DE3524997A1 - Verfahren zum herstellen von bandfoermigen siliziumkristallen mit horizontaler ziehrichtung - Google Patents

Verfahren zum herstellen von bandfoermigen siliziumkristallen mit horizontaler ziehrichtung

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DE3524997A1
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Gerhard Rauscher
Josef Dr Rer Nat Grabmaier
Richard Dr Rer Nat Falckenberg
Gerhard Hoyler
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20Controlling or regulating
    • C30B15/22Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/007Pulling on a substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL-GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/06Non-vertical pulling

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen, bei dem ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter Trägerkörper in horizontaler oder nahezu horizontaler Richtung tangieren 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 Arrey 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 Ziehgeschwindigkeit 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 das in Ziehrichtung im Bereich des Schmelzwannenrandes liegende Ende der Schmelze dem Einfluß eines magnetischen Wanderfeldes ausgesetzt wird, so daß aus der Wechselwirkung zwischen induzierten Strömen und Wanderfeld ein berührungsfrei wirkender Druck entgegengesetzt der Ziehrichtung auf den Schmelzenmeniskus ausgeübt wird.

Die Erfindung nützt dabei die hohe elektrische Leitfähigkeit (12 000 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).

In einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, zur Erzeugung des magnetischen Wanderfeldes einen ebenen Stator mit Drehstromwicklung zu benutzen und ihn parallel zur Oberfläche der Schmelze direkt über der Schmelze anzuordnen. Der Stator ist, wie aus dem Buch von P. K. Budig "Drehstromlinearmotoren", Heidelberg 1978, auf der Seite 18/19 zu entnehmen ist, so gewickelt, daß bei Drehstromfluß durch die Wicklungen an seiner der Schmelzoberfläche zugewandten Seite eine Folge magnetischer Pole entsteht, zwischen denen die magnetischen Induktionswellen verlaufen. Weitere Einzelheiten sind aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich.

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 den in den Unteransprüchen beanspruchten Stator ergänzt wird.

Die Erfindung wird im einzelnen anhand der Fig. 1 bis 3 noch näher erläutert. Dabei zeigen

die Fig. 1 in schematischer Darstellung die Anordnung des Stators über der Schmelze in Seitenansicht,

die Fig. 2 die gleiche Anordnung in Draufsicht mit den Stromdichtenlinien in der Schmelze und

die Fig. 3 den Stator in perspektivischer Darstellung.

Fig. 1: Das magnetische Wanderfeld, gekennzeichnet durch die mit Pfeilen versehenen Linien 1 der magnetischen Induktion B wird durch einen ebenen Stator 2 mit Drehstromwicklung 3 erzeugt. Der Stator 2 ist über der Siliziumschmelze 4 parallel zur Oberfläche der Schmelze 4 angeordnet. Der Stator 2 ist, wie bereits erwähnt, so gewickelt, daß bei Drehstromfluß durch die Wicklung 3 an seiner Unterseite eine Folge magnetischer Pole v. . . N - S - N - S . . . entsteht, zwischen denen die magnetischen Induktionslinien 1 verlaufen. Der Abstand aufeinanderfolgender Pole wird mit τ angegeben. Die Pole und mit ihnen das Induktionsfeld B bewegen sich längs des Stators 2 mit einer konstanten Geschwindigkeit v in negativer x-Richtung, also entgegengesetzt zu der Ziehrichtung 6 des kristallisierenden Siliziumbandes 7. Ist f die Drehstromfrequenz, dann rechnet sich die Geschwindigkeit v = 2 τ f. Mit dem Bezugszeichen 5 ist der Schmelzwannenrand und mit 8 der Schmelzenmeniskus bezeichet.

Fig. 2: Die zeitliche Änderung des Induktionsfeldes dB/dt induziert in der Schmelze 4 Ströme, die durch Stromdichtelinien 11 angedeutet sind (die elektromagnetische Einwirkung auf das dünne kristallisierende Siliziumband 7 kann wegen des oben bereits erwähnten großen Leitfähigkeitsunterschiedes zwischen flüssigem und festem Silizium vernachlässigt werden). Nach der Lenz′schen Regel ist das Magnetfeld des Induktionsstromes bestrebt, die Änderung des einwirkenden Feldes zu verhindern. Das ist hier nur möglich, wenn die Schmelze 4 dem sich mit der Geschwindigkeit v bewegenden Feld B folgt. Ist die Bewegungsrichtung des Feldes der Ziehrichtung 6 des kristallisierenden Bandes 7 entgegengerichtet, so kann auf den Schmelzenmeniskus (8) eine stabilisierende Wirkung ausgeübt werden.

Ausführungsbeispiel:

Zur Stabilisierung des Schmelzenmeniskus (8) muß eine Kraft F vom Stator (2, 3) auf die Schmelze (4) übertragen werden. Es gilt folgende Gleichung (Budig, Drehstromlinearmotoren, Seite 82):
F = A · (B · 2p · τ · v) · (b · d · )

In dieser Gleichung ist die Schmelze (4) charakterisiert durch:
ihre Breite b (= 5 cm) siehe Fig. 2,
ihre Dicke d (= 0,5 cm) siehe Fig. 1 und
die Leitfähigkeit (12 000 Ω-1cm-1).

Stator 2 und Induktionsfeld B sind charakterisiert durch:
- maximale Induktion B m am Ort der Schmelze (= 200 G) (= Gauß)
- Zahl der Pole 2p (= 4)
- Abstand aufeinanderfolgender Pole τ (= 2,5 cm)
- v = 2 · τ · ff = Drehstromfrequenz (= 50 Hz).

Der Faktor A enthält Größen, die für die vorliegende Abschätzung ungefähr 1 gesetzt werden können.

Durch Einsetzen ergibt sich
F = 3 × 10-2 N ≅ 3 p

Wie sich aus Berechnungen der Druckverhältnisse in der Schmelze (4) ergibt, ist eine Kraft dieser Größenordnung zur Stabilisierung des Meniskus (8) ausreichend.

Fig. 3: Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird der Stator 2, 3 zum Schutz vor Überhitzung mit einer Gas- oder Flüssigkeitskühlung 9 (die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung an) versehen und auf der, der Schmelze (4) zugewandten Seite mit einer Strahlungsabschirmung 10 aus nichtmagnetischem Material abgedeckt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen, bei dem ein gegenüber 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 das in Ziehrichtung (6) im Bereich des Schmelzwannenrandes (5) liegende Ende der Schmelze (4) dem Einfluß eines magnetischen Wanderfeldes (1, 2, 3) ausgesetzt wird, so daß aus der Wechselwirkung zwischen induzierten Strömen und Wanderfeld ein berührungsfrei wirkender Druck entgegengesetzt der Ziehrichtung (6) auf den Schmelzenmeniskus (8) ausgeübt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wanderfeld (1) durch einen ebenen Stator (2) mit Drehstromwicklung (3), der parallel zur Oberfläche der Schmelze (4) direkt über der Schmelze (4) angeordnet ist, erzeugt wird und daß ein Stator (2, 3) verwendet wird, der so gewickelt ist, daß bei Drehstromfluß durch die Wicklungen (3) an seiner der Schmelzenoberfläche (4) zugewandten Seite eine Folge magnetischer Pole (. . . N-S-N-S . . .) entsteht, zwischen denen die magnetischen Induktionslinien (1) verlaufen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stator (2, 3) verwendet wird, welcher zum Schutz vor Überhitzung mit einer Gas- oder Flüssigkeitskühlung (9) versehen ist und auf der, der Schmelzenoberfläche (4) zugewandten Seite mit einer Strahlungsabschirmung (10) aus nicht-magnetischem Material abgedeckt ist.
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