DE3404818A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines pn- ueberganges in einem nach dem durchlaufverfahren hergestellten siliziumband - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Erzeugen eines pn-Überganges in einem
• nach dem Durchlaufverfahren hergestellten Siliziumband.
• Die Patentanmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer mindestens einen pn-Übergang enthaltenden Siliziumschicht in einem, durch Aufschmelzen von Silizium auf einem, gegen Silizium resistenten, von Silizium aber benetzbaren Trägerkörper hergestellten Siliziumbandes, wie es insbesondere zur Weiterverarbeitung zu Solarzellen verwendet wird, im Durchlaufverfahren.
• Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 30 10 557 Al bekannt. Dieses Verfahren dient der Herstellung von Flächensilizium bei hohem Durchsatz (1 m2/ min) im kontinuierlichen Betrieb. Dabei wird ein netzförmiger Trägerkörper mit schmelzflüssigem Silizium flächenbeschichtet und bei der Kristallisation des Silizium in das Flächensilizium miteingebaut. Zur Herstellung von Solarzellen aus diesem bandförmigen Flächensilizium ist es erforderlich, im oberflächennahen Bereich (Dicke < 1 m) einen pn-Übergang zu erzeugen.
• Die Erzeugung eines pn-Überganges kann beispielsweise wie in der DE-OS 30 10 557 A7 auf Seite 9 beschrieben, dadurch erfolgen, daß die Schmelzwanne in zwei Hälften geteilt ist, wobei die eine Wannenhälfte mit einer Zuleitung für p-leitendes Silizium, die andere Hälfte mit einer Zuleitung für n-leitendes Silizium versehen ist.
• Durch Benetzung des Trägerkörpers mit den dotierten Schmelzen wird eine Siliziumschicht mit einem pn-Übergang aufgebracht. Mit dieser Vorrichtung läßt sich aber eine Eine andere Möglichkeit, Flächensilizium mit einem pn-Übergang zu versehen, besteht darin, den pn-Übergang in einem separaten Prozeß durch einen Diffusionsprozeß zu erzeugen. Dazu muß das Flächensilizium erst in kleine Flächen - den Solarzellen entsprechend große Stücke -zerteilt, ätzgereinigt und dann für etwa 1 Stunde auf ca.
• 1000°C erhitzt werden. Dadurch kann zwar die Tiefe des pn-Überganges genau eingestellt werden; eine Diffusion im Siliziumband ist jedoch schwer realisierbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, kostengünstig Siliziumbänder für Solarzellen herzustellen; insbesondere soll bereits bei der Herstellung im Durchlaufverfahren der pn-Übergang erzeugt werden.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist, a) im Anschluß an die für die Beschichtung des Trägerkörpers mit Silizium vorgesehene Schmelzkammer ist für die Ableitung der Kristallisationswärme eine Abkühleinrichtung angeordnet, durch die der beschichtete Trägerkörper geführt wird, b) daran ist ein Reaktor für eine epitaktische Beschichtung von Dotierstoff versetztem Silizium aus der Gasphase angeschlossen, der durch einen Kanal gebildet wird, der an sich gegenüberliegenden Seiten je eine, den Abmessungen des mit Silizium beschichteten Trägerbandes angepaßte spaltförmige Öffnung besitzt, durch die das Siliziumband in den und aus dem Reaktor geführt wird, und c) eine mit dem Reaktor verbundene zweite Abkühleinrichtung ist vorgesehen, die ein lineares Temperaturgefälle aufweist und durch die das mit der dotierten epitaktischen Schicht versehene, den pn-übergang aufweisende Siliziumband geleitet wird.
• Durch die Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung wird der Prozeßschritt der Dotierung mit in den Bandherstellungsprozeß einbezogen.
• Besondere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren 1 und 2 im folgenden noch näher erläutert. Dabei zeigt die Figur 1 ein Flußdiagramm, aus dem die Anordnung der einzelnen Einrichtungen, die die erfindungsgemäße Vorrichtung bilden, ersichtlich ist, und die Figur 2 die schematische Darstellung des epitaktischen Beschichtungsreaktors im Schnittbild.
• Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Figur 1: Der Trägerkörper 1 wird zunächst wie in der DE-OS 30 10 557 Al beschrieben, in Pfeilrichtung 2 durch eine, die Siliziumschmelze enthaltende Kammer 3, welche sich auf einer Temperatur von 14300C befindet, geführt und beschichtet. Dieser Prozeß wird im allgemeinen unter Argongas bei Normaldruck durchgeführt (siehe Pfeile 4).
• Unmittelbar an die Beschichtungsvorrichtung 3 schließt sich eine Kühlzone 5 zur Abführung der Kristallisationswärme an; die Temperatur des beschichteten Trägerkörpers la sinkt von ungefährt 14400C auf ungefähr 1100°C ab.
• Zur anschließenden Durchführung der epitaktischen Beschichtung im Reaktor 6 wird die Temperatur des Bandes Ia durch Strahlungsbeheizung (24 in Figur 2) auf etwa 1200"C angehoben und das siliziumhaltige reaktive Gas (11) zusammen mit dem Dotiergas mit dem Band 1a in Kontakt gebracht. Erst im Anschluß an den Epitaxieprozeß (6) durchläuft das Band 1b die Abkühlvorrichtung 7, die mit Argongas (siehe Pfeile 14) gespült wird. Sie besteht in bekannter Weise aus mehreren hintereinander geschalteten Heizern, deren Temperaturen so aufeinander abgestimmt sind, daß das Band Ib ein lineares Temperaturgefälle von 1200 bis 400"C durchläuft und im wesentlichen spannungsfrei der Zerteilung zur Verfügung steht.
• Figur 2: Während des Epitaxieprozesses wird reaktives siliziumhaltiges Gas, zum Beispiel Siliziumtetrachlorid (sich4) mit Wasserstoff als Trägergas mittels einer Zuleitung 11 in einen Kanal 6 eingeleitet, welcher als Beschichtungsraum dient und das sich bewegende Siliziumband la umschließt. Das Gas kommt in Berührung mit dem Siliziumband la, dessen Temperatur durch Strahlungsheizer 24 auf etwa 1200"C gehalten wird. Bei Berührung des Gases mit dem erhitzten Band Ia kommt es zu einer teilweisen Zersetzung des Siliziumtetrachlorids gemäß der Gleichung SiC14 + H2 = SiC12 + 2HC1 2SiC12Ft Si + SiC14 Das freigesetzte Silizium wächst bei Normaldruck, einem Gasfluß von 1 1/min und einem Anteil von 1 % SiCl4 am Gesamtfluß mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Rm/min auf dem Siliziumband la auf. Die Dotierung der Schicht erfolgt durch Beimischung gasförmiger Komponenten, wie zum Beispiel Phosphin (PH) oder Boran (B2H6) in der gewünschten Konzentration.
• Das reaktive Gas wird zusammen mit einem Bruchteil a des Transportgases Wasserstoff durch die Zuleitung 11 dem Reaktionsraum 6 zugeführt und strömt am Siliziumband la entlang. Das Reaktionsgefäß 6 ist aus Quarz. Das Siliziumband 7a wird durch außerhalb des Reaktionsraumes 6 befindliche Strahlungsheizer 24 auf der erforderlichen Reaktionstemperatur gehalten. Die Abschirmbleche 8 dienen dem Zweck, Wärmeverluste zu verringern. Das durch die Reaktion an der Siliziumbandoberfläche (la, Ib) nicht verbrauchte Gas wird zusammen mit den gasförmigen Reaktionsprodukten aus dem Raum 6 durch die Leitung 15 abgeführt.
• Um zu verhindern, daß Reaktionsgase am sich bewegenden Siliziumband (la, Ib) entlang in die anschließenden Teile der Anlage 3, 5, 7 gelangen, wird in das offene Ende 16 des kanalförmigen Reaktionsraumes 6 Wasserstoffgas gedrückt. Dabei entspricht die Menge b des bei 16 zugeführten Wasserstoffgases gerade der Menge, die zusammen mit dem Bruchteil a die für das gewünschte Molverhältnis SiCl4/H2 erforderliche Menge an Wasserstoff ergibt. Das Ausströmen des reaktiven Restgases am entgegengesetzten Ende 17 des Reaktionsraumes 6 in die Kühlzone (5) und in den Beschichtungsraum (3) wird dadurch verhindert, daß man den Druck des Argongases 4 im Beschichtungsraum (3 in Figur 1) etwas höher wählt als den des reaktiven Gasgemisches im Reaktionsraum 6. Argon, das in geringen Mengen in den Reaktionsraum 6 gelangt, wird durch die Leitung 15 mitabgeführt.
• Die Aufwachsrate kann durch die Variation des SiCl4-Anteils am Gesamtgasfluß gesteuert werden. Sie läßt sich aber nicht wesentlich über 2 pm/min steigern, wenn man polykristallines Wachstum vermeiden will. Andererseits hängt die erzeugte Schichtdicke von der Verweilzeit des Siliziumbandes la, Ib im Reaktionsraum 6 ab.
• Bei einer Länge des Reaktionsraumes 1K und einer Bandziehgeschwindigkeit VZ ergibt sich die Verweilzeit zu t = lK/VZ. In einem Ausführungsbeispiel für die Epitaxiebeschichtung beträgt die maximal zur Beschichtung ver- wendbare Länge bei dem hier verwendeten Prinzip des Normaldruck-Kaltwandreaktors und bei einer Beschichtungsbreite von 10 cm etwa 30 cm. Daraus ergibt sich für eine Bandziehgeschwindigkeit VZ = 10 cm/min eine Verweilzeit t = 3 min, für VZ = 60 cm/min eine Verweilzeit von t = 0,5 min. Das bedeutet, daß bei den heute gegebenen Bandziehgeschwindigkeiten von ' 10 cm/min und selbst bei den künftig angestrebten hohen Ziehgeschwindigkeiten (ungefähr 1 m/min) Epi-Schichtdicken in der Größe von einigen m im Durchlaufverfahren (on line Betrieb) herstellbar sind. Für den flachen pn-Übergang mit einer n-leitenden Schicht kann die Schichtdicke sogar unter 1 Rm liegen.
• Einer der Vorteile der Vorrichtung liegt darin, daß der Dotierungsprozeß direkt an den Beschichtungsprozeß des Trägerkörpers, der als Graphitnetz oder graphitiertes Quarzglasnetz vorliegen kann, angeschlossen und die hohe Temperatur, auf der sich das Siliziumband unmittelbar nach der Beschichtung befindet, noch für die Erzeugung des pn-Überganges genützt werden kann. Die Heizer haben lediglich die Aufgabe, Wärmeverluste auszugleichen.
• Die beschriebene Vorrichtung kann bei beliebiger Ziehrichtung angewendet werden. Insbesondere können bei Kippung der in Figur 2 abgebildeten Vorrichtung um 90O auch horizontal laufende Siliziumbänder mit einer dotierten epitaktischen Siliziumschicht belegt werden.
• 10 Patentansprüche 2 Figuren - Leerseite -

Claims (10)

1. Patentansprüche Vorrichtung zum Erzeugen einer mindestens einen pn-Übergang enthaltenden Siliziumschicht in einem, durch Aufschmelzen von Silizium auf einem, gegen Silizium resistenten, von Silizium aber benetzbaren Trägerkörper (1) hergestellten Siliziumband (pa), wie es insbesondere zur Weiterverarbeitung zu Solarzellen verwendet wird, im Durchlaufverfahren, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß a) im Anschluß an die für die Beschichtung des Trägerkörpers (1) mit Silizium vorgesehene Schmelzkammer (3) eine erste Abkühleinrichtung (5) für die Ableitung der Kristallisationswärme angeordnet ist, durch die der beschichtete Trägerkörper (la) geführt wird, b) daran ein Reaktor (6) für eine epitaktische Beschichtung von mit Dotierstoff versetztem Silizium aus der Gasphase angeschlossen ist, der durch einen Kanal gebildet wird, der an sich gegenüberliegenden Seiten je eine, den Abmessungen des mit Silizium beschichteten Trägerbandes (1a, 1b) angepaßte spaltförmige Öffnungen besitzt, durch die das Siliziumband (1a, 1b) in dem und aus dem Reaktor (6) geführt wird, und c) eine mit dem Reaktor (6) verbundene zweite Abkühleinrichtung (7) vorgesehen ist, die ein lineares Temperaturgefälle aufweist und durch die das mit der dotierten epitaktischen Schicht versehene, den pn-Ubergang aufweisende Siliziumband (7b) geleitet wird.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Abkühleinrichtung (5) nach a) aus auf Temperaturen kleiner 1200C geschalteten Heizern besteht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Beheizung des aus Quarz bestehenden Reaktors (6) auf die für die epitaktische Beschichtung vorgesehene Temperatur durch außerhalb des Reaktors (6) angeordnete Strahlungsheizkörper (24) erfolgt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h gek e n n z e i c h n e t , daß die Abkühleinrichtung (7) nach c) aus mehreren, hintereinander geschalteten Heizern mit aufeinander abgestimmtem Temperaturgefälle besteht.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zuführung (11) für das Reaktionsgas und die Ableitung (15) der Restgase unmittelbar in den Beschichtungskanal (6) mündet.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Zuführung (11) für das Reaktionsgas so angebracht ist, daß die Strömungsrichtung (12) des Reaktionsgases entgegengesetzt der Transportrichtung (2) des zu beschichtenden Siliziumbandes (1) läuft.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Wasserstoffzuleitung (16) im Bereich der Reaktionsgaszuleitung (11) vorgesehen ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t r daß die Abkühleinrichtung en (5, 7) nach a) und c) mit einer Argongasversorgung (4, 14) ausgestattet sind.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Reaktorbereich (6) zur Verringerung der Wärmeverluste Abschirmbleche (8) angeordnet sind.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwei Rollen vorgesehen sind, von denen von der einen das zu beschichtende Trägerband (1) abgespult wird, und die andere das zu beschichtende Siliziumband (1b) wieder aufnimmt.