DE3524983A1

DE3524983A1 - Verfahren zum herstellen von bandfoermigen siliziumkristallen mit horizontaler ziehrichtung

Info

Publication number: DE3524983A1
Application number: DE19853524983
Authority: DE
Inventors: Gerhard Hoyler; Josef Dr Rer Nat Grabmaier; Richard Dr Rer Nat Falckenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-07-12
Filing date: 1985-07-12
Publication date: 1987-01-22

Description

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.

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 α 10° gegen die Horizontale geneigt eingestellt.

Ein Problem entsteht dadurch, daß das Abziehen des Kristallbandes in nahezu horizontaler Richtung erfolgen muß. Dabei kann die Schmelze von der kristallisierenden Siliziumschicht über den Schmelzwannenrand mitgezogen werden. 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. Darüber hinaus können durch das Auslaufen der Schmelze die Heizeinrichtungen für die Schmelzwanne zerstört werden.

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 Fig. 1 und 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.

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.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in das in Ziehrichtung im Bereich des Schmelzwannenrandes liegende Ende der Schmelze mittels Zuführungen ein elektrischer Strm J in paralleler Richtung zum Schmelzenmeniskus von einer solchen Größe geleitet wird, daß die von einem senkrecht dazu stehenden Magnetfeld mit der Flußdichte B ausgeübte Kraft F den Schmelzenmeniskus stabilisiert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Durchführung des Verfahrens kann beispielsweise mit der in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgen, welche durch die erfindungsgemäße Maßnahme, beispielsweise durch die in den Unteransprüchen beanspruchten Stromzuführungen bzw. Elektromagneten ergänzt wird.

Die Erfindung nützt 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).

Folgende Überlegungen, die zu der Erfindung geführt haben, werden anhand der Fig. 1 und 2, welche in schematischer Darstellung das horizontale Bandziehen gemäß der Erfindung darstellen, noch näher erklärt. Leitet man über Zuführungen 1 einen Strom J durch die in einer Wanne 2 befindliche Schmelze 3, so kann man mittels eines senkrecht dazu stehenden Magnetfeldes B (siehe parallele Pfeile) auf die Schmelze 3 eine Kraft ausüben. Hierdurch ist es möglich, den vorderen Meniskus 4 zu stabilisieren und damit zu verhindern, daß die Schmelze 3 mit der sich bewegenden kristallisierenden Siliziumschicht 5 über den Wannenrand 2 mitgezogen wird.

Zur Abschätzung der erforderlichen Größe von Strom und Magnetfeld wird die Kraft F betrachtet, die ein Magnetfeld mit der magnetischen Flußdichte B auf einen vom Strom I durchflossenen Leiter der Länge l ausübt:
F = I · l · B für I ┴ B

Einige nach dieser Gleichung berechnete Werte finden sich in folgender Tabelle: (1 = 5 cm)

Wird der Strom I der Schmelze 3 so zugeführt, daß er parallel zum und in unmittelbarer Nähe des Meniskus 4 fließt, und stehen die Feldlinien des Magnetfelds B senkrecht dazu, wobei Feld und Strom so gerichtet sind, wie es in Fig. 1 gezeichnet ist, dann wirkt die Kraft F auf den Meniskus 4 rücktreibend, das heißt, stabilisierend.

Die Drucke, die am Meniskus 4 einer Anordnung gemäß Fig. 1 auftreten können, betragen höchstens einige pond/cm². Die Meniskusfläche wird als Rechteck aus der Meniskusbreite = 5 cm und der Meniskushöhe von beispielsweise 0,5 cm zum 2,5 cm² abgeschätzt. Damit errechnet sich für die Kraft, die zur Stabilisierung auf die Meniskusfläche 4 ausgeübt werden muß, ein Wert von etwa 7,5 p. Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß hierzu zum Beispiel eine magnetische Induktion B = 200 G und eine Stromstärke I = 100 A ausreichen.

Bei der Zuführung des Stroms I zur Schmelze 3, 4 ist zu beachten, daß der Schmelze 3 durch die Zuleitungen 1 kein Wärme entzogen wird. Dies würde bei dem geringen Unterschied zwischen Schmelztemperatur und Erstarrungstemperatur zum Festwerden des kristallisierenden Siliziumbandes 5 und damit zur Unterbrechung des Ziehprozesses führen. Die Zuleitungen 1, die zweckmäßigerweise aus hochreinem Kohlenstoff (zum Beispiel Spektralkohle) bestehen oder einen Pyrocarbon- oder SiC-Überzug haben, müssen daher im Querschnitt so bemessen werden, daß sie durch die Joulsche Wärme des Stromes I auf die Temperatur der Schmelze 3 gebracht werden. Bei hochreinem Kohlenstoff und einem Stromfluß I von 100 A muß der Durchmesser der Zuleitungen 1 zum Beispiel 2 mm betragen.

Mit dem Bezugszeichen 6 ist der zu beschichtende Trägerkörper, zum Beispiel ein Carbonfasergewebe, und mit dem Pfeil 7 die Ziehrichtung bezeichnet.

Fig. 2: Die Erzeugung des Feldes B kann sowohl durch einen Elektromagneten, wie auch durch einen zweiten Leiter 10 außerhalb der Schmelze 3, 4 geschehen. Auf den Strom I ₁ in der Schmelze 3, 4 wirkt dann das vom Strom I ₂ des zweiten Leiters 10 an der Stelle des ersten Leiters 1 erzeugte Magnetfeld mit der Kraft F. Es gilt: wobei a der Abstand und l die Länge der Leiter (= Schmelzbreite) ist. Mit den Annahmen l = 5 cm = 0,05 m, l = 5 mm = 0,005 m ergibt sich

F = 2 × 10^-6 ·I ₁ · I ₂ N (= Newton)

Für I ₁ = I ₂ = 100 A ergibt sich

F = 2 × 10^-2 N ≈ 2 p. (pond).

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere Solarzellen, bei der 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, dadurch gekennzeichnet, daß in das in Ziehrichtung (7) im Bereich des Schmelzwannenrandes (2) liegende Ende der Schmelze (3) mittels Zuführungen (1) ein elektrischer Strom J in paralleler Richtung zum Schmelzenmeniskus (4) von einer solchen Größe geleitet wird, daß die von einem senkrecht dazu stehenden Magnetfeld mit der Flußdichte B ausgeübte Kraft F den Schmelzenmeniskus (4) stabilisiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stromzuleitungen (1, 10) verwendet werden, die aus hochreinem Kohlenstoff bestehen oder einen Überzug aus Pyrocarbon oder Siliziumcarbid aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stromzuführungen (1) verwendet werden, die bezüglich ihres Querschnitts so dimensioniert sind, daß sie durch die Joule'sche Wärme des Stromes J auf die Temperatur der Schmelze (3, 4) gebracht werden können.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung des Magnetfeldes im Bereich des Schmelzenmeniskus (4) ein Elektromagnet verwendet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung des Magnetfeldes im Bereich des Schmelzenmeniskus (4) ein zweiter Stromleiter (10, J ₂) außerhalb der Schmelze (3) verwendet wird, der sich mit einem auf die Länge l der stromdurchlässigen Schmelze (3, 4) angepaßten Abstand a vom ersten Leiter (J ₁) befindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis l:a auf ungefähr 10:1 eingestellt wird, wenn der Strom von J ₁ und J ₂ ca. 100 A beträgt.