmigen Siliciumkörpers einheitlicher
Dicke ist es vorteilhaft, wenn dieser Hitzeschild im wesentlichen aus zwei parallelen Platten besteht, zwisehen
denen der Körper derart wächst, daß nur ein geringer Abstand zwischen den Platten und dem Siliciumkörper
vorhanden ist.
Zur Temperaturbeeinflussung kann es auch günstig sein, Einrichtungen zum Anblasen der einzelnen
Bereiche der fest-flüssigen Grenzfläche mit unterschiedlichen, kontrollierten Inertgasmengen vorzu-Eine
homogene Temperatur längs der fest-flüssigen Grenzfläche und einen kontrollierten Tempcraturgradienten
entlang dem wachsenden Kristall durch entsprechende Regelung der Einrichtungen zur Temperaturbeeinflussung
aufrechtzuerhalten ist günstig, weil dadurch mechanische Spannungen in dem Kristall
reduziert werden können. Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, die Einrichtungen zur Temperaturbeeinflussung
so zu regeln, daß eine im wesentlichen planarc fest-flüssige Grenzfläche aufrechterhalten wird.
Beim Arbeiten dem dem oben erwähnten aus zwei parallelen Platten bestehenden Hitzeschild lassen sich
in vorteilhafter Weise bandförmige langgestreckte Siliciumkörper mit einer Dicke
<10 μίτι herstellen.
Unerwünschte mit dem Schmelzenmaterial reagierende Gase im Züchtungsbereich lassen sich in vorteilhafter
Weise durch Spülen mit einem Inertgasstrom entfernen.
Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigt
Es zeigt
Fig. 1 eine Gesamtansicht - im wesentlichen im Querschnitt - der Kristallziehvorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung,
F i g. 2 eine Ansicht im Querschnitt der Schmelze, des
Ziehstücks und des Teils der Kristallziehvorrichtung mit den thermischen Modifiziermitteln,
Fign. 3A, 3B und3C Detailzeichnungen einer Form
des Ziehstücks gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Form einer Vorrichtung zum Wachsen eines kontinuierlichen
Siliciumbandes,
Fign. 5A und 5B eine Zeichnung eines thermischen Modifiziermittels bzw. eines Hitzeschildes, welcher
beim Wachsen von dünnen Bändern von kristallinem Silicium nützlich ist,
Fign. 6, 7, 8 und 9 schematische Darstellungen des Verfahrens zum Wachsen langgestreckter Kristalle
gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 eine 21mal vergrößerte Mikrophotographie einer Bandoberfläche, so wie sie gewachsen ist unter
Anwendung eines Ziehstücks mit konstantem Meniskus gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 11 eine 21fache Vergrößerung einer Mikrophotographie der Bandoberfläche, so wie sie gewachsen
ist unter Anwendung des Ziehstücks mit dem variablen Meniskus gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fign. 12 und 13 Transmissions-Röntgenstrahl-Topographien
der Zwischenschicht zwischen Keimkristall und aufwachsendem Kristall bzw. eines Bereichs 15 cm
unterhalb der Zwischenschicht bei einer Keimorientierung gemäß dem Stand der Technik und
Fign. 14 und 15 Transmissions-Röntgenstrahl-Topographien
der Zwischenschicht zwischen Keim- und aurwachsendem Kristall bzw. eines Bereichs 15 cm unterhalb der Zwischenschicht bei einer Keimorientierung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt die Vorrichtung, um langgestreckte Siliciumkörper gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
Zu der Vorrichtung gehören ein Quarzrohr 10, in welchem sich die heiße Zone des Ofens befindet. Die:
Wärmequelle für diesen Teil des Ofens ist die Induktionsspule 12, welche mit dem Hochfrequenzgenerator
14 verbunden ist. Innerhalb dieser heißen Zone befindet sich ein Isolator 16 und innerhalb des Isolators Ii>
befindet sich ein leitfähiges Aufnahmegefaß, welches:
den Tiegel 18, die Unterlage 20 des Aufnahmegefäßes; und den Schaftstab 22. auf welchem der unterstützte
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Tiegel befestigt ist, enthält. Innerhalb des Tiegels befindet
sich das geschmolzene Silicium 24 und das aus einem mit geschmolzenem Silicium benetzbaren Material
bestehende Ziefistück 26. Das Ziehstück besteht aus
Kohle oder Siliciumcarbid. Ein (nicht gezeigter) wachsender
Kristall wird durch die Mitte des Teils der Vorrichtung oberhalb des Ziehstücks gezogen, wobei er
unten sliindig nachwächst, und wird durch die Einspannvorrichtung 30 Jur den Keimkristall gehalten,
welche ihrerseits von dem Schaftstab 32 gehalten wird. Gerade oberhalb der heißen Zone des Ofens befindet
sich der wassergekühlte Rohraufbau 40 zum Spülen. Der Wassermantel wird gekühlt, indem Wasser in den
Wassermantel 42 durch das Einlaßrohr 44 hinein- und durch das Auslaßrohr 46 wieder hinausfließt. Mit diescm
Wasserkühlungssystem ist auch eine wassergekühlte Konstruktion 50 zur Dichtung der Enden verbunden,
bei der Wasser durch das Einlaßrohr 54 in den Kühlmantel 52 hinein- und aus diesem durch das Auslaßrohr
56 wieder hinausfließt. Eine ähnliche nicht gezeigte Konstruktion befindet sich unterhalb des
Quarzrohrs 10. Diese Konstruktionen zum Abdichten der Enden erlauben es, gasdichte Verbindungen zu dem
Quarzrohr 10 herzustellen und auch die Enden des Rohrs zu kühlen. Zu dem Absperrventil 60 gehört ein
System zum Spülen mit Inertgasen, wofür ein Einlaßrohr 64 und ein Auslaßrohr 66 vorgesehen sind. Der
Balg aus Kunststoff des Systems 68 ist teilweise unterbrochen gezeichnet und hat in Wirklichkeit eine große
Länge, um es zu ermöglichen, lange kristalline Körper aus Silicium zu züchten. Am oberen Ende des Balgs
befindet sich ein Einlaßrohr 70 zum Einlassen von Inertgas.
Das geschlossene, gasdichte System, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, bewirkt, daß eine reinere Silicium-Schmelze
an der oberen Oberfläche des Ziehstücks vorhanden ist, was dann weiter einen reineren, langgestreckten kristallinen
Körper aus Silicium zur Folge hat. Das Spülen mit Inertgas, wie z. B. Argon, hat die Eigenschaften der
innerhalb der Vorrichtung gezüchteten Siliciumkörper weiter verbessert. Das Gas spült irgendwelche Siliciumoxide
oder Dämpfe von Siliciumcarbid weg, welche die Schmelze verunreinigen und die Perfektion der Kristallkörper,
welche gezüchtet werden, begrenzen können. Das Spülen wird bewerkstelligt, indem das Vakuumabsperrventil
60 durch eine Bewegung seines Schiebers 62 über die Öffnung geschlossen wird, und in dem dann
der Bereich unter dem Ventil evakuiert wird. Inertgas, wie z. B. Argon, wird dann durch das Einlaßrohr 64 in
dem Absperrventil geleitet. Wenn die untere Kammer mit Argon gefüllt ist, wird ein Argon-Auslaß am Boden
der Kammer zu einer Waschfiachc geöffnet. Gleichzeitig
wird der Bereich 68 mit dem Balg aus Kunststoff oberhalb des Absperrventils mit Argon gereinigt,
indem Argon durch das Einlaßrohr 70 und das Auslaßrohr 66 flicSt. Ursprünglich befindet sich der Keimschaftstab
32 in diesem Bereich. Wenn beide Bereiche während einer adäquaten Zeit gereinigt worden sind,
und das Ziehstück sich auf Wachstumstemperatur befindet, wird der Argon-Auslaß 66 oberhalb des
Absperrventils geschlossen und das Absperrventil 60 wird geöffnet. Argon fließt dann von dem Einlaß 70 am
oberen Ende des Balgbereichs und von dem Einlaß 64 am Absperrventil nach unten durch das wassergekühlte
Spülrohr 40, welches den kristallinen Körper, welcher gezüchtet werden soll, umgibt. Vom Unterteil dieses
Spülrohrs kann das Graphitziehrohr 31 gehalten werden. Die ovale Bohrung in dem Ziehrohr 41 veranlaßt
das Spülgas auf dem Verfestigungsbereich am oberen Teil des Ziehstücks aufzuprallen. Das Gas fließt dann
aus dem Boden des Ofens durch eine nicht gezeigte Waschflasche hinaus. Nach der Züchtung wird das Band
in den Balgbereich 68 hinaufgezogen und das Absperrventil 60, 62 wird geschlossen. Der Balgbereich wird
dann geöffnet, um den Siliciumkörper zu entfernen und um für die nächste Züchtung einen neuen Keimkristall
einzusetzen.
Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht der heißen Zone der Vorrichtung zur Herstellung von langgestreckten
kristallinen Körpern aus Silicium. Die aus Quarz bestehende Ofenaußenhaut 10 ist teilweise durch
die Hochfrequenzspule 12, weiche zum Heizen mit dem Hochfrequenzgenerator 14 verbunden ist, umgeben.
Ein Isolator 16 innerhalb des Ziehrohrs umgibt den Tiegel 18, welcher das geschmolzene Silicium 24 enthält.
Der Tiegel 18 steht innerhalb des Aufnahmegefäßes 19, welches seinerseits von der Unterlage 20 getragen ist,
welche sich auf dem Schaftstab 22 befindet. Das Ziehstück 26, welches mindestens eine Kapillare enthält, ist
so positioniert, daß es teilweise in das geschmolzene Silicium 24 eintaucht, und hat ein im allgemeinen abgestumpftes
keilförmiges Oberteil. Das geschmolzene Silicium benetzt das Ziehstück, bewegt sich in die
Kapillare hinein und bewegt sich dann durch Kapillarwirkung bis zur oberen Oberfläche des Ziehstücks 26.
Das Ziehstück wird durch den Halter 27 gehalten. Drei thermische Modifiziermittel - auch als Einrichtungen
zur Temperaturbeeinflussung bezeichnet - sind in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt. Zu den thermischen
Modifiziermitteln gehören ein unterer Hitzeschild 28, ein oberer Hitzeschild 29 und der oberste Hitzeschild
34, welcher im wesentlichen oberhalb seiner horizontalen Oberfläche vertikale Ausdehnungen hat, welche
sich entlang des Wegs des wachsenden Siliciumkörpers erstrecken. Dieser oberste Hitzeschild wird nur benutzt,
wenn es erwünscht ist, einen Siliciumkörper zu erzeugen, welcher eine Dicke in der Größenordnung von
10 iim oder dünner hat. Unter anderen Umständen ist es nicht notwendig, diesen obersten Hitzeschild 34 zu
benutzen.
Sehr dünne Siliciumkörper, z. B. Bänder aus Silicium, sind für einige Anwendungen wie z. B. photoelektrische
Silicium-Solarzellen, sehr erwünscht. Wenn eine ökonomische Erzeugung von elektrischer Energie mit solchen
Bauteilen ermöglicht werden soll, muß die SiIiciummenge,
welche in einem solchen Bauteil verwendet wird, klein sein. Deshalb sind dünne Siliciumplatten
erwünscht, wenn sie direkt in einer solchen Form erhalten werden können, ohne daß Material durch Sägen
oder Polieren vergeudet werden muß. Der oberste Hitzeschild 34 erlaubt die Herstellung von dünnen Siliciumplatten
bis hinunter zu einer Dicke von weniger als 1 μΐη im mittleren Bereich der Siliciumbänder. Der
Hitzeschild, welcher zwei parallele vertikale Platten sehr nahe an der mittleren Portion des wachsenden SiIiciumbandes
hat, erlaubt die Kristallisation und das Ziehen eines solch dünnen Bandes. Der Schild besteht typischerweise
aus Molybdän. Die Struktur dieses Hitzeschildes 34 ist im Detail in den Fign. 5A und 5B
gezeigt.
Wenn es erwünscht ist, Bänder herzustellen, mit einer
Breite, welche 1 cm überschreitet, so ist es notwendig, auf die Einheitlichkeit der Temperatur über die Breite
des wachsenden Kristalls zu achten. Für den Fall, daß Bänder gezüchtet werden sollen, deren Breite 4 cm
überschreitet, so sind unterstützende Heizunes- oder
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ίο
Kühlungstechniken erforderlich, um die gewünschte Temperaturverteilung senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung
an der fest-flüssigen Grenzfläche während des Züchtens sicherzustellen. Eine Möglichkeit,
um dies sicherzustellen, ist der Einsatz von segmentierten Heizungseinrichtungen 36, welche die Anwendung
von unterschiedlichen Hitzemengen an verschiedenen Stellen der oberen Oberfläche des Ziehstücks ermöglichen.
Ein zweites Verfahren besteht darin, den Inertgasfluß in unterschiedlichen kontrollierten Mengen zu
unterschiedlichen Segmenten der Flüssig-Fest-Kristallgrenze
zu leiten, um auf diese Weise die gewünschte Züchtungstemperatur über die Grenzfläche des wachsenden
Körpers aufrechtzuerhalten. Dieses zweite Verfahren ist selbstverständlich ein Kühlungsverfahren.
Probleme, welche auftreten, wenn ein Ziehstück mit einer flachen oberen Oberfläche für das Kristallwachsen
unter Ausnutzung der Kapillarwirkung benutzt wird, beruhen hauptsächlich auf der Tatsache, daß das Ziehstück
fast immer aus Graphit gemacht wird und sich deshalb langsam in dem flüssigen Silicium auflöst. Das
Silicium ist dann mit Kohlenstoff gesättigt und das gesättigte Silicium steigt in dem Kapillarschlitz des
Ziehstücks aufwärts und kommt dann zu dem oberen Bereich, wo das Kristallwachstum stattfindet. Dieser
obere Bereich ist der kälteste Bereich in dem Wachstumssystem. Der überschüssige Kohlenstoff, welcher
in dem gesättigten Silicium sich befindet, wird aus der Lösung ausgeschieden und tritt dabei in der Form
von Siliciumcarbidkristalliten auf, welche dazu neigen, sich auf der oberen Oberfläche des Ziehstücks, wo die
Temperatur niedriger ist als in der Schmelze, zu sammeln. Diese Kristallite in der Nähe der oberen Oberfläche
tendieren dazu, den Schmelzenmeniskus zu stören und dadurch das Band in seiner Oberflächenglätte
uneinheitlich zu machen. Ein anderes auftretendes Problem hängt mit der nahen Nachbarschaft der sich verfestigenden
Grenzschicht zu der oberen Oberfläche des Ziehstücks zusammen. Die Siliciumcarbidteilchen an
der Grenzschicht tendieren dazu, in das Band eingebaut zu werden, was die Erzeugung von Versetzungen und
anderen Defekten zur Folge hat.
Es ist gefunden worden, daß es günstig ist, die Grenzschicht des sich verfestigenden Bandes soweit wie möglich
von der oberen Fläche des Ziehstücks entfernt zu halten. Die Fign. 3 A, 3B und 3C zeigen eine Ausführungsform
eines Ziehstücks, mit welcher dies erreicht wird. Die Fign. 3A, 3B und 3C zeigen die Kapillare 71
im Ziehstück 26 und das Mittelstück 72, welches das Ziehstück 26 zusammenhalt. Die obere Oberfläche 73
des Ziehstücks ist so gekrümmt, daß sie an den Rändern - auch Enden genannt — 74 hoher als in der Mitte ist.
Auf diese Weise ist, wenn die Grenzschicht zwischen festem Kristallkörper und der Flüssigkeit in etwa planar
gehalten werden kann, die Grenzschicht mindestens in ihrem Mittelbereich weiter vom Ziehstück entfernt.
Der Mittelbereich ist besonders kritisch für die Bildung von Defekten in dem Siliciumkörper. Wenn jedoch die
Breite der oberen Oberfläche des Ziehstücks konstant gehalten wird, während diese obere Oberfläche
gekrümmt ist, dann bedeutet die Tatsache, daß die Grenzschicht im mittleren Bereich höher ist, daß der
Meniskus dort auch höher ist und daß folglich der Meniskus im Mittelbereich ganz dünn sein würde. Dies
würde verursachen, daß das Band in seiner Dicke von einem Rand zum anderen sehr unterschiedlich sein
würde. Es würde viel dünner in der Mitte als an den Rändern sein. So sollte sich die obere Oberfläche des
Ziehstücks von den Rändern 74 zum Mittclbereich nicht nur hinunter krümmen, sondern die Oberfläche
muß auch im mittleren Bereich breiter sein uls an den
Rändern 74. Der Meniskus hat dann im Mittclbereich eine breitere Basis. Die breitere Basis kombiniert mit
der größeren Meniskushöhe im Mittelbereich bewirkt eine einheitliche Dicke an der fest-flüssigen Grenzschicht.
Zusammenfassend kann man sagen, daß zwei Dinge für die Form des Ziehstücks wichtig sind, näm-Hch
einmal die Krümmung und zum anderen die Verbreiterung der oberen Oberfläche des Ziehslücks im
Mittelbereich.
Wird das in den Fign. 3 A 3 B und 3C gezeigte Ziehstück
verwendet, ist der Querschnitt des bandförmigen oder anders geformten wachsenden Körpers nicht konzentrisch
mit der oberen Oberfläche des Ziehslücks, wie das bei bekannten EFG-Techniken der Fall ist. Die
obere Oberfläche des Ziehstücks ist in der Mitte bei
dem Mittelstück 72 beachtlich nach außen gewölbt und ist an den Rändern 74 dünn und trotzdem wird ein Band
oder ein anders geformter Kristall mit einer einheitlichen Dicke gezüchtet.
Die Fig.4 zeigt einen kontinuierlichen Züchtungsprozeß für ein Band, bei dem das Band, wenn es wächst,
herausgezogen und dann auf einen Bandzieh- und Aufwickelmechanismus 76, welcher mittels eines Motors ?':
angetrieben werden kann, aufgewickelt wird. Der eigentliche Bandzuchtofen 78 ist ähnlich demjenigen,
welcher in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist, bei dem die heiße Zone bzw. die Züchtungszone 79 typischerweise
mit einer Hochfrequenzheizung 80, welche von einem geeigneten Hochfrequenzgenerator über die Leitungen
81 mit Hochfrequenzleistung versorgt wird, geheizt wird. Es können jedoch auch andere Heizungsarten verwendet
werden. Die Inertgaseinlässe 82 sind auf die fest-flüssige Grenzschicht des Bandes, welches gezogen
und gezüchtet wird, gerichtet. Das Band 83 wird durch die Kühldurchgangsöffnung und die Inertgasausgangsöffnung
84 gezogen und ist dann flexibel genug, um wie gezeigt - auf den Aufwickelmechanismus 76 gewickelt
zu werden. Der Argonstrom aus der Ausgangsöffnung 84 heraus verhindert die Diffusion von Luft in
den Ofen hinein und ermöglicht gleichzeitig die Entfernung des Bandes. Andere Mittel, um das System abzudichten,
wie z. B. ein flüssiges Dichtmittel, durch welches das Band hindurchgeht, könnten auch verwendet
werden.
Das Verfahren zur Herstellung langgestreckter Kristallkörper aus Silicium kann anhand der Fign. 6,7,8
und 9 noch verständlicher beschrieben werden. Bei der in der F i g. 6 gezeigten Formungstechnik unter Ausnützung
der Kapillarwirkung, befindet sich geschmolzenes Silicium 85 in einem Tiegel 86 und darin ist ein für die
Kapillartechnik geeignetes Ziehstück 87 teilweise eingetaucht. Die Flüssigkeit, welche kristallisieren soll,
steigt in einem Kapillarschlitz 88 nach oben bis zur oberen Oberfläche des Ziehstücks 87. Wenn die Flüssigkeit
das obere Ende des Schlitzes erreicht, setzt es seine Bewegung nicht wie in der Fig. 6 gezeigt, fort. Wird
jedoch ein Kristall 90 in den dünnen Schlitz hineingetaucht und beginnt dieser die Flüssigkeit nach oben zu
ziehen, dann ändert sich der Kontaktwinkel der Flüssigkeit mit dem Ziehstück. Der Kontaktwinkel ist derart,
daß die Flüssigkeit sich lateral über die Oberfläche der oberen Oberfläche des Ziehstücks ausbreiten kann, bis
sie die begrenzenden Bänder der oberen Oberfläche des Ziehstücks erreicht. Die Ränder bestimmen den
Umfang des unteren Ansatzes des Schmelzenmeniskus.
27 OO
Die Dicke des bandförmigen Kristalls, welcher wie in der Fig. 6 gezeigt, gezüchtet wird, ist im wesentlichen
gleich der Dicke des oberen Teils des Ziehstücks in der Nähe von dessen Enden, sofern das Ziehstück mit der
gekurvten und in ihrer Breite variierenden Oberfläche verwendet wird. Die Dicke des Bandes ist im wesentlichen
einheitlich, obwohl geringe Dickenschwankungen möglich sind. In dem typischen Fall ist der mittlere
Bereich des Bandes etwas dünner als die Ränder. Die Ränder des Bandes sind in etwa genauso dick, wie die
Randdickc des oberen Teils des Ziehstücks.
F ι g. 7 zeigt einen Querschnitt durch die F i g. 6 in der Mitte des Ziehstücks, bevor der Keimkristall 90 angewandt
wird. Die Kapillare ist nicht durchgehend gezeichnet, weil an dieser Stelle die zwei Hauptteile des
Ziehstücks 87 zusammengehalten werden. Die Fig. 8 zeigt die Verhältnisse an den Rändern, während das
Band wächst und die F i g. 9 zeigt den mittleren Teil des Bandes, während das Band wächst. Man sieht, daß,
obwohl das obere Teil des Ziehstücks an den Enden eng und in der Mitte relativ breit ist, die Banddicke im
wesentlichen einheitlich ist, und zwar, weil die sich ver- und festigende Grenzschicht an den Enden des Ziehstücks
nahe der oberen Oberfläche des Ziehstücks ist, aber in der Nähe der Mitte sich weiter weg von der oberen
Oberfläche des Ziehstücks befindet. Der obere Teil des Meniskus ist etwa ebenso breit wie der untere Teil des
Meniskus in den Endbereichen. Jedoch verengt sich der Querschnitt des Meniskus im mittleren Bereich des
Ziehstücks und des Bandes von einer breiten Basis zu einem schmalen oberen Teil. Durch richtige Wahl der
Krümmung des oberen Teils des Ziehstücks und des Vcrjüngungswinkels der Seiten des Ziehstücks kann ein
optimaler Wert für diese Variation der Breite des oberen Teils des Ziehstücks mit der Position entlang des oberen
Teils des Ziehstücks erhalten werden. Ein wesentlicher Parameter, welches in die Form des Ziehstücks eingeht,
ist der Abstand, welchen die sich verfestigende Grenzschicht von dem oberen Ende des Ziehstücks in der
Nähe des Mittelbereichs hat. Der Abstand der Grenzschicht von der oberen Oberfläche des Ziehstücks kann
durch Variieren der Krümmung der oberen Oberfläche des Ziehstücks richtig eingestellt werden. Der andere
Parameter, welcher dazu benutzt wird, um die Dickenvariation des Ziehstücks entlang seiner oberen Oberfläche
zu bestimmen, ist der Verjüngungswinkel der Seiten des Zichstücks.
Um Bänder mit einer Breite bis zu etwa 3 cm zu züchten, können die äußeren Ränder der oberen Oberfläche
des Ziehstücks, das sind diejenigen Ränder, welche den unteren Teil des Schmelzmeniskus, von welchem das
Band sich verfestigt, einfassen, so betrachtet werden, als
seien sie bestimmt durch den Schnitt eines vertikalen abgestumpften Keils mit dem eingeschlossenen Winkel
Φ, der abgestumpften Dicke Xr und der Breite W mit
einem horizontalen Zylinder mit dem Radius R.
Der Schnitt wird im wesentlichen so gemacht, daß die
Zylinderoberfläche die kurzen Ränder Xe des oberen
Teils des Keils enthält. Das resultierende obere Teil des Ziehstücks ist das in den F i g n. 3 A, 3 B und 3C gezeigte,
wobei Xr die Dicke der oberen Oberfläche an den Enden, X111 die Dicke der oberen Oberfläche im mittleren
Teil, Φ der eingeschlossene Winkel, R der Radius
der Krümmung der oberen Oberfläche, if die Breite des
Ziehstücks und δ die Höhendifferenz zwischen den Enden und dem mittleren Teil sind. Das Oberteil des
Zichstücks vergrößert auf diese Weise allmählich seine Dicke von X. zu X11, und nimmt um den Betrag δ an
Höhe ab, wenn man vom Rand zu der Mitte des Ziehstücks geht.
Das Ziel dieser Form ist es, einerseits einen hohen Schmelzenmeniskus im Mittelbereich zu erhalten, da
eine nahe Nachbarschaft der sich verfestigenden Grenzschicht zu dem oberen Ende des Ziehstücks schädlich
für die Bandperfektion und die Oberflächenglätte ist, und auf der anderen Seite eine nahe Nachbarschaft an
den Enden des Ziehstücks aufrechtzuerhalten, um die Bandbreite zu stabilisieren. Darüber hinaus muß dies
erreicht werden in einem sanften Übergang, um die frühen Stadien der Züchtung von den Abmessungen des
Keims bis zur vollen Breite zu erleichtern.
Die Banddicke ist <Xe. R und Φ sind so gewählt, um
die Werte von Xn, - Xe und von δ für eine erfolgreiche
Bandzüchtung zu optimieren. Diese Parameter sind durch die Gleichungen
2tg
-ι
w \
Φ/2
gegeben.
Experimentell wurde gefunden, daß Werte von δ = 0,8 mm und von Xn, - Xe = 0,6 mm nützlich sind,
um glatte Siliciumbänder zu erzeugen. So wurde beispielsweise ein 25,4 mm breites Ziehstück mit
X, =: 0,51 mm, R = 101,6 mm und Φ = 40° benutzt. Ein
solches Ziehstück produziert Bänder mit einer Dicke <0,5 mm auch dann, wenn der Wert von Xn etwa gleich
1,09 mm beträgt. So ist der Querschnitt des Bandes nicht durch die Ränder des oberen Teils des Ziehstücks
definiert. Wenn die Breite des Ziehstücks größer ist als etwa 3 cm, wird der Mittelbereich von der Höhe δ und
der Breite Xn, etwas ausgedehnt, bevor die Verengung
und der Anstieg zu den Enden der oberen Oberfläche hin beginnt.
Bei der Verfestigung eines Kristallkörpers ist es notwendig, eine einheitliche Temperatur über den Kristall
an der wachsenden Grenzschicht aufrechtzuerhalten. Thermische Spannungen in dem Körper treten auf,
wenn die Variation der Temperatur nicht richtig ist. Aus diesem Grund ist es üblich, thermische Modifiziermittel
bzw. Hitzeschilder mit einem Spalt, dessen Abmessungen sehr nahe der Größe des Kristallkörpers kommen,
d. h. mit nur geringem Spiel an jeder Seite zu benutzen. Ein Schild dieser Art tendiert dazu, die Temperatur
in der Nähe der sich verfestigenden Grenzschicht zu stabilisieren. Thermische Spannungen in
dem Band können durch sauberes Kontrollieren des Temperaturgradienten entlang dem Kristall gemildert
werden. Kleine Temperaturvariationen können auch Probleme dadurch verursachen, indem das Band bis
zum Ziehstück sich verfestigt. Um das Profil in der Nähe der oberen Oberfläche des Ziehstücks sorgfältig in einer
kontinuierlich variablen Weise zu kontrollieren, kann eine segmentierte Heizquelle, welche sich in enger
Nachbarschaft zu der oberen Oberfläche des Ziehstücks befindet und entlang der Länge des Ziehstücks verläuft,
eingebaut werden. Die Heizquelle ist segmentiert und die Segmente werden durch elektrische Anschlüsse
individuell kontrolliert. Es ist dabei möglich, dem thermischen Profil oben an dem Ziehstück die richtige Form
geben.
In den Fign. 10 und 11 ist der mittlere Bereich von
27 OO
Oberflächen zweier Bänder mit 21facher Vergrößerung gezeigt. Beide Bänder wurden unter Verwendung von
25,4 mm breiten Ziehstikien gezogen. Das Band in der Fig. 10 wurde gewachsen unter Verwendung eines
EFG-Ziehstücks mit einer flachen oberen Oberfläche und siner oberen Dicke von 0,5 mm. Das in der Fig. 11
gezeigte Band wurde gezüchtet unter Verwendung eines Ziehstücks, das entsprechend der vorliegenden Erfindung geformt war und wobei R = 101,6 mm, X, =
0,5 mm und Φ - 40° waren. Die Wachstumsgeschwindigkeiten waren etwa 2 cm/min, und beide Ziehstücke
wurden aus demselben Graphittyp hergestellt. Das in der F i ji. 11 gezeigte Band hatte eine wesentlich glattere
Oberfläche und auch eine viel geringere Dichte von in der Oberfläche eingebetteten Siliciumcarbidpartikeln. is
Auf diese Weise wird die Perfektion verbessert und um das Band zu benutzen, muß die Oberfläche nicht so
stark behandelt werden. Metall-Oxid-Halbleiterfeldeflekttninsistoren (MOSFET)- und Solarzellenbauteile
sind erfolgreich in Oberflächen von glatten Bändern, wie sie in der Fig. 11 dargestellt sind, erzeugt worden,
wobei die Oberflächen so wie sie gewachsen sind, verwendet wurden.
Eines der größeren Probleme beim Wachsen von SiIiciumbändem unter Verwendung von Zichstücken aus
Kohlenstoff ist die Zwillingsbildung. Die Zwillingsbildung unterbricht das Einkristallwachstum während der
Kristallkernbildungsphase. Ein Beispiel des Effekts ist in der Fig. 12 gezeigt. In der Fig. 12 ist eine Keimorientierung
<100> {110} benutzt Ahnliche Ergebnisse werden erzielt für
<U1> {110}, <110> {100} und andere
übliche Orientierungen. Für alle diese Orientierungen wurden einkristalline Bänder nicht erhalten. Der
wesentliche, das Einkristallwachstum verhindernde Mechanismus war die unkontrollierte Zwillingsbildung
an allen oktaedrischen {lll}-Ebenen. Möglichkeiten der Zwillingsbildung für verschiedene Wachstumsebenen, wie z.B. (100), 1220) und (111) sind in der
Tabelle I aufgelistet. Eine Erklärung der Millerschen Indizes kann beispielsweise in dem Buch »Introduction
to Solid State Physics« von C. Kittel, zweite Ausgabe 1956, John Wiley & Sons, Inc. New York, N. Y. auf den
Seiten 33-35 nachgelesen werden.
Ursprüngliche
Fläche
Zwillingsbildungsfläche
Neue
Fläche
(111) | (122) |
(Tii) | (122) |
(111) | (122) |
(TTi) | (122) |
(111) | (TT?) |
(Tii) | (HO) |
(111) | (HO) |
(TTi) | (TT4) |
(111) | (TTT) |
(111) | (511) |
(Hl) | (151) |
(TTi) | (115) |
Die Zwillingsbildung erfolgt an den oktaedrischen
Flächen. Vier der acht oktaedrischen Flächen sind aufgelistet Zwei dieser Flächen sind immer parallel zueinander und deshalb gleichwertig. Kontinuierliche
Zwillingsbildung an diesen Flächen wird sofort zu einem Zusammenbruch in der einkristallinen Struktur,
welche sich von dem Keimkristall ausgebreitet hat, fuhren. Die Möglichkeiten sind in der Tabelle I aufgelistet.
Es ist gefunden worden, daß die wichtigste Fläche, welche als fest/flüssige Grenzfläche benutzt werden
kann, die {100} ist, weil die Zwillingsbildung die Orientierung <100>
wiederholt. Wenn die ursprüngliche Keimgrenzfljche (110) ist, dann folgt der Zwillingsbildung an (Tl 1) eine Wiederholung der ursprünglichen
Kristaliorientierung, welche z. B. [110] ist, wie es in der
Tabelle I gezeigt ist
Um Bänder mit einem Minimum an Defekten zu züchten, muß die epitaxiale Beziehung zwischen Silicium und Siliciumcarbid beachtet werden. Es ist gefunden worden, daß Silicium und Siliciumcarbid eine perfekte epitaxiale Beziehung für die
<110> {112} Keimorientierung haben. Nur für diese Orientierung
<110> sind die Siliciumcarbidflächen parallel zu den {110}-Siliciumebenen, während konzentrisch die {1 H)-SiIiciumcarbidfiächen auch parallel zu den {111}-Siliciumflächen sind. I7Ur jede andere Keimorientierung ist die
epitaxiale Beziehung zwischen Silicium und Siliciumcarbid derart, daß eine Zwillingsbildung an allen
oktaedrischen Ebenen aktiviert wird. Die verschiedenen epitaxialen Beziehungen sind in der Tabelle II aufgelistet.
Fläche des
Si-Substrats
Fläche der
SiC-Schicht
(001)
(HO)
(0011)8 | (100)j8 Il | (10O)Si |
(HO)/? | (001 )ß Il | (TlO)Si |
(HO)Ji Il | (TlO)Si | |
(11010 | (HDjS Il | (Hl)Si |
(UM | (1T0)j8 Il | (I TO)Si |
(110)0 Il | (HO)Si | |
(0001)H | (112O)H | (HO)Si |
45 (HD
(Hl)
50
Man nehme beispielsweise eine (OOl)-Siliciumfläche.
Es gibt dann zwei mögliche epitaxiale Beziehungen. Siliciumcarbidschichten können auf einer (001)-SiIiciumfläche in der [001]-Orientierung und auch in der
[110]-Orientierung aufwachsen. Wenn sie in der [001]-Orientierung wachsen, gibt es eine Orientierungsbeziehung, in welcher (lOO)-Siüciumcarbidflächen parallel
zu den (lOO)-Siliciumflächen sind. Im zweiten Fall ist, wenn die Siliciumcarbidschicht in die [llOj-Onentie
rung fällt, die Orientierungsbezjehung derart, daß (001)-
Siliciumcarbid parallel zu der (110)-Siliciumfliiche_und
auch das (HO)-Siliciumcarbid parallel zu dem (HO)-Silicium ist. Betrachtet man die [1 HJ-Siliciumorienticrung, dann kann Siliciumcarbid auch in der [111]-Rich-
tung wachsen und es gibt, wie in der Tabelle Il gezeigt
ist, zwei Möglichkeiten Tür die Siliciumcarbidbezichung. Jedoch kann in einem (lll)-Siliciumsubstrat die
Möglichkeit auftreten, bei der das Siliciumcarbid nicht
27 OO
15
in der kubischen Form ^, sondern in der hexagonalen
Form H aufwächst. Die kubische Form ist in der Tabelle 1) mit β und die hexagonale Form mit H
bezeichnet. Die bevorzugte Keimorientierung zum Züchten von Siliciumbändern ist
<110> {112}, was in s den Fign. 14 und 15 der Fall ist Die Fig. 14 zeigt die
Grenzschicht zwischen Keim und Kristall für diese Orientierung und zeigt an, daß einkristallines
Wachstum mit paralleler Zwillingsbildung erreicht worden ist. Die optimalste Keimkristallorientierung ist in
der Ziehrichtung [011] in der Richtung des Ziehstücks
[01.11, senkrecht zu der Hauptoberfläche des Keims [H2J und senkrecht zu der Kantenfläche des Keims
[Ul]. Die einzigen sichtbaren Defekte sind auf die parallele Zwillingsbildung auf den (lll)-Flächen
zurückzuführen. Dies ist in der obigen Tabelle I beschrieben. Die parallelen Zwillinge sind sehr
niedriger Energie und haben keinen Einfluß auf die Ladungsträgererzeugungslebensdauer. Deshalb wird
eine gute Soiarzellenwirksamkeit erreicht, selbst dann,
wenn solche Zwillingsflächen vorhanden sind. Andere Zwillingsflächen sind von höherer Ordnung und haben
dushalb einen Einfluß auf die Erzeugungslebensdauer. Die F i g. 15 zeigt einen Kristallausschnitt, nachdem ein
15 cm langes Stück gewachsen ist. Auch dieser Ausschnitt enthält nur parallele Zwillingsbildung. Die
Solarzellenwirksamkeit in Gegenwart von paralleler Zwillingsbildung liegt zwischen 8 und 10 Prozent.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
35
40
45
50
55
60
65
Claims (17)
1. Verfahren zum Ziehen von langgestreckten, kristallinen Siliciumkörpern in einer Inertgasatmo-Sphäre
aus der Schmelze nach der EFG-Methode, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz eines aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid bestehenden
Ziehstücks der Keimkristall (90) in der Ziehrichtung in <1 !(»-Orientierung ausgerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß längs der fest-flüssigen Grenzfläche im
wachsenden Kristall eine homogene Temperatur und entlang dem wachsenden Kristall ein kontrollierter
Temperaturgradient aufrechterhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über die Regelung eier Temperatur
im Bereich des wachsenden Kristalls eine im wesentlichen planare fest-flüssige Grenzfläche aufrechterhalten
wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
mittels eines Hitzeschildes (34), welcher sich von einem Punkt in der Nähe der Oberfläche der
Schmelze, aus welcher der Kristall herausgezogen wird, eine Strecke entlang des wachsenden Siliciumkörpers
erstreckt, die Temperatur geregelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bandförmige Siliciumkörper mit einer
Dicke <10 μΐη gezogen werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß
unerwünschte Gase im Zücbtungsbereich durch Spülen mit einem Inertgasstrom entfernt werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem aus Kohlenstoff oder
Siliciumcarbid bestehenden Ziehstück, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall (90) in der
Ziehrichtung <110>-Orientierung hat.
8. Vorrichtung nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall (90) eine
<110>{211}-Orientierung hat.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von bandförmigen
Siliciumkörpern der Keimkristall (90) {111 (-Kantenflächen hat.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil des Ziehstücks
(26, 87) eine abgestumpfte, keilförmige Gestalt aufweist, wobei seine obere, im wesentliehen
die abgestumpfte Schneide umfassende Oberfläche (73) in der M itte der Schneide am breitesten
ist und ihren tiefsten Punkt hat und an den beiden Enden (74) der Schneide am schmälsten ist und
ihre höchsten Punkte hat.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (73) in einer
sanften Kurve vom tiefsten Punkt zu den höchsten Punkten verläuft.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (73) in der
Umgebung der Schneidenmitte eben ist und erst in der Nähe der Enden (74) ansteigt.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
sie Einrichtungen zur Temperaturbeeinflussung im Ziehstück (26) und/oder in dessen Umgebung aufweist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (28,29, 34,
36) zur Temperaturbeeinflussung unabhängig voneinander in ihrer Heizleistung regelbar sind.
35. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hitzeschild (34)
vorgesehen ist, welcher sich von einem Punkt in der Nähe der Oberfläche (73) des Ziehstücks (26) eine
Strecke entlang des wachsenden Siliciumkörpers erstreckt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für die Herstellung eines dünnen,
bandförmigen Siliciumkörpers einheitlicher Dicke der Hitzeschild (34) aus zwei parallelen Platten
besteht.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Einrichtungen zur Temperaturbeeinflussung
Inertgasleitungen vorgesehen sind.
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