DE3608889A1

DE3608889A1 - Verfahren zum herstellen von einkristallinen halbleiterstaeben mit polygonaler querschnittsform

Info

Publication number: DE3608889A1
Application number: DE19863608889
Authority: DE
Inventors: Hans J Dipl Ing Fenzl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-03-17
Filing date: 1986-03-17
Publication date: 1987-09-24

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her stellen von einkristallinen Halbleiterstäben mit polygonaler Querschnittsform und den Merkmalen:

a) ein Impfkristall wird mit einer beim Wachsen des Halbleiterstabes die polygonale Querschnittsform unter stützenden Orientierung in eine Schmelze getaucht;
b) der Impfkristall rotiert um seine Achse;
c) der Impfkristall wird stetig aus der Schmelze gezogen;
d) ein Kühlsystem prägt mindestens der Schmelzenoberfläche eine Temperaturverteilung auf, die der Symmetrie des zu ziehenden Halbleiterstabes entspricht und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Um eine optimale Flächenausnutzung bei Sonnenkollektoren zu erzielen, werden Solarzellen mit polygonaler, z. B. drei eckiger oder viereckiger Form hergestellt. Im Vergleich zu Sonnenkollektoren mit kreisförmigen Solarzellen erreicht man mit polygonalen Solarzellen eine bis zu 21,5% größere Packungsdichte und damit auch einen größeren Wirkungsgrad des Sonnenkollektors pro mit Licht bestrahlter Flächenein heit. Die Herstellung solch polygonaler Solarzellen kann z. B. dadurch erfolgen, polykristalline quaderförmige Siliciumblöcke zu "gießen" (Electronics, Oct. 26, 1978, S. 69 f.) und anschließend zu zersägen. Der Wirkungsgrad polykristalliner Solarzellen liegt jedoch deutlich - ca. 20% - unter dem von einkristallinen Solarzellen. Eine Möglichkeit polygonale einkristalline Solarzellen zu produ zieren, besteht z.B. darin, daß einkristalline zylindrische Silicium-Halbleiterstäbe in kreisförmige Siliciumscheiben zersägt werden und anschließend entsprechend der gewünschten polygonalen Form beschnitten werden. Der Verlust an teurem einkristallinem Halbleitermaterial ist dabei beträchtlich. Damit ist dieses Herstellungsverfahren teuer und unpraktisch.

Einkristalline Silicium-Halbleiterstäbe mit annähernd qua dratischer Querschnittsform nach dem Tiegelziehverfahren herzustellen, ist z. B. in Electronics, Oct. 11, 1979, S. 43, beschrieben. Bei diesem Verfahren wird versucht, auf der Schmelzenoberfläche eine Temperaturverteilung zu erlangen, die "quadratisch" ist. Das heißt, daß die Isothermen auf der Schmelzenoberfläche "quadratisch" verlaufen. Um solch eine Temperaturverteilung zu erreichen, dient ein im Viereck angeordnetes Kühlsystem, das der Schmelzenoberfläche die quadratische Temperaturverteilung aufprägt. Der aus der Schmelze gezogene Siliciumstab wird durch diese Temperatur verteilung angeregt, in quadratischer Querschnittsform zu erstarren. Unterstützt wird dieses Erstarren in quadratischer Querschnittsform zusätzlich dadurch, daß der Siliciumstab mit (100)-Orientierung wächst. Das Kühlsystem berührt den wachsenden Siliciumstab nicht. Abweichend vom üblichen Tiegelziehen zylindrischer Halbleiterstäbe wird der Siliciumstab ruckartig um jeweils 90° gedreht. Für ca. 15 Sekunden verharrt der Halbleiterstab parallel zu dem Kühl system. Danach wird innerhalb von 2 Sekunden der Silicium stab um 90° weitergedreht. Beim Standardtiegelziehverfahren wird dagegen der Siliciumstab stetig aus der Schmelze gezogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein anderes Ver fahren zu entwickeln, einkristalline Halbleiterstäbe mit polygonaler Querschnittsform zu ziehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Impfkristall gleichmäßig rotiert und daß das Kühlsystem mit dem Impfkristall gleichsinnig und gleichschnell wie dieser rotiert.

Um das Wachsen des Halbleiterstabes mit polygonaler Querschnittsform zu unterstützen, ist es vorgesehen, den Impfkristall beim Eintauchen in die Schmelze und beim Ziehen stets so ausgerichtet zu halten, daß der Halbleiterstab ent sprechend seiner der polygonalen Querschnittsform unter stützenden Orientierung wächst. Das heißt, daß bei Halb leiterstäben mit quadratischer Querschnittsform der Impf kristall mit seiner (100)-Fläche senkrecht zur Ziehachse des zu ziehenden Halbleiterstabes ausgerichtet ist und bei dreieckiger Querschnittsform mit seiner (111)-Fläche.

Einkristalle wachsen bevorzugt in Richtung der größten Unterkühlung. Wird mindestens der Schmelzenoberfläche beim Tiegelziehverfahren eine geeignete Temperaturverteilung auf geprägt, so führt dies zu einem von der üblichen Zylinder form abweichendem Kristallwachstum. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß ein Kühlsystem mindestens die Schmelzenober fläche in radialer Verlängerung zu den Wachstumslinien des zu ziehenden Halbleiterstabes um wenige Grad unterkühlt. Die Kühlung kann entweder über Wärmeleitung oder durch Gas- oder Flüssigkeitszwangskühlung durchgeführt werden. Weiter hin ist es möglich, die Kühlung mindestens teilweise aus einem zu verzehrenden Material zu bilden, um die Schmelze gleichzeitig zu dotieren (z.B. Silicium vorlegiert mit Bor).

Eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens ist unter Verwendung eines Standard-Czochralski-Aufbaus gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6 gekenn zeichnet durch ein vertikal verstellbares und drehbar an geordnetes Kühlsystem.

Das Verfahren und die Vorrichtung wird anhand eines Aus führungsbeispieles in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Tiegelziehen von einkristallinen Halbleiterstäben mit viereckiger Querschnittsform mit einem Standard-Czochralski-Aufbau samt Kühl system mit bereits z. T. gezogenen Halbleiterstab,

Fig. 2 den Schnitt II-II von Fig. 1 mit viereckig ange ordneten vertikalen Kühlrohren und

Fig. 3 den Schnitt gemäß Fig. 2 bei einer Vorrichtung ähnlich Fig. 1, wenn ein Halbleiterstab mit dreieckiger Querschnittsform gezogen wird und das Kühlsystem in Dreiecksform angeordnet ist.

Die Vorrichtung in Fig. 1 besteht aus einem Standard- Czochralski-Aufbau mit zusätzlichem Kühlsystem. Innerhalb eines Rezipienten 6 ist ein Schmelztiegel 2 auf einer Hebe- und Drehvorrichtung 12 montiert. Das Innere des Schmelz tiegels 2 ist mindestens teilweise mit einer Silicium- Schmelze 1 gefüllt, die z. B. durch die stromdurchflossene Heizwendel 5 induktiv erhitzt wird. In einer Impflings halterung 4 ist ein einkristalliner Silicium-Impfkristall 3 mit seiner (100)-Fläche senkrecht zur Drehachse ausge richtet. Die Impflingshalterung 4 ist drehbar und vertikal verschiebbar angeordnet. Symmetrisch zur Achse sind vier vertikal angeordnete Kühlrohre 9 so montiert, daß diese teil weise in die Schmelze 1 getaucht sind und durch eine Halte vorrichtung 10 drehbar gelagert sind. Die Kühlrohre sind derart drehbar gehaltert, daß diese gleichsinnig mit dem Impf kristall 3 und gleichschnell wie der Impfkristall rotieren können. Die Kühlrohre sind zusätzlich so angeordnet, daß diese die [0]-, [01]-, [011]- und [01]-Richtungen des ausgerichteten Impfkristalls 3 schneiden. In Fig. 1 ist bereits ein mit dieser Vorrichtung zum Teil gezogener Siliciumstab 8 dargestellt, der auf den Impfkristall 3 aufgewachsen ist. Kühlsystem und gezogener Halbleiterstab 8 berühren sich nicht. Die Kühlrohre 9 können mit Kühlbohrungen 13 versehen sein, die mit Kühlmedium durchflossen werden. Durch die Öffnung 11 kann das Kühlmedium den Kühlrohren 9 zugeführt werden.

In Fig. 2 ist der Schnitt II-II entsprechend Fig. 1 darge stellt. Durch die Kühlbohrungen 13 der Kühlrohre 9 kann das Kühlmedium ab- bzw. zufließen. Die Darstellung in Fig. 2 zeigt den mindestens annähernd quadratischen Quer schnitt des gezogenen Siliciumstabes 8 aus der Schmelze 1. In der Darstellung in Fig. 2 sind zusätzlich die Kristall richtungen des wachsenden Siliciumstabes und die ent sprechend dazu angeordneten Kühlrohre eingezeichnet.

Fig. 3 verdeutlicht die Anordnung der Kühlrohre 9 bei einem gezogenen Siliciumstab 8 mit dreieckiger Querschnittsform. Zur Unterstützung des Wachstums mit dreieckiger Querschnitts form des Siliciumsstabes 8 ist der Impfkristall 3 mit seiner (111)-Fläche senkrecht zur Drehachse ausgerichtet. Die Kühlrohre 9 sind entsprechend den [11]-, [11]- und [11]- Richtungen senkrecht angeordnet.

Durch die Ausgestaltung der Kühlrohre 9 mit Kühlbohrungen 13 die vom Kühlmedium durchflossen werden, ist es in einfacher Weise möglich, die Temperatur der Kühlrohre 9 auf einen gewünschten Wert zu regeln, um so eine definierte und örtlich begrenzte Unterkühlung mindestens an der Schmelzenoberfläche einstellen zu können.

Dadurch wird das Wachstum des Siliciumstabes 8 und dessen Ausdehnung in radialer Richtung entsprechend der Unterkühlung gefördert.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von einkristallinen Halbleiter stäben mit polygonaler Querschnittsform und den Merkmalen:

a) ein Impfkristall (3) wird mit einer beim Wachsen des Halbleiterstabes (8) die polygonale Querschnittsform unterstützenden Orientierung in eine Schmelze (1) ge taucht;
b) der Impfkristall (3) rotiert um seine Achse;
c) der Impfkristall (3) wird stetig aus der Schmelze (1) gezogen;
d) ein Kühlsystem prägt mindestens der Schmelzenoberfläche eine Temperaturverteilung auf, die der Symmetrie des zu ziehenden Halbleiterstabes (8) entspricht,

gekennzeichnet durch die Merkmale:

e) der Impfkristall (3) rotiert gleichmäßig;
f) das Kühlsystem rotiert gleichsinnig mit dem Impfkristall;
g) das Kühlsystem rotiert gleichschnell wie der Impfkristall.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Querschnittsform des aufwachsenden Halbleiterstabes (8) mindestens annähernd ein Dreieck ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Querschnittsform des aufwachsenden Halbleiterstabes (8) mindestens annähernd ein Viereck ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem die Kühlung mittels Wärmeleitung durchführt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß das Kühl system die Kühlung über Gas- oder Flüssigkeitszwangs kühlung durchführt.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Standard-Czochralski-Aufbau, enthaltend:

a) einen Schmelztiegel (2) mit Schmelze (1),
b) einen vertikal verschiebbaren und drehbar angeordneten Impfkristall (3),
c) ein Kühlsystem, das mindestens der Schmelzenoberfläche eine Temperaturverteilung aufprägt, die der Symmetrie des wachsenden Halbleiterstabes (8) entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem drehbar und vertikal verstellbar ange ordnet ist.