DE3107596A1 - "verfahren zur herstellung von halbleiterscheiben" - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben,
wobei die Halbleiterscheiben aus schraelzflüssigem Halbleitermaterial gewonnen werden.
Halbleiterscheiben werden zumeist dadurch gewonnen, daß Stäbe oder
Blöcke aus Halbleitermaterial in Scheiben zersägt werden. Diese Trenntechnologie ist jedoch mit hohem Verlust an Ausgangsmaterial,
großem Verschleiß an Bearbeitungswerkzeugen und beachtlichem Zeit-
und Kostenaufwand verbunden.
Es wurden daher auch bereits Verfahren vorgeschlagen, Halbleitermaterial
in Form von Bändern aus der Schmelze zu ziehen, wodurch die oben beschriebenen Probleme weitgehend vermieden werden können.
Nachteilig an diesen Verfahren ist jedoch der relativ geringe Materialausstoß aufgrund der verfahrensbedingten geringen Ziehgeschwindigkeiten.
Bei den ebenfalls bereits vorgeschlagenen Verfahren zum schnelleren Auskristallisieren von Bändern ist andererseits die
Kristallstruktur nicht befriedigend.
Weiterhin wurde gemäß DE-OS 29 14 506 bereits ein Verfahren zur direkten
Herstellung von plattenförmigen SiIiciumkristallen mit Kolumnarstruktur
bekannt, nach dem durch ein Düsensystera Kühlgas auf die
Schraelzoberfläche geblasen und damit die Schmelzoberfläche zum Erstarren
gebracht wird. Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr unerwünschten, z.B. dentritischen Kristallwachstums. Ferner
wirken sich die durch den Gasstrom erzeugten Badbewegungen in der Schmelze ungünstig auf die Geometrie und das- Kristallgefüge der
platten aus.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zu entwickeln, das die
Herstellung von Halbleitermaterial in Scheibenform ermöglicht, wo-
bei auf den Umweg der Herstellung von zunächst größeren Einheiten,
wie Bändern, Stäben, Blöcken und dergleichen, verzichtet werden kann und eine geeignete Kristallstruktur der Scheiben bei hohen
Produktionsgeschwindigkeiten erzielt wird.
Erfindungsgeraäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur
Herstellung von Halbleiterscheiben, wobei die Halbleiterscheiben aus schmelzflüssigera Halbleitermaterial gewonnen werden, das gekennzeichnet
ist durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Versehen eines in etwa der Scheibengröße entsprechenden Bereichs
der Schmelzoberfläche mit zumindest einem Impfkristall,
b) Abkühlenlassen des in etwa der Scheibengröße entsprechenden Bereichs der Schmelzoberfläche bis zur Erstarrung, wobei die
Abkühlung zumindest im wesentlichen durch Wärmestrahlungsverlust hervorgerufen wird,, und
c) Entfernen der Scheibe von der Schraelzoberflache.
Es ist bevorzugt, den auszukristallisierenden Bereich der Schmelzoberfläche
mit 1 - 500, insbesondere 10 - 100, Impfkristallen pro
cm zu versehen.
Als Halbleitermaterial wird bevorzugt elementares Silicium eingesetzt.
Andere Beispiele für Halbleitermaterialien sind Germanium, Galliumarsenid u.a.
Bekanntlich müssen schraelzflüssige Halbleitermaterialien vor dem Einfluß der umgebenden Atmosphäre geschützt werden. Entsprechend
wird das erfindungsgemäße Verfahren in geschlossenen Systemen unter Schutzgas oder, falls erwünscht, auch im Vakuum durchgeführt. Als
Schutzgase kommen insbesondere die Edelgase, vor allem Argon, in Betracht.
- r-
In einer derartigen Anordnung wird eine Schmelze aus Halbleitermaterial
bereitet. Als Tiegelmaterial kann jedes Material verwendet werden, das auch bisher zur Bereitung von Halbleiterschmelzen verwendet
wurde - insbesondere Quarz oder Graphit.
Es ist zweckmäßig, Konvektionsströmungen innerhalb der Schmelze weitgehend
zu unterdrücken. Vorteilhafterweise werden deshalb Tiegel eingesetzt,
die zumindest in dem Bereich, in dem die Halbleiterscheibe auskristallisiert wird, relativ flach sind. Typischerweise besitzen
die Tiegel deshalb Wannenform.
Die Beheizung der Tiegel erfolgt zweckraäßigerweise elektrisch, vorteilhaft
ist, wegen der damit zu erzielenden geringen Badbewegungen in der Schmelze, eine Widerstandsheizung.
Die Schraelzoberflache ist zunächst mit Hilfe eines Wärmeschutzschildes
gegen Värneverlust - vor allem Wärmestrahlungsverlust - gegenüber der kälteren Umgebung ge'scivl^zr. Dieser Wärmeschutzschild besteht
im einfachen Fall aus einer über dem Tiegel angeordneten Haube, die über verschließbare Öffnungen (Fenster) verfügt. Geeignete Materialien
für den Wärmeschutzschild sind z.B. Graphitplatten, Graphitfilze, Molybdänbleche und dergleichen.
Die mittlere Temperatur der Schmelze in der Masse liegt in der Nähe
des Erstarrungspunkts des Halbleitermaterials. Als technisch sinnvoll haben sich Abweichungen bis zu + 50 C, bezogen auf den Schmelzpunkt
des sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindlichen Systems, erwiesen. Bevorzugt beträgt die Temperaturabweichung jedoch bis zu
+ 5 °C.
Zur Herstellung einer Halbleiterscheibe wird ein Bereich der Schmelzoberfläche,
der in etwa der Größe und der Form der auszukristallisierenden Scheibe entspricht, mit zumindest einem Impfkristall versehen.
Als Impfkristalle werden dünne Kristallscheibchen aus dem gleichen
Halbleitermaterial eingesetzt, aus dem auch die zu gewinnenden Halbleiterscheiben
bestehen, wobei in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens die Impfkristallscheiben eine Struktur
aufweisen, bei der ihre Grund- und Deckflächen so orientiert sind, daß sie zu den langsam wachsenden Flächen gehören, während die Randflächen
schnell wachsende (schnell sich verschiebende) Flächen sind.
Im Falle des elementaren Siliciums sind demnach die Grund- und Deckflächen
die 1.1.1-Ebenen.
Solche Impfkristalle können durch Umkristallisieren des Halbleitermaterials
in Metallschmelzen erhalten werden. Beispielsweise sind Impfkristalle aus elementarem Silicium der oben beschriebenen, besonders
günstigen Struktur durch Umkristallisieren von elementarem Silicium in Aluminiumschmelzen darstellbar.
Zumeist erfolgt noch eine Nachbehandlung des Impfkristallmaterials
durch Ätzen sowie ggf. Zerkleinern und anschließendes Klassieren.
Die Größe (geraessen als Kantenlänge) der Impfkristalle liegt zwischen
0,02 und 5 ram. Sie bestimmt die Wachstumsgeschwindigkeit der zu gewinnenden
Halbleiterscheiben entscheidend mit. Zur Herstellung von Scheiben mit wenigen Irapfzentren werden am besten Impfkristalle des
oberen beschriebenen Größenbereichs, typischerweise Kristalle von etwa 2 mm Kantenlänge für eine Einkristallplatte, eingesetzt, während
für Platten mit vielen ImpfZentren, z.B. 25 Irapfzentren pro
cm (zur Erzielung einer Kolumnarstruktur) typischerweise Impfkristalle
mit einer Kantenlänge um 0,5 mm verwendet werden. Die Dicke der Impfkristalle beträgt zumeist 0,02 bis 0,2 na·
Die Impfkristalle werden vor ihrer erfindungsgemäßen Verwendung vorzugsweise
einer Ausheiztemperatur im Vakuum unterzogen. Als weitere Maßnahme empfiehlt es sich oftmals, die Impfkristalle elektrisch
aufzuladen, um ein Aneinanderkleben der Impfkristalle zu vermeiden.
Eine Methode des reproduzierbaren Aufbringens von Impfkristallen, sowohl bezüglich deren Anzahl als auch deren Geometrie (bzw. deren
Abstand auf der Schmelzoberfläche untereinander) besteht darin,
die Impfkristalle dadurch zu vereinzeln, daß die gewünschte Menge an Impfkristallen einem Vorrat entnommen wird, in einem Gefäß aufgewirbelt
und ganz oder teilweise auf einem Sieb mit verschließbarem Boden aufgefangen wird. Schließlich werden durch Entfernen
des Siebverschlusses, in der durch das Sieb vorgegebenen Geometrie die Impfkristalle vereinzelt auf die Oberfläche fallengelassen.
Zur Herstellung einer Halbleiterscheibe wird weiterhin einem Bereich
der Schmelzoberflache, der in etwa der Größe und Form der
auszukristallisierenden Scheibe entspricht, Wärme entzogen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein im Wärmeschutzschild
vorgesehenes Fenster geöffnet wird. Das Fenster kann aber auch durch wegschieben eines isolierenden Deckels von einer Öffnung im
Wärmeschutzschild entstehen. Dadurch erleidet ein, von der Größe und der Form des Fensters abhangiger Bereich der Schmelzoberfläche
einen in der Hauptsache durch Wärmestrahlung hervorgerufenen Wärmeverlust.
Die zeitliche Abfolge des Beimpfens und des Abkühlenlassens des auszukristallisierenden
Bereichs der Schraelzoberfläche kann in den folgenden Grenzen variiert werden: die Abkühlung bis zur Kristallisationsteraperatur
muß erfolgt sein, bevor die aufgebrachten Impfkristalle
geschmolzen sind. Andererseits darf die Abkühlung des auszukristallisierenden Bereichs der Schmelzoberfläche vor dem Beimpfen
nicht schon so weit fortgeschritten sein, daß spontanes in diesem Fall oftmals unerwünschtes dentritisches Kristallwachstum
- eintritt. Die Anwesenheit zumindest eines Impfkristalls inner halb des auszukristallisierenden Oberflächenbereichs stellt mithin
ein wesentliches Steuerelement für das erfindungsgemäße Kristallisationsverfahren
dar.
Da der Impfkristallvorrat zweckmäßigerweise außerhalb des Wärmeschutzschildes
angeordnet ist, wird in der Regel folgende zeitliche Abfolge des Beimpfens und Abkühlenlassens des auszukristalli-
sierenden Bereichs der Schraelzoberflache eingehalten: der Abkühlprozeß
wird durch Öffnen eines Fensters und dergleichen im Wärmeschutzschild eingeleitet. Durch die entstandene Öffnung wird nun
zumindest ein Impfkristall auf die Schmelzoberfläche aufgebracht. Anschließend wird die, den Impfkristallvorrat bergende Vorrichtung
von der Öffnung entfernt. Schließlich werden die Abkühlungsmaßnahmen, ggf. unter Intensivierung, fortgesetzt.
Wie bereits oben beschrieben, erfolgt die Abkühlung des auszukristallisierenden
Bereichs der Schmelzoberfläche in der Hauptsache durch Abstrahlung. Die Absorption der Wärmestrahlung erfolgt
im einfachen Fall an der, ggf. gekühlten, Wandung der Apparatur. Es kann jedoch ebenso eine spezielle Kühlvorrichtung, wie beispielsweise
ein Kühlkörper, vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung senkrecht zur Schmelzoberfläche
beweglich, so daß durch Variieren des Abstands von Kühlfläche zu Schmelzoberfläche die Abkühlgeschwindigkeit gesteuert werden kann.
Es ist dabei sinnvoll, dem direkt auf die Schmelzoberfläche zeigenden
Teil der Kühlvorrichtung in etwa die Form und Größe der auszukristallisierenden
Halbleiterscheibe zu geben. Der Bereich der auszukristallisierenden Oberfläche kann auch noch dadurch schärfer definiert
werden, daß eine Kristallisationsform (ein Rahmen), der mit der Kühlvorrichtung verbunden sein kann und die zu gewinnende Scheibe
abbildet, von oben in die Nähe der Schmelzoberfläche gebracht oder in die Schmelze eingetaucht wird. In einer anderen Ausführungsform ist der Rahmen innerhalb der Schmelze angeordnet und taucht
beim Kristallisationsvorgang aus der Schmelze auf·
Der Verlauf der Abkühlung kann durch weitere Malinahmen gesteuert werden, beispielsweise durch zeitliches und räumliches Variieren
der Fenstergröße oder Anbringen von Blechen und Strahlenschirmen.
Eine weitere Abkühlungsmöglichkeit eröffnet sich, nachdem sich bereits
eine feste Schicht auf dem auszukristallisierenden Bereich der Oberfläche gebildet hat, dadurch, daß Inertgas über diesen Bereich
geblasen wird. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, daß im wesentlichen nur die feste Schicht vom Gasstrom erfaßt wird, da
andernfalls ungünstige Badbewegungen in der Schmelze entstehen können.
. 9·
Zur Anpassung der Wärmeabfuhr an das Kristallwachstum ist es weiterhin
vorteilhaft, zusätzliche Heizeinrichtungen in der Nähe der Oberfläche anzubringen, wodurch eine weitere Maßnahme zur Feinregulierung
der Temperaturverhältnisse an der Oberfläche gegeben ist.
Der Kristallisaxionsprozeß wird mithin im wesentlichen durch die folgenden Maßnahmen bzw. Parameter gesteuert:
1. Die Regelung der Heizung der Schmelze in der Masse
2. Aufbringen von Impfkristallen in vorzugsweise definierter Zahl und geometrischer Anordnung im Bereich der auszukristallisierenden
Schneizoberfläche
3. Auswahl der Größe und Dicke der Impfkristalle nach Maßgabe der Anzahl der aufgebrachten Impfkristalle bzw. der
Anzahl der angestrebten Irapfzentren in der Scheibe
4. Abkühlen des auszukristallisierenden Bereichs der Schmelzoberfläcne,
wobei die folgenden Maßnahmen, einzeln oder in Kombination, einerseits die Anpassung der Wärmeabfuhr an
den Kristallisationsprozeß, andererseits die Steuerung des Kristallisationsprozesses ermöglichen:
a) Variieren der Fenstergröße im Wärmeschutzschild
b) Variieren des Abstandes eines Kühlkörpers, welcher der Schraelzoberfläche entgegengehalten wird
c) Bestreichen des bereits in zusammenhängender Schicht auskristallisierten
Bereichs der Schmelzoberfläche durch einen kühlenden Inertgasstrom, insbesondere zur Förderung
des Dickenwachstums und
d) Beheizen der Schmelzoberfläche mit Hilfe oberflächennaher Heizelemente.
-γ.
Zum Austragen der kristallisierten Scheiben können verschiedene Techniken angewandt werden:
So kann beispielsweise die auf der Schraelzoberfläche schwimmende
Scheibe von einem Greifer erfaßt, abgestreift und abgezogen, oder mit einem Stößel über eine Rampe herausgehoben werden. Nach einer
anderen Austragungsmethode wird die kristallisierte Scheibe durch eine in der Schmelze befindliche Hubvorrichtung angehoben.
Eine weitere Austragungsmöglxchkeit besteht darin, die Halbleiterscheibe
an einen Träger, der Teil einer Transporteinrichtung ist, im Laufe des Kristallisationsprozesses anwachsen zu
lassen und den Träger mitsamt der Scheibe von der Schmelzoberfläche
abzuheben. Die Trennung der Scheibe vom Träger erfolgt z.B. durch Herausbrechen mittels eines Stempels oder, vorteilhafterweise mittels
eines Meißels, der hochfrequente Schwingungen ausführt. Weitere geeignete Trennmethoden eröffnen sich durch Abschmelzen der Verbindung
zwischen Scheibe und Träger. Als Trennwerkzeuge sind weiterhin Elektronenstrahl- und Laserlichtquellen geeignet.
Besonders vorteilhaft ist es, den auslcristallisierenden Teil der Schmelze an einzelne Vorsprünge bzw. fingerförmige oder nasenartige
Fortsätze des Trägers anwachsen zu lassen, so daß die Halbleiterscheibe nur in Form schmaler Stege anwächst, wodurch das Ablösen
der Verbindung zwischen Träger und Scheibe erleichtert wird.
Im Falle der Durchführung des Verfahrens unter ausreichendem Inertgasdruck
ist weiter das Ausbringen der Scheibe durch Saugteller und dergleichen gegeben.
Innerhalb aller beschriebenen Verfahrensweisen zum Ausbringen der Halbleiterscheiben ist es zweckmäßig, die Scheiben zunächst schräg
zur Schmelzoberfläche anzuheben und so noch anhaftender Schmelze Gelegenheit zum Ablaufen zu geben. Besonders vorteilhaft ist es, dabei
so vorzugehen, daß während des Ablaufens der Schmelze der Kontakt
der Scheibe zur Schraelzoberfläche nicht vollständig unterbrochen wird, um so die Kohäsion der Schmelze zu nutzen.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine mit einer Transportvorrichtung verbundene Kristallisationsform
aufweist, die mit Vorsprüngen versehen ist.
Diese Vorsprünge sind dafür vorgesehen, daß die auskristallisierende
Scheibe daran anwächst. Die übrigen eintauchenden Teile der Kristallisationsform
werden über der Schmelztemperatur gehalten, so daß dort ein Anwachsen von Halbleitermaterial verhindert wird.
Die Abbildungen 1 bis 5 zeigen Vorrichtungen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
In den ADbildungen 1, 2 und 3 ist jeweils die gleiche Kristallisationseinrichtung
skizziert, wobei drei wesentliche Phasen des Kristallisationsprozesses dargestellt sind. Die Vorrichtungen befinden
sich in einem nichr dargestellten Rezipienten mit Vakuum- und/oder Schutzgassysrem.
Abbildung 1 zeigt den Zustand der Vorrichtung beim Einleiten des Kristallisationsprozesses:
Die Schmelze (l) aus Halbleitermaterial befindet sich in dem wannenförmigen
Tiegel (2), der von dem Tiegelhalter 13) aufgenommen und
durch die Wxderstandshexzelemente (4) auf einer Temperatur etwas oberhalb des Schmelzpunktes gehalten wird. Der Tiegel (2) und die
Heizeinrichtung befinden sich in dem isolierenden System (5)· Über
der Tiegelanordnung ist ein Strahlenschirm (6) und der Wärmeschutzschild (7) angebracht, in dem ein Fenster (8) vorgesehen ist, das
mit einer beweglichen Isolierung (9) verschlossen werden kann. Das Fenster (8) befindet sich über dem auszukristallisierenden Bereich
(lO) der Schmelzoberfläche.
Bevorzugt wird zum Impfen eine bewegliche Impfvorrichtung (ll) in
der Form eines mit Impfkristallen versehenen Siebs verwendet, das, nachdem es gestoßen oder gerüttelt wurde, die Impfkristalle freigibt.
Dieses Sieb ist ebenso wie die Kristallisationsform (12)
beim Beimpfen der Schraelzoberfläche über dem auszukristallisierenden
Bereich (1O) der Schmelzoberfläche angeordnet. Die Kristallisationsform (12) ist ferner mit der Transporteinrichtung
(13) verbunden, die zum Austragen der auskristallisierten Scheibe dient. Zur Steuerung der Temperaturverhältnisse an der Schmelzoberfläche
und ebenso zur Steuerung der Temperatur der Kristallisationsform sind noch Heizelemente (l4) über der Schmelze angeordnet
.
Abbildung 2 zeigt die sich an die gemäß Abbildung 1 skizzierte anschließende
Phase des Kristallisationsvorgangs, soweit sie die Vorrichtung betrifft:
Die Impfvorrichtung (ll) ist entfernt, so daß ein Kühlkörper eingefahren
werden kann, der eine gleichmäßige Abkühlung des auszukristallisierenden Bereichs der Oberfläche bewirkt. Dieser Kühlkörper
weist eine auf den auszukristallisierenden Bereich der Oberfläche zeigende Kühlfläche (15) auf und ist in der Form eines Doppelrohres
(16) mit Isolierung (17) ausgebildet. Die Impfvorrichtung (ll) ist gleichzeitig bis zur Nachchargierungsvorrichtung (l8) für die
Impfkristalle verschoben worden.
Abbildung 3 zeigt die Phase des Austragens der kristallisierten Scheibe (19). Die Kristallisationsform (l2) wird zunächst durch die
Transporteinrichtung (13) schräg angehoben, um anhaftender Schmelze Gelegenheit zum Ablaufen zu geben. Danach wird die Kristallisationsform mitsamt Scheibe in die gemäß Abbildung 3 strichpunktierte
Stellung verbracht, wo die Halbleiterscheibe mit Hilfe des Werkzeugs (20) aus der Form herausgebrochen und schließlich in das Magazin
(21) gegeben wird.
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen im Querschnitt und in Seitenansicht
die Kristallisationsform (12) kurz vor dem Austragen der Scheibe (19). Die Form (12) ist derart im Winkel zur Schmelzoberfläche angehoben,
daß nur noch eine annähernd punktförmige Verbindung zwischen
der Scheibe (19) bzw. der Form (12) der Schmelzoberfläche (lO) be-
-A-. AZ.
steht. Weiterhin wird in den Abbildungen demonstriert, daß die Scheibe nur an nasenartigen bzw. fingerförmigen Vorsprüngen (22)
an der Kristallisationsform angewachsen ist. Dadurch wird erreicht, daß die Halbleiterscheibe nur in schmalen Stegen an die Kristallisationsform
anwächst und so leicht herausgebrochen werden kann. Weiterhin bilden sich zwischen den nasenföraigen Vorsprüngen der
Krisrallisationsform und der Schmelze nur sehr kleine Menisken aus,
so daß auch im Randbereich der Platten nahezu Planparallelität gegeben ist.
Es versteht sich, daß für industrielle Zwecke auch mehrere derartige
Kristallisationsvorricntungen innerhalb eines Rezipienten angeordnet werden können.
Nach dem erfindungsgemälien Verfahren gelinge es, hohe ProduKtionsraten
für Halbleiterscheiben zu erzielen. Der Kristallisationsprozeß für eine Scheibe von ca». 0,4 mm Dicke und einer Fläche von etwa
10 χ 10 cm (diese Dimensionen entsprechen typischen Anwendungen für
derartige Scheiben) ist in einem Zeitraum von etwa 10 bis 100 Sekunden abgeschlossen. Die gewünschte Scheibenform wird auf direktem
Wege erhalten, kostspielige Bearbeitungsvorgänge und Materialverluste entfallen. Ebenso ist der Energiebedarf bei der Produktion
gering, da die Kristallisationsvorgänge quasistationär mit geringen
Wärmeverlusten ablaufen. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ergibt sich dadurch, daß die Kristallisationsvorgänge mit einem
Segregationsvorgang von im Ausgangsmaterial vorhandenen Verunreinigungen ablaufen, so daß an die Reinheit der Ausgangsmaterialien
geringere Anforderungen zu stellen sind.
Beispielsweise wird im Fall der Herstellung von Scheiben aus elementarem
Silicium nach dem erfindungsgemäßen Verfahren polykristallines
Material mit der für Solarzellen besonders günstigen Kolumnarstruktur kostengünstig erhalten. Insbesondere im Hinblick
auf die aktuellen Energieproblerae stellt das Verfahren somit einen entscheidenden Fortschritt auf dem Sektor alternativer
Energiegewinnung dar.
-V-
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels näher erläutert:
a) Herstellung einer polykristallinen Halbleiterscheibe aus elementarem Silicium
Es kommen Vorrichtungen zum Einsatz, wie sie in den Abbildungen 1 bis 5 dargestellt sind. Die Vorrichtungen befinden sich
in einem Rezipienten mit Vakuum- und Schutzgassystem. Der Be-
-2
triebsdruck beträgt 10 bar abs.
triebsdruck beträgt 10 bar abs.
Eine Schmelze elementaren Siliciums mit einem Solarqualität entsprechenden Reinheitsgrad und dem geforderten Zusatz an
Dotierstoffen wird bei einer Temperatur von ca. 1420 C gehalten. Die Schmelze ist gegen Wärmeverlust durch eine Haube
aus Graphit geschützt. Zur Einleitung des Kristallisationsprozesses wird nun ein in der Haube vorgesehenes Fenster eröffnet.
Über das Fenster wird ein mit Impfkristallen versehenes Sieb eingeschwenkt, aus dem durch Rütteln 25 Iepfkristalle
pro cm auf den auszukristallisierenden Bereich der Schmelzoberfläche von 100 χ 100 mm aufgestreut werden.
Der gleichmäßige Abstand der Impfkristalle untereinander wird durch die Geometrie des Siebes vorgegeben.
Bei den Impfkristallen handelt es sich um Scheibchen von ca. 0,05 mm Dicke und etwa 1 mm Länge und Breite. Die Impfkristalle
werden vor ihrer Verwendung im Vakuum ausgeheizt, um sie von oberflächenständigen Verunreinigungen zu befreien.
Nach dem Aufbringen der Impfkristalle wird das Sieb weggeschwenkt und zur Neubeladungsstation verbracht. Gleichzeitig
wird ein Kühlkörper über den auszukristallisierenden Bereich der Schmelzoberfläche gebracht und zur Steuerung des, durch
das Öffnen des Fensters im Wärmeschutzschild eingeleiteten Abkühlprozesses, der Schmelzoberfläche genähert» Die Kristalli
sation erfolgt in ihrer Anfangsphase, ausgehend von den Impfkristallen,
aufgrund des Temperaturgefälles in der Schmelze, in Richtung der Schmelzoberfläche - es bildet sich eine zu-
samraenhängende Kristallschicht. Zur schärferen Abgrenzung
des abzukühlenden bzw. auszukrxstallxsierenden Bereichs der Oberfläche dient die Kristallisationsform, an deren fingerförmigen
Vorsprüngen die zu gewinnende Scheibe anwächst.
Der andauernde Abkühlprozeß fördert nun auch das Dickenwachstum der sich bildenden Kristalle. Nach 25 Sekunden ist
eine Scheibendicke von ca. 0,4 nun erreicht. Die Kristallisationsform
wird nun derart schräg angehoben, daß schließlich nur noch eine Ecke der Kristallisatxonsform mit der
Schmelze in Verbindung steht. Nachdem die, der Scheibe anhaftende Schaelze abgelaufen ist, wird die Scheibe nun vollständig
von der Schmelzoberfläche entfernt und über eine Schwenkvorrichtung, die mit der Kristallisationsform verbunden
ist, über die Magiziniereinrichtung gebracht. Gleichzeitig wurde der Kühlkörper entfernt und schließlich das
Fenster im Wärmeschutzschild geschlossen, um der Schmelze Gelegenheit zur Regeneration zu geben. Durch die Wirkung
der oberflächennahen Heizeinrichtung können ggf. in der
Schmelze schwimmende Kristallstücke aufgeschmolzen werden.
Schließlich wird die gewonnene Scheibe aus der Form mittels eines Stempels herausgebrochen und dem Magazin übergeben.
Die Form geht nun wieder in die Ausgangsstellung (gemäß Abbildung l) zurück.
Damit ist eine Taktfolge zur Herstellung der Siliciurascheibe
abgeschlossen.
Es wird eine Scheibe von 0,38 ram Dicke in einem Format von annähernd 100 χ 100 mm erhalten. Die Scheibe besitzt Kolumnarstruktur
und kann zu einer Solarzelle weiterverarbeitet werden.
-Λ-. /ft-
b) Herstellung von Impfkristallen aus elementarem Silicium
In einem induktionsbeheizten Graphittiegel wird unter Schutzgasatmosphäre
(Argon) elementares Silicium und metallisches Aluminium im Gewichtsverhältnis 2 : 3 bei 1000 C geschmolzen.
Nachdem eine klare Schmelze erhalten wurde, wird allmählich auf eine Temperatur von 65Ο C abgekühlt. Bei diesem
Abkühlprozeß kristallisiert elementares Silicium in Form von Scheibchen aus.
Die gewonnenen Scheibchen werden durch Abzentrifugieren von der ca. 65O C heißen Schmelze getrennt.
Nach dem Abkühlen wird das Kristallisat zerkleinert und mit
Salzsäure geätzt, um noch anhaftendes Aluminium vollständig zu entfernen. Schließlich werden die Kristalle durch Sieben
klassiert und im Vakuum ausgeheizt.
Die nach dieser Methode 'erhaltenen Impfkristalle sind mit
Aluminium dotiert. Dieser Aluminiumgehalt kann bei der
Weiterverarbeitung der erzeugten Scheiben zu Solarzellen
vorteilhaft als Rückseitendotierung eingesetzt werden, während die beim Kristallisationsvorgang obenliegende Seite der Scheibe als Rückseite der Solarzelle verwendet wird.
Aluminium dotiert. Dieser Aluminiumgehalt kann bei der
Weiterverarbeitung der erzeugten Scheiben zu Solarzellen
vorteilhaft als Rückseitendotierung eingesetzt werden, während die beim Kristallisationsvorgang obenliegende Seite der Scheibe als Rückseite der Solarzelle verwendet wird.
Leerseite
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben, wobei die Halbleiterscheiben aus schmelzflüssigem Halbleitermaterial
gewonnen werden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
a) Versehen eines in etwa der Scheibengröße entsprechenden Bereichs der Schmelzoberfläche mit zumindest einem Impfkristall
,
b) Abkühlenlassen des in etwa der Scheibengröße entsprechenden 3ereichs der Schiaelzoberflache bis zur Erstarrung,
wobei die Abkühlung zumindest im wesentlichen durch Wärmestrahlungsverlust hervorgerufen wird, und
c) Entfernen der Scheibe aus der Schmelzoberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet
, daß die Anzahl der Impfkristalle, bezogen
2
auf 1 cm der Oberfläche 1 bis 500 beträgt.
auf 1 cm der Oberfläche 1 bis 500 beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzahl der Impfkristalle, bezogen
2
auf 1 cm der Oberfläche 10 bis 100 beträgt.
auf 1 cm der Oberfläche 10 bis 100 beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch
gekennzeichnet , daß als Halbleitermaterial elementares Silicium eingesetzt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die auskristallisierende
Scheibe an eine Kristallisationsform anwächst.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen
1, 2, 31 ^ und 5, dadurch gekennzeichnet
, daß sie eine mit einer Transportvorrichtung verbundene Kristallform aufweist, die in dornartigen
Vorsprüngen ausläuft.
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Impfkristalle scheibchenförmige
Kristalle eingesetzt werden, deren Grund- und Deckflächen die 1.1.1-Ebenen bilden.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813107596 DE3107596A1 (de) | 1981-02-27 | 1981-02-27 | "verfahren zur herstellung von halbleiterscheiben" |
| IT8150042A IT8150042A0 (it) | 1981-02-27 | 1981-12-30 | Procedimento e dispositivo per laproduzione di piastrine di semiconduttore |
| US06/344,370 US4461671A (en) | 1981-02-27 | 1982-02-01 | Process for the manufacture of semiconductor wafers |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813107596 DE3107596A1 (de) | 1981-02-27 | 1981-02-27 | "verfahren zur herstellung von halbleiterscheiben" |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3107596A1 true DE3107596A1 (de) | 1982-10-21 |
Family
ID=6125987
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19813107596 Withdrawn DE3107596A1 (de) | 1981-02-27 | 1981-02-27 | "verfahren zur herstellung von halbleiterscheiben" |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4461671A (de) |
| DE (1) | DE3107596A1 (de) |
| FR (1) | FR2500854B1 (de) |
| IT (1) | IT8150042A0 (de) |
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| DE3048789A1 (de) * | 1980-12-23 | 1982-07-15 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Hydrostatische verdraengermaschine |
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- 1981-12-30 IT IT8150042A patent/IT8150042A0/it unknown
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1982
- 1982-02-01 US US06/344,370 patent/US4461671A/en not_active Expired - Fee Related
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