DE2837775A1 - Verfahren zum kontinuierlichen aufbringen von kristallinem silicium in form eines duennen films auf ein graphitiertes substrat - Google Patents

Verfahren zum kontinuierlichen aufbringen von kristallinem silicium in form eines duennen films auf ein graphitiertes substrat

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DE2837775A1 DE19782837775 DE2837775A DE2837775A1 DE 2837775 A1 DE2837775 A1 DE 2837775A1 DE 19782837775 DE19782837775 DE 19782837775 DE 2837775 A DE2837775 A DE 2837775A DE 2837775 A1 DE2837775 A1 DE 2837775A1
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Description

PATENTANWALT DR. HÄNS-GUNTHER EGGERT1 DIPLOMCHEMIKER
5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 *% Q "%Ίί H "H *i - 5 -
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von kristallinem Silicium, das n- oder p-dotiert oder undotiert ist, in Form von dünnen Filmen auf graphitierte Substrate.
In der Elektronikindustrie verwendet man häufig Vorrichtungen wie Transistoren, Photozellen, Mikroschaltkreiser bei denen kristallines Silicium auf der Oberfläche eines graphitierten Körpers, allgemein als Substrat bezeichnet, in Form eines dünnen Films aufgebracht ist.
Bisher war kein zufriedenstellendes Verfahren zum Beschichten von Graphit mit kristallinem Silicium in Form eines regelmässigen und .dünnen Films, der zusätzlich noch eine geeignete Stärke in der Größenordnung von 3oo μπι aufweist, bekannt.
Es ist bekannt, bestimmte Verbindungen wie solche des SiIiciums in der Dampfphase auf verschiedene Substrate beispielsweise Saphir, Spinell und Graphit abzulagern.
Dieses Verfahren ermöglicht es nur, sehr dünne Filme in der Größenordnung von 1 bis 1o μπι aufzubringen. Ein anderes Verfahren, das als Diffusionsverfahren bezeichnet wird, besteht darin,, den kristallinen Körper auf die Oberfläche des Substrats aufzubringen, auf der er kristallisiert. Diese Methode führt ebenfalls zu Filmen, die eine zu geringe Stärke in der Größenordnung von 1 μπι besitzen. Desweiteren ergibt sich im Falle von kristallinen Körpern wie Silicium bei einer derartigen Methode ein systematischer chemischer Angriff von allen Substraten.
909810/0960
Ein neueres Verfahren des LEP, der in dem Artikel "Croissance de couches de silicium polycristallin sur des Substrats en carbone pour application aux cellulose solaires", Seite 191 bis 198 des Berichtes des Kolloquiums über Sonnenenergie vom 1. bis 5. März 1976 in Toulouse beschrieben ist, betrifft das Aufbringen von Silicium auf ein Graphitsubstrat. Das Verfahren besteht darin, das Graphitsubstrat in ein Siliciumbad einzutauchen und das Substrat in einem bestimmten Winkel zur Horizontalen herauszuziehen. Es ist jedoch schwierig, auf diese Weise eine konstante Stärke der Beschichtung zu erhalten. Es ist ferner schwierig, ein derartiges Verfahren kontinuierlich durchzuführen» Außerdem gehört hierzu, daß eine genügend große Menge an geschmolzenem Silicium in einem Tiegel aufrecht erhalten wird, was teuer ist.
Abgesehen von den vorgenannten Nachteilen ermöglicht es keines der bekannten Verfahren, nebeneinander Schichten von verschiedenen Verbindungen oder verschiedene Zusammensetzungen einer Verbindung aufzubringen. Auch ermöglichen es diese Methoden nicht, einen Film aufzubringen, der eine veränderliche Zusammensetzung aufweist, die sich kontinuierlich oder gemäß einem vorgegebenen Programm ändert. Es ist desweiteren sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, mit den bekannten Methoden eine mehrschichtige Beschichtung aufzubringen, d.h. eine Beschichtung, bei der mehrere Schichten übereinander angeordnet sind. Dagegen kann es interessant sein, Filme vorzusehen, die auf einem graphitierten Substrat abgelagert sind und aus abwechselnden Bändern von n- und p-dotiertem Silicium bestehen, oder aber mehrschichtige Filme, in denen abwechselnd p- und η-dotierte Siliciumschxchten vorhanden sind, oder ferner Filme aus kristallinem Silicium mit kontinuierlich veränderlicher Dotierung.
90 9810/0950
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kontinuierliches Verfahren zum Aufbringen von Filmen aus kristallinem Silicium in einer Stärke in der Größenordnung von 1o bis 1ooo μΐη auf ein graphitiertes Substrat zu schaffen.
Aufgabe der Erfindung ist es weiter, ein Verfahren zu schaffen, das das Aufbringen eines Siliciumfilms mit einer variablen Dotierung auf ein graphitiertes Substrat ermöglicht.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, auf das Substrat nebeneinander Bänder aus Silicium unterschiedlicher Dotierung oder einer Dotierung unterschiedlicher Zusammensetzung aufzubringen.
Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es ermöglicht, in einfacher Weise mehrschichtige Beschichtungen zu erhalten.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen von kristallinem Silicium in dünnen Schichten auf ein graphitiertes Substrat, wobei
a. das kristalline Siliciummaterial in einem Tiegel angeordnet wird, der an seinem unteren Teil eine Kapillaröffnung mit vertikaler Achse aufweist, die eine Höhe größer oder gleich der Rückhaltehöhe des geschmolzenen Materials in der Kapillare bei den in Frage kommenden Temperatur- und Druckbedingungen besitzt,
b. das Material auf eine Temperatur höher als sein Schmelzpunkt gebracht,
c. das vorerhitzte Substrat in Kontakt mit dem herabhängenden Tropfen, der am unteren Teil der Kapillaröffnung gebildet wird, gebracht,
d. das Substrat mit einer geeigneten Geschwindigkeit in einer vorbestimmten konstanten Richtung in einem Winkel, zwischen 0 und 6o° mit der Horizontalen verschoben und
909810/0950
e. in vorgewählten Zeitintervallen das mit dem kristallinen Silicium beschichtete Substrat entfernt wird.
Um das Aufbringen eines Films zu erreichen,, der eine Dotierung mit variabler Zusammensetzung aufweist, genügt es, in vorbestimmter Weise die Dotierung des dem Tiegel zugeführten SiIiciummaterials zu ändern.
Das Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen eines dünnen Films auf ein Substrat, der aus nebeneinander befindlichen Bändern aus Silicium mit verschiedener Dotierung oder einer Dotierung unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet wird, besteht darin, daß
a. jedes Siliciummaterial mit verschiedener Dotierung oder mit einer Dotierung unterschiedlicher Zusammensetzung in bestimmten Tiegeln angeordnet wird, die jeweils an ihrem unteren Teil eine Kapillaröffnung aufweisen, die eine Höhe grosser oder gleich der Rückhaltehöhe der Kapillare bezüglich des Materials hat, das darin in geschmolzenem Zustand bei den in Frage kommenden Temperatur- und Druckbedingungen enthalten ist, wobei die Achsen der Kapillaröffnungen vertikal verlaufen und gleiche Länge besitzen,
b. das Material in jedem der Tiegel auf eine Temperatur höher als der Schmelzpunkt gebracht,
c. das vorerhitzte Substrat in Kontakt mit den herabhängenden Tropfen, die am unteren Teil der Kapillaröffnungen gebildet werden, gebracht,
d. das Substrat mit einer geeigneten Geschwindigkeit in einer vorbestimmten konstanten Richtung verschoben wird, die sich in einer Ebene parallel zu den Achsen der Kapillaröffnungen befindet, und
e. in vorgewählten. Zeitintervallen das mit dem Film aus nebeneinander befindlichen Bändern bedeckte Substrat entfernt wird.
909810/0950
Das Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen eines dünnen vielschichtigen Films aus Silicium auf ein graphitiertes Substrat besteht darin, daß
a. das Siliciummaterial, das für die verschiedenen Schichten bestimmt ist, in bestimmte Tiegel eingebracht wird, von denen jeder an seinem unteren Teil eine Kapillaröffnung aufweist, die eine Höhe größer oder gleich der Rückhaltehöhe des darin in geschmolzenem Zustand bei den in Frage kommenden Temperatur- und Druckbedxngungen enthaltenen Materials besitzt, wobei die Achsen der Kapxllaröffnungen vertikal angeordnet sind,
b. das Material jedes der Tiegel auf seinen Schmelzpunkt erhitzt,
c. das vorerhitzte Substrat in Berührung mit dem herabhängenden Tropfen, der am unteren Teil der Kapillaröffnung des ersten Tiegels gebildet wird, gebracht,
d. das auf diese Weise mit einer ersten Schicht beschichtete Substrat-in einer vorbestimmten Richtung in einem Winkel zwischen 0 und 6o° zur Horizontalen verschoben wird, bis es in Berührung mit dem herabhängenden Tropfen gelangt, der am unteren Teil der zweiten Kapillare gebildet wird,
e. die Bewegung fortgesetzt wird, bis das Substrat in Kontakt mit dem herabhängenden Tropfen gebracht ist, der an der letzten Kapillare gebildet wird, und
f. das auf diese Weise mit mehreren übereinander liegenden Schichten beschichtete Substrat entfernt wird.
Bie Länge 1 der ρ -Kapillare ist definiert durch die Formel
p-1
Xp 1I £!
COS Ct
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wobei oi der Verschiebungswinkel des Substrats mit der Horizontalen und I1 die Länge der ersten Kapillare ist.
Die Vorrichtung, die zum Aufbringen eines kristallinen Körpers in dunner Schicht auf ein Substrat erfindungsgemäß verwendet werden kann, ist beispielsweise in der FR-PS 2 321 326 beschrieben.
Das Ende der Kapillare kann verschiedene geeignete Formen besitzen, etwa solche, wie sie in der FR-PS 2 321 326 beschrieben sind. Die unteren Lippen der Kapillaröffnung können sich auf gleichem horizontalen Niveau oder auch nicht befinden.
Das Vorerhitzen des Substrats wird beispielsweise durch Hochfrequenzinduktion vorgenommen.
Jeder Beschichtungsvorgang findet in einer geeigneten Atmosphäre, beispielsweise unter Argon oder Helium unter Ausschluss von Sauerstoff statt.
Gegebenenfalls kann man einen Keim auf dem Substrat an dem Ende hiervon anordnen, an dem das Beschichten beginnt, mit dem der flüssige herabhängende Tropfen in Berührung gebracht und auf diese Weise der gebildete Kristall der Beschichtung entsprechend dem Keim orientiert wird.
Die Verschiebungsgeschwindigkeit des Substrates liegt zwischen 1 mm/min und 1oo mm/min.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Abbildungen näher erläutert, in denen schematisch das Aufbringen eines Films aus kristallinem Silicium auf ein graphitiertes Substrat gemäß der Erfindung dargestellt ist.
Figur 1 zeigt schematisch das Aufbringen eines Films bei horizontaler Verschiebung des Substrats.
Figur 2 zeigt schematisch das Aufbringen eines Films bei Verschiebung des Substrats in einer Richtung y.
Figur 3 zeigt schematisch das Aufbringen eines Films unter Verwendung eines Keims an dem Ende, an dem mit der Beschichtung begonnen wird, wobei das Substrat horizontal verschoben wird.
In den Figuren 1 bis 3 befindet sich das Material 1 aus kristallinem Silicium in geschmolzenem Zustand in einem Tiegel 2. Das Material tritt durch eine Kapillare 3 aus, um ei-
nen herabhängenden Tropfen zu bilden, der mit einem Substrat 4 in Berührung gebracht wird, das mit Hilfe eines Vorerhitzers 5 vorerhitzt wird. Das Substrat 4 wird in der Richtung y verschoben, wobei ein Film 6 aus kristallinem Silicium hierauf aufgebracht wird.
Gemäß Figur 3 wird ein Keim 7 an dem Ende des Substrats angeordnet, an dem mit der Beschichtung begonnen wird.
Erfindungsgemäß kann man beispielsweise einen Film herstellen, der aus abwechselnden n- und p-dotiertem Silicium oder aus mehreren Schichten von abwechselnden n- und p-dotierten übereinanderliegenden Siliciumschichten oder aus einem Siliciumfilm besteht, der eine Dotierung mit kontinuierlich veränderlicher Zusammensetzung aufweist.
Die mit kristallinem Silicium beschichteten graphitierten Substrate sind der Hauptbestandteil von Phötozellen.
9Q9B10/Q95Q
Beispiel
Beschichtung eines graphitierten Substrats mit hoher Dichte mit Silicium.
Man verwendet einen Graphittiegel,. der ein Mundstück von 25 mm Breite und eine Kapillaröffnung aufweist, deren Bohrung o,7 mm χ 24,5 mm beträgt.
Die Breite des Graphitsubstrats ist 25 mm und seine Stärke etwa 1 mm.
Die Temperatur des flüssigen Siliciums in dem herabhängenden Tropfen beträgt 1425°C + o,5°C.
Man gibt Silicium in Pulverform in einer Menge von 18 g/h zu.
Nachdem das Substrat auf 41o C vorerhitzt, in einem Abstand von o,3 mm unter dem Mundstück angeordnet und in Kontakt mit dem an der Kapillare herabhängenden Tropfen gebracht ist, verschiebt man das Substrat horizontal mit einer Geschwindigkeit von 1 cm/min.
Man erhält auf. dem Substrat eine Beschichtung aus einem SiIiciumfilm mit einer Stärke von o,3 mm + o,o3 mm-

Claims (7)

  1. PATENTANWALT DR. HANS-GUNTHER EGGERT, DIPLOMCHEMIKER
    5 KÖLN 51, OBERLÄNDER UFER 90 *5 ß "ί 7 7 7 ·%
    Köln, den 14. August 1978 96
    Produits Chimiques Ugine Kuhlmann v
    25, Boulevard de l'AmiräT Brüix, 75116 Paris (Frankreich)
    Verfahren zum" kontinuierlichen Aufbringen Von kristallinem Silicium in Form eines dünnen Films auf ein graphitiertes Substrat
    Patentansprüche :
    Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen von kristallinem Silicium in Form eines dünnen Filmes auf ein graphitiertes Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß
    a. das kristalline Siliciummaterial in einen Tiegel eingebracht wird, der an seinem unteren Teil eine Kapillaröffnung mit vertikaler Achse aufweist, die eine Höhe größer oder gleich der Rückhaltehöhe in der Kapillare bezüglich des geschmolzenen Materials bei den in Frage kommenden Temperatur- und Druckverhältnissen besitzt,
    b. das Material auf eine. Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes erhitzt,
    c. das vorerhitzte Substrat in Kontakt mit dem herunterhängenden Tropfen, der am unteren Teil der Kapillaröffnung gebildet wird, zugeführt,
    d. das Substrat mit geeigneter Geschwindigkeit in einer vorbestimmten konstanten Richtung unter einem Winkel zwischen O und 6o° mit der Horizontalen verschoben und
    909810/0950
    e. das mit dem kristallinen Körper bedeckte Substrat in vorgewählten Zeitabständen entfernt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung des in den Tiegel gegebenen Siliciummaterials variiert wird, so daß auf dem Substrat ein dünner Film aus Silicium mit variabler Dotierung erhalten wird.
  3. 3. Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen eines dünnen Films, der aus nebeneinander angeordneten Bändern aus unterschiedlich dotiertem Silicium oder einer Dotierung unterschiedlicher Zusammensetzung besteht, auf einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß
    a. jedes Siliciummaterial unterschiedlicher Dotierung oder einer Dotierung unterschiedlicher Zusammensetzung in verschiedene Tiegel eingebracht werden, die jeweils an ihrem unteren Teil eine Kapillaröffnung aufweisen, die eine Höhe größer oder gleich der Rückhaltehöhe in der Kapillare bezüglich des dort vorhandenen im geschmolzenem Zustand befindlichen Materials bei den in Frage kommenden Temperatur- und Druckbedingungen besitzt, wobei die Achsen sämtlicher Kapillaröffnungen vertikal verlaufen und eine im wesentlichen gleiche Länge aufweisen,
    b. das Material in jedem der Tiegel auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes "gebracht,
    c. das vorerhitzte Substrat in Kontakt mit herabhängenden Tropfen, die am unteren Teil der jeweiligen Kapillaröffnungen gebildet werden, zugeführt,
    d. das Substrat mit einer geeigneten Geschwindigkeit in einer vorbestimmten konstanten Richtung, die sich in einer Ebene parallel zu den Achsen der Kapillaröffnungen befindet, verschoben und
    e. in vorgewählten Zeitinervallen das mit dem Film aus Seite an Seite befindlichen Bändern bedeckte Substrat entfernt wird.
    909810/0950
    283777S
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende des Substrats, an dem das Aufbringen begonnen wird, ein Keim angeordnet wird, der dazu bestimmt ist, den in Filmform gebildeten Kristall zu orientieren.
  5. 5. Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen eines dünnen vielschichtigen Films aus Silicium auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß
    a> das Siliciummaterial, das die verschiedenen Schichten bilden soll, in verschiedene Tiegel eingefüllt wird, die jeweils an ihrem unteren Teil eine Kapillaröffnung aufweisen, die eine Höhe größer oder gleich der Rückhaltehöhe des in dem Tiegel in geschmolzener Form enthaltenen Materials bei den in Frage kommenden Temperatur- und Druckbedingungen besitzt, wobei die Achsen aller Kapillaröffnungen vertikal verlaufen,
    b~.das' Material in jedem der Tiegel auf seinen Schmelzpunkt gebracht,
    c. das vorerhitzte Substrat in Kontakt mit dem herabhängenden Tropfen, der am unteren Teil der Kapillaröffnung des ersten Tiegels gebildet wird, gebracht,
    d. das Substrat zum· Beschichten mit der ersten Schicht in einer vorbestimmten Richtung unter einem Winkel zwischen 0 und 6o° mit der Horizontalen bis zum Inkontaktbringen des herabhängenden Tropfens, der am unteren Teil der zweiten Kapillare gebildet wird, verschoben,
    d. der Vorgang fortgesetzt wird, bis das Substrat mit dem herabhängenden Tropfen in Kontakt steht, der an der letzten Kapillaröffnung gebildet wird, und
    e. das auf diese Weise mit mehreren übereinander liegenden Schichten beschichtete Substrat entfernt wird.
    909810/0950
    -A-
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche' 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit einer Geschwindigkeit zwischen 1 und 1oo mm/min verschoben wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-= kennzeichnet, daß eine Nacherhitzung des mit dem Film beschichteten Substrats vorgenommen wird.
    909810/095
DE2837775A 1977-08-31 1978-08-30 Verfahren zur Herstellung von kristallinem Silicium Expired DE2837775C2 (de)

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