DE3520067A1 - Method for producing strip-shaped silicon crystals employing a horizontal pulling direction - Google Patents

Method for producing strip-shaped silicon crystals employing a horizontal pulling direction

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DE3520067A1 DE19853520067 DE3520067A DE3520067A1 DE 3520067 A1 DE3520067 A1 DE 3520067A1 DE 19853520067 DE19853520067 DE 19853520067 DE 3520067 A DE3520067 A DE 3520067A DE 3520067 A1 DE3520067 A1 DE 3520067A1
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Josef Dr.rer.nat. 8137 Berg Grabmaier
Gerhard Dipl.-Phys. 8000 München Hoyler
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Abstract

In a method for the horizontal pulling of silicon strips, in which the support body is at the same time the crystallisation nucleus for the structure of the crystalline silicon strip, that end of the melt (4) which, in the pulling direction (6), is situated in the region of the melting trough rim (5), is subjected to the influence of a divergent electromagnetic field (1, 2, 12, 22, 32, 42), so that a pressure acting in a non-contact manner stabilises the melt meniscus (14). This avoids the melt (4) being dragged across the trough rim (5) by the crystallising layer (3). The method is used in the production of silicon crystals for solar cells. <IMAGE>

Description

Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkri-Method for producing ribbon-shaped silicon crystals

stallen mit horizontaler Ziehrichtung.stalls with horizontal pulling direction.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen, bei dem ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter Trägerkörper in horizontaler oder nahezu horizontaler Richtung tangierend über die in einer Wanne befindliche Schmelze gezogen und mit Silizium beschichtet wird, wobei der Trägerkörper zugleich Kristallisationskeim für den Aufbau des kristallinen Siliziumbandes ist.The invention relates to a method for producing tape-shaped Silicon crystals for semiconductor components, especially for solar cells which is a horizontal support body that is resistant to the silicon melt or almost horizontal direction tangent to the one located in a tub Melt is drawn and coated with silicon, the carrier body at the same time The nucleus for the structure of the crystalline silicon ribbon is.

Ein solches Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 vorgeschlagen. Dabei werden als Trägerkörper und Kristallisationskeimbildner für die Beschichtung in Ziehrichtung parallel laufende Fäden aus Graphit, graphitiertem Quarz oder Siliziumcarbid verwendet und die Schmelzenwanne so dimensioniert, daß ihre Länge mindestens so groß ist wie die Kontaktlänge, die sich aus der Verweildauer und der Ziehgeschwindigkeit ergibt. Die Ziehrichtung wird im Winkel CX; < lOO gegen die Horizontale geneigt eingestellt.Such a method and an apparatus for performing this The method is proposed in German patent application P 34 28 257.2. Included are used as carrier bodies and nucleating agents for the coating in Direction of drawing parallel threads made of graphite, graphitized quartz or silicon carbide used and dimensioned the melt pan so that its length is at least so is as large as the contact length, which results from the dwell time and the pulling speed results. The direction of drawing is at the angle CX; <lOO inclined to the horizontal set.

Ein Problem entsteht dadurch, daß das Abziehen des Kristallbandes in nahezu horizontaler Richtung erfolgen muß.A problem arises from the peeling of the crystal ribbon must be done in an almost horizontal direction.

Dabei kann die Schmelze von der kristallisierenden Siliziumschicht über den Schmelzwannenrand mitgezogen werden.The melt can be removed from the crystallizing silicon layer be pulled over the edge of the melting tank.

Wenn dies geschieht, treten Wachstumsstörungen an der Unterseite der Schicht auf. Außerdem besteht die Gefahr, daß dadurch die Schmelze ausläuft und es deshalb zu einer Unterbrechung des kontinuierlichen Ziehprozesses kommt.When this happens, stunted growth occurs at the bottom of the Layer on. There is also the risk of that thereby the melt runs out and there is therefore an interruption of the continuous drawing process comes.

Darüber hinaus können durch das Auslaufen der Schmelze die Heizeinrichtungen für die Schmelzwanne zerstört werden.In addition, the leakage of the melt can cause the heating devices be destroyed for the melting tank.

Aus einem Bericht von Bates und Jewett aus den Proceedings of the Flat-Plate Solar Array Project Research Forum on the High-Speed Growth and Characterization of Crystals for Solar Cells, 25. bis 27. Juli 1983, Port St. Lucie, Florida, auf den Seiten 297 bis 307, ist bekannt, zur kontinuierlichen Herstellung von Siliziumbändern ohne Trägerkörper mit Geschwindigkeiten bis zu 80 cm/min (sogenanntes LASS-Verfahren = low angle silicon sheet) zur Vermeidung des Mitziehens von Siliziumschmelze Abschabvorrichtungen (sogenannte scraper) aus Quarz zu verwenden (siehe Figur 1 und 2).From a report by Bates and Jewett in the Proceedings of the Flat-Plate Solar Array Project Research Forum on the High-Speed Growth and Characterization of Crystals for Solar Cells, July 25-27, 1983, Port St. Lucie, Florida pages 297 to 307, is known for the continuous production of silicon ribbons without carrier body at speeds of up to 80 cm / min (so-called LASS process = low angle silicon sheet) to avoid the dragging of silicon melt scraping devices (so-called scraper) made of quartz to be used (see Figures 1 and 2).

Nachteile solcher Vorrichtungen sind, daß Quarz bei der hohen Temperatur der Siliziumschmelze (ungefähr 1420"C) nicht formstabil ist. Dazu kommt, daß der Quarz-Scraper im Laufe des Prozesses mit Silizium bedeckt wird und dann keine Barriere für Silizium mehr darstellt.Disadvantages of such devices are that quartz at the high temperature of the silicon melt (approx. 1420 "C) is not dimensionally stable. In addition, the Quartz scraper is covered with silicon in the course of the process and then no barrier represents more for silicon.

Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem ein kontinuierliches horizontales Bandziehen (web-Verfahren) mit hohen Ziehgeschwindigkeiten möglich ist, ohne daß Siliziumschmelze mit der kristallisierenden Schicht über den Schmelzwannenrand hinausgezogen wird.The task on which the invention is based is now to provide a To specify the method in which a continuous horizontal strip drawing (web method) with high drawing speeds is possible without silicon melt with the crystallizing Layer is pulled out over the edge of the melting tank.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das in Ziehrichtung im Bereich des Schmelzwannenrandes liegende Ende der Schmelze dem Einfluß eines divergierenden elektromagnetischen Feldes ausgesetzt wird, so daß ein berührungsfrei wirkender Druck den Schmelzenmeniskus stabilisiert.This task is carried out by a method of the type mentioned at the beginning solved in that the one lying in the drawing direction in the area of the edge of the melting tank At the end of the melt, exposed to the influence of a diverging electromagnetic field so that a non-contact pressure stabilizes the melt meniscus.

Die Erfindung nützt dabei die hohe elektrische Leitfähigkeit (12000 Ohm-1 cm-1) des flüssigen Siliziums aus, die um etwa einen Faktor 20 über dem Wert von festem Silizium bei der gleichen Temperatur liegt (zum Vergleich sei angegeben, daß das Verhältnis der Leitfähigkeiten flüssig/ fest am Schmelzpunkt für Metalle kleiner 1 ist).The invention uses the high electrical conductivity (12000 Ohm-1 cm-1) of the liquid silicon, which is about a factor of 20 above the value of solid silicon is at the same temperature (for comparison it is stated that that the ratio of the conductivities liquid / solid at the melting point for metals is less than 1).

Außerdem macht sich die Erfindung die aus dem Buch von K.In addition, the invention is based on the book by K.

H. Brokmeier "Induktives Schmelzen, Ausgabe 1966, auf der Seite 22 zu entnehmende Tatsache zunutze, daß ein Leiter, der in ein divergierendes elektromagnetisches Wechselfeld gebracht wird, versucht, sich vom stärkeren zum schwächeren Teil des Feldes zu bewegen, wobei die vom Feld auf den Leiter ausgeübte Kraft vom Gradienten und der Stärke des Feldes abhängig ist. Ein divergierendes elektromagnetisches Feld entsteht zum Beispiel an einer von Wechselstrom durchflossenen Spule, wie sie in Figur 1 dargestellt ist.H. Brokmeier "Induktives Schmelzen, Edition 1966, on page 22 The fact to be taken advantage of that a conductor, which is in a diverging electromagnetic Alternating field is brought, tries to move from the stronger to the weaker part of the To move the field, the force exerted by the field on the conductor from the gradient and the strength of the field. A diverging electromagnetic field occurs, for example, on a coil through which alternating current flows, as shown in Figure 1 is shown.

Aufgrund dieser Tatsachen ist die Möglichkeit gegeben, am Schmelzenende ein divergierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen und dadurch den Schmelzenmeniskus so zu beeinflussen, daß die Schmelze zurückgedrängt wird und auf diese Weise verhindert wird, daß die Schmelze mit der kristallisierenden Siliziumschicht über den Schmelzwannenrand mitshinausgezogen wird. Es entstehen Siliziumbänder von gleichförmiger Schichtdicke und konstanter Breite.On the basis of these facts, the possibility exists at the end of the melt to generate a diverging electromagnetic field and thereby the melt meniscus to influence so that the melt is pushed back and prevented in this way that the melt with the crystallizing silicon layer over the edge of the melting tank is dragged along. Silicon strips of uniform layer thickness are created and constant width.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further refinements of the invention emerge from the subclaims.

Die Durchführung des Verfahrens kann beispielsweise mit der in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgen, welche durch die erfindungsgemäße Maßanhme, beispielsweise durch die in den Unteransprüchen beanspruchten Spulen ergänzt wird.The method can be carried out, for example, with the method described in German patent application P 34 28 257.2 proposed device take place, which by the measures according to the invention, for example by those in the subclaims claimed coils is supplemented.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand der Figuren 1 bis 7 noch näher erläutert. Dabei zeigen die Figur 1 schematisch ein divergierendes elektromagnetisches Feld, die Figuren 2 und 4 die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Spulen in Draufsicht, die Figur 3 eine Spule mit konusförmiger Ausbildung der Windungen im Schnittbild und die Figuren 5 bis 7 in schematischer Darstellung die Anordnung verschiedener Spulen in bezug auf den Schmelzenmeniskus.The invention is explained in more detail with reference to FIGS. 1 to 7 explained. In this case, FIG. 1 shows schematically a diverging electromagnetic Field, Figures 2 and 4 the coils used for the method according to the invention in plan view, FIG. 3 shows a coil with a conical configuration of the turns in the sectional view and Figures 5 to 7 in a schematic representation of the arrangement various coils with respect to the melt meniscus.

Für gleiche Teile gelten bei allen Figuren gleiche Bezugszeichen.The same reference numerals apply to the same parts in all figures.

In Figur 1 ist der Querschnitt der einzelnen Spulenwindungen einer zylindrischen Spule 2 des Durchmessers D dargestellt; mit dem Bezugszeichen 1 sind die Feldlinien bezeichnet. Am Rande und außerhalb der Spule 2 divergieren die Feldlinien 1. Ein in diesem Raum befindlicher Leiter wird von der Spule abgestoßen.In Figure 1, the cross section of the individual coil turns is a cylindrical coil 2 of diameter D shown; with the reference number 1 are denotes the field lines. The field lines diverge at the edge and outside the coil 2 1. A conductor located in this space is repelled by the coil.

Figur 2 zeigt die Anordnung einer aus mehreren Windungen in Rechteckform aufgebauten Spule 2, die das gemäß der Lehre der Erfindung zur Anwendung kommende divergierende elektromagnetische Feld nach Einstellen einer bestimmten Hochfrequenz-Leistung erzeugt. Der Pfeil 6 zeigt die Ziehrichtung des mit Silizium beschichteten Trägerkörpers 3, zum Beispiel bestehend aus einem Graphitfadennetz an. Mit dem Bezugszeichen 4 ist die unter dem Trägerkörper 3 liegende Schmelzenoberfläche und mit 5 der Schmelzwannenrand bezeichnet. Wie aus der Figur 2 zu ersehen ist, wird die Spule 2 mit ihrem einen Ende so an das Schmelzenende 4, 5 geschoben, daß durch das durch die Spule 2 erzeugte divergierende elektromagnetische Feld berührungsfrei ein Druck auf den Schmelzmeniskus 14 ausgeübt wird, der die Schmelze 4 stabilisiert. Der Querschnitt der Spule 2 ist an den Schmelzmeniskus 14 bzw. an den Querschnitt des beschichteten bandförmigen Trägerkörpers 3 angepaßt.Figure 2 shows the arrangement of one of several turns in a rectangular shape built-up coil 2, the coming according to the teaching of the invention to apply diverging electromagnetic field after setting a certain high frequency power generated. The arrow 6 shows the direction of pulling of the silicon-coated carrier body 3, for example consisting of a graphite thread net. With the reference number 4 is the melt surface lying under the support body 3 and with 5 the melt tank edge designated. As can be seen from Figure 2, the coil 2 with its one So end of that Melting end 4, 5 pushed that through the coil 2 produced a non-contact diverging electromagnetic field pressure is exerted on the melt meniscus 14, which stabilizes the melt 4. The cross section the coil 2 is on the melt meniscus 14 or on the cross section of the coated band-shaped carrier body 3 adapted.

In Figur 3 ist die Anordnung einer Spule 12, deren Windungen in Ziehrichtung 6 eine konische Form aufweisen, gezeigt. Dabei ist die Spule 12 in der senkrecht zum beschichteten Band 3 (sogenanntes web) und in Ziehrichtung 6 stehenden Ebene so angeordnet, daß die größere Öffnung der Windungen zum Schmelzenende 4, 5 hinweist.In Figure 3 is the arrangement of a coil 12, whose turns in the pulling direction 6 are shown to have a conical shape. The coil 12 is perpendicular in this case to the coated strip 3 (so-called web) and level in the direction of drawing 6 arranged so that the larger opening of the turns points towards the melt end 4, 5.

Figur 4: Die Spule 22 hat die Form einer Flachspule mit einem rechteckigen Querschnitt und weist mehrere, in einer Ebene liegende Windungen auf.Figure 4: The coil 22 has the shape of a flat coil with a rectangular one Cross-section and has several turns lying in one plane.

Figur 5 zeigt die Anordnung der Spule 22 gemäß Figur 4, wobei durch den Doppelpfeil 23 angedeutet werden soll, daß die Spule verschiebbar ausgebildet ist.Figure 5 shows the arrangement of the coil 22 according to Figure 4, with the double arrow 23 is intended to indicate that the coil is designed to be displaceable is.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Anordnungen, ähnlich wie Figur 5, bei der in Figur 6 eine Spule 32 in Richtung Schmelze 4, 14 mit gekrümmter Spulenebene und in Figur 7 eine Flachspule 42 verwendet wird. In beiden Fällen wird bewirkt, daß die Schmelze (14) nach unten gedrückt wird.Figures 6 and 7 show arrangements similar to Figure 5, in the in Figure 6 a coil 32 in the direction of the melt 4, 14 with a curved coil plane and a flat coil 42 is used in FIG. In both cases it is effected that the melt (14) is pressed downwards.

Die Spulen 32 und 42 sind zum Unterschied zu Figur 5, bei der eine konzentrische Anordnung vorliegt, seitlich vom beschichteten Trägerkörperband 3 (web) angeordnet und sind schwenkbar ausgebildet (siehe Drehpfeil 33 und 43).In contrast to FIG. 5, the coils 32 and 42 are in the one concentric arrangement is present, to the side of the coated carrier body tape 3 (web) and are designed to be pivotable (see rotary arrows 33 and 43).

Dadurch wird es möglich, die Spule (32 oder 42) erst dann in Position zu bringen, wenn der Beschichtungsprozeß angelaufen ist.This makes it possible to only then move the spool (32 or 42) into position to bring when the coating process has started.

Ausführungsbeispiel: Die Spule, zum Beispiel wie in Figur 3 abgebildet, hat einen rechteckigen Querschnitt, der sich von einem zum anderen Spulenende konisch erweitert. Der kleinste Querschnitt hat die Abmessungen 10 cm x 3 cm, der größte 10 cm x 6 cm. Die Länge beträgt 6 cm. Der Hochfrequenzgenerator liefert eine Leistung von 8 KW, die Frequenz beträgt 45 KHz. Mit dieser Vorrichtung kann eine Schmelze des Querschnitts 1 cm (Höhe) x 5 cm (Breite) stabil gehalten werden.Embodiment: The coil, for example as shown in Figure 3, has a rectangular cross-section that tapers from one end of the coil to the other expanded. The smallest cross-section has the dimensions 10 cm x 3 cm, the largest 10 cm x 6 cm. The length is 6 cm. The high frequency generator provides power of 8 KW, the frequency is 45 KHz. With this device, a melt of the cross-section 1 cm (height) x 5 cm (width) can be kept stable.

Die bereits erwähnte hohe elektrische Leitfähigkeit der Siliziumschmelze (12000 Ohm-1 cm 1) und der Unterschied der Leitfähigkeiten flüssig/fest am Schmelzpunkt verhindern, daß durch die Einwirkung des Hochfrequenzfeldes eine Aufheizung der kristallisierten Siliziumschicht eintritt, die zu einem unerwünschten Aufschmelzen auf dem Trägerkörper führen könnte.The already mentioned high electrical conductivity of the silicon melt (12000 Ohm-1 cm 1) and the difference in conductivity between liquid and solid at the melting point prevent the exposure to the high-frequency field from heating up crystallized silicon layer occurs, which leads to undesired melting could lead on the carrier body.

Die durch das Hochfrequenzfeld in der Schmelze entstehende Erwärmung wird berücksichtigt, in dem die Bodenheizung der Schmelzwanne (siehe zum Beispiel die in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 beschriebene Vorrichtung) auf diese zusätzliche Wärmequelle abgestimmt wird. Durch Anbringung von gekühlten Kurzschlußringen kann außerdem die auf die Schmelze wirkende Hochfrequenzleistung lokal eingegrenzt werden.The heating caused by the high frequency field in the melt is taken into account in which the bottom heating of the melting tank (see for example the device described in German patent application P 34 28 257.2) this additional heat source is coordinated. By attaching cooled short-circuit rings In addition, the high-frequency power acting on the melt can be localized will.

8 Patentansprüche 7 Figuren - Leerseite -8 claims 7 figures - blank page -

Claims (8)

Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen, bei dem ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter Trägerkörper in horizontaler oder nahezu horizontaler Richtung tangierend über die in einer Wanne befindliche Schmelze gezogen und mit Silizium beschichtet wird, wobei der Trägerkörper zugleich Kristallisationskeim für den Aufbau des kristallinen Siliziumbandes ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das in Ziehrichtung (6) im Bereich des Schmelzwannenrandes (5) liegende Ende der Schmelze (4) dem Einfluß eines divergierenden elektromagnetischen Feldes (2, 12, 22, 32, 42) ausgesetzt wird, so daß ein berührungsfrei wirkender Druck den Schmelzenmeniskus (14) stabilisiert.Claims 1. A method for producing ribbon-shaped silicon crystals for semiconductor components, in particular for solar cells, in which one opposite the Silicon melt resistant carrier bodies in horizontal or almost horizontal Direction tangent drawn over the melt located in a trough and with Silicon is coated, the carrier body at the same time as a nucleus of crystallization for the structure of the crystalline silicon ribbon is, d u r c h g e k e n n z e i c h e t that in the drawing direction (6) in the area of the melting tank edge (5) lying end of the melt (4) the influence of a diverging electromagnetic Field (2, 12, 22, 32, 42) is exposed, so that a non-contact effect Pressure stabilizes the melt meniscus (14). 2. Verfahren 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 eine Hochfrequenzspule (2) verwendet wird, deren Querschnitt dem Bandquerschnitt (3) angepaßt ist und daß über die Leistung des hochfrequenten Wechselstromes die Schmelzstabilisierung bewirkt wird.2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that a high-frequency coil (2) is used, the cross-section of which corresponds to the tape cross-section (3) is adapted and that the power of the high-frequency alternating current Melt stabilization is effected. 3. Verfahren 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 eine Spule (2) mit rechteckigem Querschnitt und zylinderförmig verlaufenden Windungen verwendet wird.3. The method according to claim 1 and / or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a coil (2) with a rectangular cross-section and cylindrical running turns is used. 4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Flachspule (22) mit rechteckigem Querschnitt und mit in einer Ebene liegenden Windungen verwendet wird.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, d a d u It is noted that a flat coil (22) with a rectangular cross-section and is used with coils lying in one plane. 5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 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 eine Spule (12) verwendet wird, deren Windungen in der zum Siliziumband (3) senkrecht stehenden Ebene eine konische Form aufweisen, wobei sich der Konus zum Schmelzenende (4, 5) hin öffnet.5. The method according to at least one of claims 1 to 4, d a d u It is noted that a coil (12) is used, the turns of which in the for Silicon tape (3) perpendicular plane a conical Have shape, the cone opening towards the melt end (4, 5). 6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 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 eine in Richtung Schmelze (4, 14) gekrümmte Spulenebenen aufweisende Flachspule (32, 42) verwendet wird, die in Ziehrichtung (6) auf der Seite des beschichteten Bandes (3) angeordnet wird.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that one curved in the direction of the melt (4, 14) Flat coil (32, 42) having coil planes is used, which extends in the pulling direction (6) is arranged on the side of the coated tape (3). 7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 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 in Ziehrichtung (6) verschiebbar (23) ausgebildete und/ oder um ihre Achse (33, 43) schwenkbare Spule verwendet wird.7. The method according to at least one of claims 1 to 6, d a d u r c h g e k e n n n n z e i c h n e t that one can be moved in the pulling direction (6) (23) formed and / or about its axis (33, 43) pivotable coil is used. 8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz des Hochfrequenzsenders auf einen Bereich zwischen 10 und 100 kHz eingestellt wird.8. The method according to at least one of claims 1 to 7, d a d u It is noted that the frequency of the high-frequency transmitter is on a range between 10 and 100 kHz is set.
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