DE3036104A1

DE3036104A1 - Verfahren zum ziehen einer polykristallinen siliciumschicht auf einem substrat

Info

Publication number: DE3036104A1
Application number: DE19803036104
Authority: DE
Inventors: J. Don Minnetonka Minn. Heaps; J. David Burnsville Minn. Zook
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-09-28
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1981-04-16
Also published as: GB2059292A; FR2466856A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ziehen einer polykristallinen Siliciumschicht nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Aus den US-Patentschriften 4 112 135, 4 128 680 und 4 137 355 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Keramiksubstrat mit geschmolzenem Silicium in Kontakt gebracht wird, um auf dem Keramiksubstrat eine Siliciumschicht zu erzeugen. Auf diese Weise kann eine große dünne polykristalline Siliciumflache mit großer Korngröße auf einem billigen Keramiksubstrat gezogen werden, wobei derartige Anordnungen beispielsweise bei Solarzellen Anwendung finden. Bei dem bekannten Verfahren wird die mit Silicium zu beschichtende Fläche des Keramiksubstrates zuerst mit einer Karbonschicht versehen. Hierdurch wird die Benetzung, d. h. die Beschichtung des Substrates mit geschmolzenem Silicium ermöglicht. Im bekannten Fall wird das karbonisierte Substrat senkrecht aus dem geschmolzenen Silicium herausgezogen, wobei die Schnittstelle zwischen geschmolzenem und verfestigtem Silicium eine minimale Länge aufweist. Die Zieh- und Wachstumsgeschwindigkeit der Siliciumschicht ist hierbei ebenfalls minimal.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren in der Weise zu verbessern, daß unter anderem eine erhöhte Wachstumsgeschwindigkeit der Siliciumschicht erzielt werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das vertikale Ziehverfahren gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 1a einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1;

Fig. 2 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Ziehverfahrens;

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Fig. 2a und 2b vergrößerte Ausschnitte aus Fig. 2;

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem durch nicht vertikales Eintauchen eine polykristalline Siliciumschicht auf einem heißen Substrat gebildet wird;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Anordnung

zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 6 und 7 weitere Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 8 die Umgebung des Tripelpunktes zwischen den

drei Phasen flüssig, fest und dampfförmig; und

Fig. 9 den Vorschub der Fest/Flüssig-Schnittstelle.

Im Stand der Technik ist es bekannt, eine Siliciumschicht mit großer Korngröße auf einem Keramiksubstrat zu ziehen, indem die mit Karbon beschichtete Oberfläche des Keramiksubstrates mit geschmolzenem Silicium in Kontakt gebracht wird. Ein spezielles Verfahren zum Inkontaktbringen des Keramiksubstrates mit dem geschmolzenem Silicium ist durch das Eintauch-Beschichtungsverfahren gegeben.

Gemäß Fig. 1 ist das bekannte Verfahren zur Bildung einer polykristallinen Siliciumschicht mit großer Korngröße auf einem Keramiksubstrat dargestellt. Das Keramiksubstrat 10 besitzt eine Oberfläche 11, die mit Karbon beschichtet ist, wobei die mit Karbon beschichtete Oberfläche durch das geschmolzene Silicium 13 benetzt wird. Das Substrat 10 ist in das geschmolzene Silicium eingetaucht und wird nach oben mit einer Geschwindigkeit V herausgezogen. Auf der mit Karbon beschichteten Oberfläche 11 bildet sich eine Siliciumschicht 12, wenn das Substrat aus der Siliciumschmelze herausgezogen wird. Das geschmolzene Silicium wird in einer Kuppe 13a an der mit Karbon beschichteten Oberfläche 11 nach oben gezogen und die Kristallisierung des Siliciums auf dem Substrat tritt in dieser Kuppe entlang

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einer Flüssig/Fest-Schnittstelle 14 auf.

Fig. 1a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1 im Bereich der Flüssig/Fest-Schnittstelle. 14 und diese Figur zeigt ferner durch die Verwendung einer Reihe von Pfeilen den Wärmeflußverlauf aus dem erstarrten Silicium 12. Fig. 1a zeigt, daß die Erstarrung an der Flüssig/Fest-Schnittstelle 14 stattfindet, wobei die Schnittstelle ungefähr einen Winkel von 9 0° mit der Oberfläche 11 bildet. Dieses Ziehverfahren mit einem Schnittstellenwinkel von 90° sei als symmetrisches Ziehverfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren sind die Wärmestrahlungsverhältnisse im wesentlichen symmetrisch, so daß die Wärme von dem Silicium ungefähr zu gleichen Beträgen auf beiden Seiten des Siliciumblättchens abgeführt wird und das Wachstum der Schicht somit symmetrisch erfolgt.

Gemäß Fig. 2 wird das geschmolzene Silicium mit einem bewegten Keramiksubstrat in Kontakt gebracht, das unter einem Winkel θ gegen die Schmelze geneigt ist. Das Substrat 10 wird während des Wachstums der Siliciumschicht warm gehalten, so daß die Flüssig/Fest-Schnittstelle 14 verschwenkt ist und einen kleinen spitzen Winkel θ. mit der gerade gebildeten Siliciumoberflache aufweist. Die Schnittstelle 14 erstreckt sich nahezu parallel zu dieser Oberfläche 1. Diese Verhältnisse gehen in näheren Einzelheiten aus der vergrößerten Darstellung in Fig. 2a hervor.

Ein Vorteil dieser Anordnung im Hinblick auf die erzielbare Geschwindigkeit liegt darin, daß die Schnittstelle mit einer Geschwindigkeit fortschreitet, die sehr viel geringer als die Ziehgeschwindigkeit V ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Wachstumsoberfläche an der Schnittstelle sehr viel größer als die Querschnittsfläche der gebildeten Siliciumschicht ist.

Ein Vorteil dieses asymmetrischen Wachstumskonzeptes im Hinblick auf unerwünschte Verunreinigungen liegt darin, daß bei der geringeren Wachstumsgeschwindigkeit durch den Trennkoeffizienten

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die Verunreinigungen wirksam zurückgedrängt werden, indem sie gegen.die Keramikoberfläche gedrängt werden, wo sie die Leistungsfähigkeit der Solarzelle nicht beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil dieses Konzeptes liegt darin, daß die gewünschte Dotierung mit einem verhältnismäßig geringen Trennkoeffizienten gewählt werden kann. Beispielsweise kann bei einer Dotierung vom p-Typ Aluminium mit einem Trennkoeffizienten von 10 verwendet werden. Bei einem Kristallwachstum nach Czochralski ist dieser Typ von Verunreinigung unerwünscht, da die Verunreinigungen von dem verfestigten Silicium zurückgewiesen werden, so daß die Verunreinigungskonzentration in dem flüssigen Silicium einer Veränderung unterliegt, was zu einer nicht homogenen Dotierung führt.

Bei einer Solarzelle kann diese nicht homogene Dotierung mit Vorteil verwendet werden. Dieser Vorteil rührt von der natürlichen Verunreinigungstrennung. Die obere gerade gewachsene Siliciumoberfläche stellt sich als sehr leicht dotiert heraus und auf Grund der Zurückweisung der Dotierungsatome in Richtung auf das Keramiksubstrat wächst die Verunreinigungskonzentration in Richtung auf das Substrat an. Dies führt zu einem Übergang zwischen hoher und niedriger Verunreinigung an einer zurückversetzten Oberfläche und zu dem sogenannten BSF-Effekt (BSF = back surface field), der in bekannter Weise die Kenngrößen V , J und somit die Leistungsfähigkeit einer Solarzelle erhöht und zu einem rückwärtigen Kontakt mit geringem Widerstand im Basisbereich führt.

Ein nützliches Merkmal dieser Lösung liegt darin, daß durch geringhalten des Winkels θ. die erwünschten und unerwünschten Verunreinigungen nicht in die restliche Siliciumschmelze diffundieren können. Hierdurch wird eine fortschreitende Verunreinigung der Siliciumschmelze auf ein Minimum reduziert.

Ein weiterer nützlicher Vorteil des Kristallziehens mit kleinem Winkel liegt in der Tatsache, daß die Wärmeleitung grundsätzlich

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senkrecht zu den Isothermen erfolgt. Die Isothermen verlaufen parallel zu der Flüssig/Fest-Schnittstelle, wie dies in näheren Einzelheiten in Fig. 2b gezeigt ist. Dadurch muß die Wärme im wesentlichen nur durch die Dicke des Siliciums abgeführt werden. Wie aus Fig. 2b ersichtlich, ist der Winkel θ zwischen der Flüssig/Fest-Schnittstelle und der Oberfläche 1 des verfestigten Siliciums kleiner als der Winkel θ . Die Winkel θ

ss

und θ. sind vorzugsweise in Wirklichkeit sehr viel kleiner zu wählen als sie in der Zeichnung dargestellt sind. Diese verbesserte Wärmeabführung ermöglicht eine erhöhte Wachstums- und Ziehgeschwindigkeit.

Verschiedene Äusführungsbeispiele der asymmetrischen Wachstumstechnik sind in den nächsten drei Figuren der Zeichnungen dargestellt; Gemäß Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines nicht vertikalen Eintauchverfahrens dargestellt, wobei das Keramiksubstrat 10 in geschmolzenes Silicium 13 eingetaucht wird. Beim Zurückziehen des Substrates aus der Siliciumschmelze durch eine Transporteinrichtung 22 ergibt sich längs des Sub- strates eine Ziehgeschwindigkeit V bzw. vertikal zu der Schmelze eine Geschwindigkeit V. Ein asymmetrisches Wachstum tritt auf der mit Karbon beschichteten Substratoberfläche 11 auf, wobei eine polykristalline Siliciumschicht 12 gebildet wird, die die anhand der Figuren 2, 2a und 2b beschriebenen Eigenschaften aufweist. Die asymmetrische Flüssig/Fest-Schnittstelle 14 kann bei diesem Ausführungsbeispiel auftreten, da das Substrat im Bereich der Schnittstelle 14 von unten auf Grund des Eintauchens in das geschmolzene Silicium heiß gehalten wird, so daß der Wärmefluß von der Siliciumschicht im wesentlichen von der oberen Oberfläche der Siliciumschicht 12 nach oben erfolgt. Es sei darauf verwiesen, daß das gleiche asymmetrische Wachstumskonzept bei einem vertikalen Eintauchverfahren verwirklicht werden kann, indem eine Substrat-Heizeinrichtung auf der Rückseite des austretenden Substrates angeordnet wird und indem Kühlschuhe in der Nähe der karbonisierten Vorderseite des Substrates angeordnet werden.

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Gemäß Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des asymmetrischen Wachstumsverfahrens dargestellt, wobei das Substrat 10 mit der karbonisierten Oberfläche 11 nach unten weist und durch eine Transporteinrichtung 22 mit einer Geschwindigkeit V über geschmolzenes Silicium gezogen wird. Die Siliciumschmelze befindet sich in einem länglichen Tiegel 15, wobei sich eine Kuppe von geschmolzenem Silicium nach oben gegen die karbonisierte Oberfläche 11 erstreckt. Die Kuppe aus geschmolzenem Silicium befindet sich in Kontakt mit der Oberfläche 11 des sich bewegenden Substrates, um eine Siliciumschicht 12 auf dem Substrat zu ziehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Substrat-Heizeinrichtung 16 oberhalb des Substrates 10 angeordnet und erstreckt sich bis zu einer Stelle in der Nähe der Verfestigungsstelle, um ein heißes Substrat im Bereich der Flüssig/Fest-Schnittstelle 14 zu bilden, so daß die Schmelzwärme von dem Silicium nach unten abstrahlt, wie dies durch die drei Pfeile angedeutet ist. Da die nach unten gerichtete Außenfläche der .Siliciumschicht die niedrigste Temperatur aufweist, beginnt daher die Kristallisierung an dieser Siliciumoberflache und schreitet nach hinten in Richtung auf das Substrat fort.

Wie bei der Eintauch-Beschichtung hängt die Dicke der mit dem geneigten horizontalen Beschichtungsverfahren gemäß Fig. 4 erzielten Siliciumschicht von der Geschwindigkeit ab, mit der die Wärme von der Schicht weggeführt wird und sie hängt ferner von der Geschwindigkeit ab, mit der die Siliciumschicht wächst. Wenn die thermischen Bedingungen in der Verfestigungszone dergestalt sind, daß die Flüssig/Fest-Schnittstelle in einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche des Substrates wie in Fig. 1a liegt, so sind die Wachstumsgeschwindigkeit der kristallinen Schicht und die Ziehgeschwindigkeit des beschichteten Substrates einander gleich. Der Winkel der Verfestigungsfront kann jedoch wie hier beschrieben in Richtung auf das Substrat verschwenkt werden, indem die thermischen Bedingungen in der Verfestigungszone so geändert werden, daß eine starke Unsymmetrie bezüglich des Wärmeflusses auf beiden Seiten der Siliciumschicht während des

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Wachstums auftritt. Die Heizeinrichtung 16 liefert diesen veränderten thermischen Zustand, so daß die latente Kristallisationswärme durch Wärmeabstrahlung von dem Substrat weggeführt wird. Immer wenn die Ebene der Kristallisationsfront wesentlich von der Senkrechten zu dem Substrat abweicht, kann die Ziehgeschwindigkeit des Substrates wesentlich größer als die kristalline Wachstumsgeschwindigkeit sein.

Gemäß Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des asymmetrischen Ziehverfahrens dargestellt, bei welcher das Keramiksubstrat 10 mit der karbonisierten Oberfläche 11 nach oben gerichtet ist und durch eine nicht näher bezifferte Transporteinrichtung unter einem Tiegel 17 vorbeigezogen wird, der geschmolzenes Silicium auf die Oberfläche des Substrates abgibt. Zur Vorgabe einer starken Unsymmetrie hinsichtlich des Wärroeflusses von beiden Seiten der Siliciumschicht während des Wachstums wird erneut bei diesem Ausführungsbeispiel das Substrat in dem Bereich erwärmt, wo die Verfestigung des Siliciums auftritt. Dies geschieht durch eine Heizeinrichtung 20 unterhalb des Substrates 10, wobei sich diese Heizeinrichtung seitlich nach rechts bis zu einem Punkt unterhalb des Substrates 10 erstreckt, der gegenüber der Stelle liegt, wo die Verfestigung des Siliciums auftritt. Durch drei Pfeile wird die Abführung der latenten Kristallisationswärme angezeigt und es ist erkennbar, daß eine starke unsymmetrie bezüglich des Wärmeflusses von beiden Seiten der Siliciumschicht während des Wachstums erneut erzielt wird.

Obgleich die vorstehende Beschreibung sich mit dem asymmetrischen Ziehverfahren einer Siliciumschicht auf einem Keramiksubstrat befaßt, ist es selbstverständlich, daß andere geeignete Substrate, wie beispielsweise ein Karbonsubstrat ebenso verwendet werden können.

Gemäß den Figuren 6 und 7 ist das grundlegende Konzept einer Vorrichtung dargestellt, welche von einem kalten Substrat beim Wachstum der Siliciumschicht Gebrauch macht. Durch die Verwendung

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des Ausdruckes "kaltes Substrat" sei darauf verwiesen, daß die Temperatur des Substrates in dem Bereich, wo das Ziehen der Siliciumschicht erfolgt, wenige Grade, beispielsweise 5 bis 10⁰C unterhalb des Erstarrungspunktes des Siliciums liegt, so daß das geschmolzene Silicium schnell erstarrt, wenn es mit dem kälteren Substrat in Berührung kommt. So wird gemäß Fig. 6 geschmolzenes Silicium in Kontakt mit einem bewegten Keramiksubstrat 110 gebracht, das in Bezug auf die Siliciumschmelze 113 in der dargestellten Weise unter einem Winkel geneigt ist. Das Substrat 110 wird unter die Temperatur der Schmelze im Bereich der Siliciumschicht bei deren Wachstum abgekühlt, so daß die Flüssig/ Fest-Schnittstelle 114 nahezu parallel zu dem Substrat verläuft, aber einen kleinen spitzen Winkel in Bezug auf die Substratoberfläche aufweist, so daß sich die zuerst mit dem Substrat in Berührung gelangende Flüssigkeit zuerst verfestigt. Die gebildete Siliciumschicht ist homogen, d. h. das Silicium wächst auf dem zuvor verfestigten Silicium.

Ein wichtiger Vorteil des Wachstums auf dem kalten Substrat liegt in der minimalen Berührungszeit zwischen dem Substrat und der Schmelze. Wenn sich die Substrattemperatur an der Stelle, wo das Substrat zuerst mit der Schmelze in Berührung gelangt, unterhalb des Erstarrungspunktes des Siliciums befindet, so wird eine sofortige Verfestigung des Siliciums hervorgerufen. Dies führt zu einer Abbiegung der Flüssig/Fest-Schnittstelle an der vordersten Stelle des festen Siliciums in Richtung auf das Substrat. Wenn diese Abbiegung nicht übertrieben ist, so tritt keine heterogene Kernbildung auf, so daß sich große Kristallisationskerne ergeben. Die Berührungszeit nähert sich in diesem Fall dem Wert Null, so daß im Grenzfall keine Verunreinigungen von dem Substrat in die Schmelze eintreten können, mit Ausnahme jener Verunreinigungen, die durch das verfestigte Silicium hindurchdiffundieren. Somit kann Silicium mit höherem Reinheitsgrad erzeugt werden, was zu Solarzellen mit höherer Leistungsfähigkeit führt. Es sei darauf verwiesen, daß, obgleich die Flüssig/Fest-Schnittstelle an der Vorderfront in Richtung auf das Substrag abgebogen ist, der größte Teil dieser Schnittstelle an den Winkel des

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gekühlten Substrates angepaßt ist, wie dies durch die unten stehende Gleichung (6) definiert ist.

Ein Vorteil dieser Anordnung bezüglich der Geschwindigkeit liegt darin, daß die Schnittstelle mit einer Geschwindigkeit V wächst, welche sehr viel geringer als die Ziehgeschwindigkeit ν ist. Dies ist möglich, da die Wachstumsoberfläche sehr viel größer als die Querschnittsfläche der gebildeten Siliciumschicht ist.

Ein auf das asymmetrische Wachstum zurückzuführender Vorteil liegt in der Tatsache, daß die latente Kristallisationswärme leichter entfernt werden kann. Die Wärmeabführung erfolgt im wesentlichen senkrecht zu den Isothermen. Die Isothermen I verlaufen parallel zu der Flüssig/Fest^Schnittstelle, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Somit muß die Hitze im wesentlichen durch die Dicke der Siliciumschicht zu dem Substrat abgeführt werden. Diese verbesserte Wärmeabführung macht eine erhöhte Ziehgeschwindigkeit möglich. Der Winkel, den das Substrat mit der Oberfläche der Schmelze bildet und der Winkel der Isothermen mit dem Substrat sind beide vorzugsweise kleiner als dies in Fig. 6 dargestellt ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird ein nicht vertikales Eintauchverfahren verwendet, wobei das Keramiksubstrat 110 in geschmolzenes Silicium 113 eingetaucht wird. Durch Zurückziehen des Substrates aus der Siliciumschmelze mittels einer Transporteinrichtung 122 ergibt sich die Bewegungsgeschwindigkeit V in Längserstreckung des Substrates oder eine hierzu senkrechte vertikale Geschwindigkeit V. Ein asymmetrisches Wachstum tritt an der mit Karbon beschichteten Substratoberfläche 111 auf, wobei eine polykristalline Siliciumschicht 112 gebildet wird. Die asymmetrische Flüssig/Fest-Schnittstelle 114' kann bei diesem Ausführungsbeispiel auftreten, da das Substrat in dem Bereich der Schnittstelle 114' von oben durch die Kühleinrichtung 118 gekühlt wird, so daß der Wärmefluß (latente Erstarrungswärme) von der Siliciumschicht im wesentlichen nach oben und durch das Substrat zu der beispielsweise

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durch einen Kühlschuh vorgegebenen Kühleinrichtung erfolgt. Es sei ferner darauf verwiesen, daß das gleiche asymmetrische Wachstumskonzept mit kaltem Substrat bei einem vertikalen Eintauchverfahren verwirklicht werden kann, indem ein Substrat-Kühlschuh in der Nähe der Rückseite des austretenden Substrates angeordnet wird. Diese Kühlung kann durch Strahlung oder Konvektion von oder zu einem Kühlgegenstand erfolgen. Eine Zwangs-Konvektionskühlung, beispielsweise durch einen Heliumgasstrahl kann gewünschtenfalls verwendet werden.

Gemäß Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des asymmetrischen Wachstumsverfahrens mit einem kalten Substrat dargestellt, wobei das Substrat 110 mit der karbonisierten Oberfläche 111 nach unten weist und durch eine Transporteinrichtung 122 mit der durch einen Pfeil angegebenen Geschwindigkeit V über die Oberfläche des geschmolzenen Siliciums bewegt wird. Die Siliciumschmelze befindet sich in einem länglichen Tiegel 115, der eine sich nach oben erstreckende Kuppe aus geschmolzenem Silicium besitzt. Die Kuppe aus geschmolzenem Silicium befindet sich in Konakt mit der Oberfläche 111 des bewegten Substrates, um eine Siliciumschicht 112 auf dem Substrat zu ziehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Substrat-Kühleinrichtung 118 oberhalb des Substrates 110 dargestellt und erstreckt sich bis zu einer Stelle in der Nähe der Verfestigungsschnittstelle, um ein kaltes Substrat im Bereich der Flüssig/Fest-Schnittstelle 114" vorzugeben, so daß die latente Erstarrungswärme von dem Silicium nach oben und durch das Substrat fließt, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Mit der Schnittstellenoberfläche der Siliciumschicht in Nachbarschaft zu dem kalten Substrat auf der niedrigsten Temperatur beginnt somit die Verfestigung an der Oberfläche der Schnittstelle und schreitet von dem Substrat weg.

Wie beim Eintauchverfahren ist die Dicke der erzielten Siliciumschicht bei dem Verfahren gemäß Fig. 7 von der Geschwindigkeit abhängig, mit der die Kristallisationswärme von der Schicht weggeführt wird und sie ist ferner von der Geschwindigkeit abhängig.

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mit der die Schicht wächst. Wenn die thermischen Bedingungen innerhalb der Verfestigungszone dergestalt sind, daß die Flüssig/Fest-Schnittstelle in einer Ebene senkrecht zu der Oberfläche des Substrates liegt, wie dies in Fig. 1a beschrieben wurde, so sind die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristallschicht und die Ziehgeschwindigkeit des beschichteten Substrates einander gleich. Der Winkel der Verfestigungsfront kann jedoch, wie hier beschrieben, so geschwenkt werden, daß diese nahezu parallel zu dem Substrat verläuft, indem die thermischen Bedingungen in der Verfestigungszone so verändert werden, daß eine starke Unsymmetrie in dem Wärmefluß von beiden Seiten der Siliciumschicht während des Wachstums auftritt. Die Heizeinrichtung 116 zusammen mit der Kühleinrichtung 118 schafft diesen veränderten thermischen Zustand, so daß die latente Kristallisationswärme durch Wärmeleitung von dem Substrat weggeführt wird. Immer wenn die Ebene dieser Front wesentlich von der Senkrechten zu dem Substrat abweicht, wird die Ziehgeschwindigkeit wesentlich größer als die kristalline Wachstumsgeschwindigkeit.

Im folgenden sei eine analytische Betrachtung des asymmetrischen Wachstums gegeben. Der Zweck dieser Betrachtung liegt darin, eine vereinfachte thermische Analyse zu geben, durch die gezeigt wird, daß die asymmetrische Wachstumstechnik mit heißem oder kaltem Substrat von der üblichen symmetrischen Wachstumstechnik völlig verschieden ist. Die Analyse basiert auf folgenden Annahmen:

1. Die Flüssig/Fest-Schnittstelle (LSI) ist eine Isotherme. Die Temperatur der Isotherme ist durch die Erstarrungstemperatur T definiert.

2. Die Schnittstelle LSI ist im wesentlichen eben; sie besitzt einen großen Biegungsradius (R > 1 cm). Es kann ein kleiner Bereich (in der Größenordnung von μ) in der Nähe des Tripelpunktes vorliegen, wo eine Krümmung existiert, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.

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3. Die Ziehgeschwindigkeit ν, mit der die wachsende Schicht aus der Schmelze herausgezogen wird, ist größer als 0,05 cm/Sek.

4. Die Wärmeflußdichte J_T in der Flüssigkeit ist klein im Vergleich zu der Wärmeflußdichte J„ in der verfestigten Schicht.

5. Die Wärmeübertragung von der freien Oberfläche wird beherrscht durch die Strahlung nach dem Gesetz von

Der erste Teil der thermischen Analyse dient der Ableitung des Grenzzustandes an der Flüssig/Fest-Schnittstelle. Dieser Zustand ist bestens bekannt; soll aber hier für eine kontinuierliche Analyse hergeleitet werden.

Fig. 9 zeigt den Vorschub der Flüssig/Fest-Schnittstelle während des Schichtwachstums. In einer Zeit t schreitet die feste Schicht um einen Abstand vt weiter. Das im Zeitpunkt t verfestigte Volumen ist durch (vt 1 w) sin Θ. vorgegeben, wobei w der Breite der Schicht (senkrecht zu der Figur) entspricht. Die frei werdende Wärmeenergie ist durch (^ Lvtlw) sin θ. vorgegeben. Diese Wärme muß der Wärme entsprechen, die durch Konduktion gemäß der Gleichung (J --J₁.) Iwt abgeführt wird. Durch

S Xj

Gleichsetzung beider Ausdrücke ergibt sich:

J = J_ + PLv sin Θ.. (1)

S Jj * 1

In dem Grenzfall hoher Geschwindigkeiten ist J_T im Vergleich zu J vernachlässig

dem Ausdruck führt:

zu J vernachlässigbar (siehe obige Annahme 4), was zu folgen

J = ^Lv sin Θ.. (2)

Da die Flüssig/Fest-Schnittstelle eine Isotherme ist (Annahme 1), erfolgt der Wärmefluß senkrecht zu dieser Schnittstelle. Die horizontale Komponente ergibt sich durch J_L · cos Θ., die dem

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- 16 Wärmeverlust an der Grenze Fß¹ T^ gemäß der Annahme 5 ent-

sprechen muß. Somit ergibt sich

dLv sin Θ. cos Θ. =56* T⁴. (3)

Der Wert für Θ. ist somit durch folgenden Ausdruck gegeben:

sin Θ. cos S₁= E⁶^F _ £ (4)

OLv

Mit einem Wert von ν = 0,05 cm/Sek. (Annahme 3) ergibt sich der numerische Wert für & mit ungefähr 0,1, so daß folgendes gilt:

sin θ_± cos B_± = \ sin 2Θ_± = <t< 0,1 (5)

Die vorstehende Gleichung besitzt zwei Lösungen für Θ.: Θ. = 90°- ο und %. = \ entsprechend dem vertikalen Wachstumstyp und dem Wachstum mit hei'ßem Substrat.

6 Wachstum bei heißem Substrat

θ = r
i 90° - <6 symmetrischer Wachstumstyp

Wenn der Wert von Θ. größer als 90° ist, so fließt Wärme zu dem Substrat. Wenn <f benutzt wird, um F. ^&T^, ,Lv zu bestimmen,

c ca/

so besitzt die Gleichung für Θ. zwei Lösungen: Θ. = 90°- ο und

χ ic

Θ. = 180°- ό entsprechend dem vertikalen Wachstumstyp und dem Wachstum mit kaltem Substrat.

180?- ö Wachstum mit kaltem Substrat . _. i 90°- <$_c symmetrischer Wachstumstyp

Der symmetrische Wachstumstyp ergibt sich bei Werten, die geringer als die vorgegebene Grenze sind, da die Wärme von beiden Seiten des Siliciums abgeführt wird. In der Gleichung (7) soll S in Radiant vorliegen. Beispielsweise entspricht ο = 0,1 Radiant einem Wert von O= 5,7° und B^ = 74,3° stellt den

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Winkel dar, den die Flüssig/Fest-Schnittstelle im Tripelpunkt besitzt.

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Leerseite

Claims

HONEYWELL INC. 25. September 19S0

Honeywell Plaza 1007931/8089 Ge

Minneapolis, Minnesota, USA Hz/de

Verfahren zum Ziehen einer polykristallinen Siliciureschicht. auf einem Substrat,

Patentan spräche:

Mj. Verfahren zum Ziehen einer polykristallinen Siliciuxuschicht auf einem Substrat durch Kontakt des Substrates mit geschmolzenem Silicium und durch Hervorrufen einer Relativbewegung zwischen dem Substrat und dem geschmolzenen Silicium, gekennzeichnet durch eine Verschwenkung der Schnittstelle zwischen festem und flüssigem Silicium unter einem spitzen Winkel in Bezug auf die beschichtete Substratfläche (12) und durch eine Beheizung oder Kühlung des Substrates (10) von der nicht beschichteten Seite im Bereich, der Siliciumverfestigung, um einen Wärmefluß in einer Richtung durch das Substrat und die Siliciumschicht zu erzeugen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von mit Karbon (11) beschichtetem Keramik als Substrat (10).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich der Siliciumverfestigung beheizt wird, um einen Wärmefluß in einer Richtung aus dem geheizten Substrat in die Siliciumschicht

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zu bilden, wodurch die Verfestigung der Siliciumschicht außen beginnt und nach innen in Richtung auf das Substrat fortschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (10) in geschmolzenes Silicium eingetaucht und aus der Siüciumschmelze in einer von der vertikalen abweichenden Lage herausgezogen wird, wobei die Aufheizung durch die noch eingetauchte untere nicht beschichtete Schicht erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein länglicher Tiegel (15) zur Aufnahme von geschmolzenem Silicium verwendet wird, daß der Tiegel soweit gefüllt wird, daß sich eine konvexe Kuppe nach oben in Richtung auf das Substrat (10) erstreckt, daß das Substrat die mit Karbon beschichtete Seite auf der der Kuppe benachbarten Unterseite aufweist, daß das Substrat von oben in dem Bereich beheizt oder gekühlt wird, wo das Wachstum der Siliciumschicht auftritt, und daß das Substrat gleichzeitig über die Kuppe aus geschmolzenem Silicium gezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß ein länglicher Tiegel (17) zur Aufnahme von geschmolzenem Silicium verwendet wird, daß der Tiegel einen Schlitz in seinem Boden aufweist, um das Silicium nach unten austreten zu lassen, daß das Substrat mit der mit Karbon beschichteten Seite unter dem Schlitz vorbeigezogen wird und von unten in dem Bereich geheizt wird, wo das Wachstum der Siliciumschicht auftritt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat bei seiner Bewegung vor dem Tiegel von beiden Seiten beheizt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Siliciumverfestigung auf eine Temperatur gekühlt wird, die niedriger

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als der Erstarrungspunkt des Siliciums ist, um einen Wärmefluß in einer Richtung von der Siliciumschicht zu dem gekühlten Substrat zu erzeugen, so daß die Verfestigung der Siliciumschicht an der Substratoberfläche beginnt und nach außen fortschreitet.
9. Mit Silicium beschichtetes Substrat, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Gradienten der Verunreinigungskonzentration, wobei der Verunreinigungspegel von der Außenfläche nach innen in Richtung auf das Substrat wächst.

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