DE3736341A1

DE3736341A1 - Verfahren zum herstellen von bandfoermigen siliziumkristallen durch horizontales ziehen aus der schmelze

Info

Publication number: DE3736341A1
Application number: DE19873736341
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Phys Hoyler; Josef Dr Rer Nat Grabmaier; Richard Dr Rer Nat Falckenberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-05-11
Also published as: JPH01148793A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von bandför migen Siliziumkristallen durch horizontales Ziehen aus einer Si liziumschmelze, bei dem als Trägerkörper und Kristallisations keimbildner ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter und einen höheren Emissionsfaktor aufweisender Trägerkörper aus einem netzartigen Fadengewebe verwendet wird, welches tangie rend über die in einer Wanne befindliche Siliziumschmelze in horizontaler Richtung v gezogen und mit Silizium beschichtet wird.

Dieser, als horizontales S-Web-Verfahren (= horizontal suppor ted web = HSW-Technik) bekannte Ziehprozeß für Siliziumbänder arbeitet wegen seiner hohen Ziehgeschwindigkeit (ungefähr 1 m/ min) und seines geringen Materialverbrauchs (Dicke der Bänder kleiner 300 µm) sehr kostengünstig und ist ausführlich beschrie ben in einem Bericht von G. Hoyler im Journal of Crystal Growth 79 (1986), Seiten 572 bis 577, sowie in der europäischen Patent anmeldung 01 70 119.

Aus Fig. 1 soll nachfolgend das Prinzip dieser Technik kurz er läutart werden:
Ein in Ziehrichtung v laufendes Karbonfasernetz 1 wird tangen tial über die Oberfläche einer Siliziumschmelze 2 gezogen, die sich in einer Quarzwanne 3 befindet. Diese Wanne 3 ist so dimen sioniert, daß ihre Länge mindestens so groß ist wie die Kontakt länge L=v _Z×t (v _Z = Ziehgeschwindigkeit, t = Verweildauer). Die Siliziumschmelze 2 wird durch im Bodenbereich der Wanne 3 befindliche Heizer 4 auf Schmelztemperatur gehalten, wobei Strah lungsverluste (siehe Pfeil 5) durch gegebenenfalls Abdeckungen und Reflektoren 6 ausgeglichen werden. Das fertige Siliziumband ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Die Markierungen 8 zei gen den Beginn der Kristallisation in den Maschen 9 mit der lichten Weite k des Netzes 1 an. Die Netzfäden wirken infolge ihres hohen Emissionskoeffizienten als Wärmesenke und inizieren bei geeignetem Temperaturgradienten G _L in der Schmelze die Kri stallisation. Die Erstarrung beginnt an Stellen der Schmelze, die unmittelbar von Netzfäden berührt werden und breitet sich von dort horizontal und vertikal aus. Mit fortschreitender ho rizontaler Ausbreitung kommt als weitere Wärmesenke die kri stallisierte Siliziumoberfläche hinzu, deren Emission ebenfalls höher als die der Schmelze ist. Die Zusammensetzung der Erstar rungsgeschwindigkeit aus einer horizontalen und einer vertika len Komponente führt dazu, daß das beschichtete Siliziumband auf der dem Karbonfadennetz abgewandten Seite eine Welligkeit W (sogenannte Muldenstruktur) aufweist, deren Periodizität der des Netzmusters entspricht. Die an der Netzunterseite entstehende Siliziumschicht wächst nicht gleichmäßig in die Tiefe, sondern wird unter den Fäden dicker als an den von Fäden nicht abgedeck ten Stellen der Schmelzoberfläche. Es wurde festgestellt, daß die Welligkeit oder Muldenstruktur um so ausgeprägter ist, je dünner die auf den Trägerkörper 1 aufgeschmolzene und kristal lisierte Siliziumschicht (7) ist.

Die Welligkeit bzw. Muldenstruktur macht sich störend bemerkbar, wenn die Siliziumbänder 7 für Solarzellen weiterverarbeitet werden sollen, insbesondere wenn Kontakte aufgebracht werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zum Siliziumband ziehen nach der sogenannten horizontalen Supported Web Technik anzugeben, welches dünne Siliziumbänder mit möglichst ebenen Oberflächen erzeugt.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Fadengewebe verwendet wird, dessen lichte Maschenweite k in Anpassung an die Schichtdicke d des zu ziehenden Siliziumbandes von maximal 300 µm bei einem in der Siliziumschmelze herrschenden Temperaturgradienten G _L von klei ner 25 K/cm auf kleiner 2,0 mm eingestellt ist. Vorzugsweise wird ein Fadengewebe aus Graphit- oder graphitierten Quarzglas fäden (bei der Beschreibung der Fig. 1 als Karbonfasernetz 1 bezeichnet) verwendet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Folgende Überlegungen haben zu der Erfindung geführt:

Die Entstehung und Höhe der Welligkeit W, wobei diese als Diffe renz zwischen der jeweils dicksten und dünnsten Stelle des Sili ziumbandes innerhalb einer Maschenweite k definiert wird, ist abhängig vom Netzmuster, dem Temperaturgradienten in der Schmel ze und der Siliziumschichtdicke. Der Einfluß der Fadenstärke ist gering.

Die Welligkeit nimmt mit wachsender Schichtdicke ab (weil dicke Schichten langsamer als dünne Schichten wachsen). Schichtdicken größer als 300 µm sind aber für kostengünstige Solarzellen unin teressant.

Der Temperaturgradient G _L in der Schmelze ist von wesentlichem Einfluß auf die Schnelligkeit des Wachstums. Je größer der Gra dient, desto mehr Wärme wird dem zu beschichtenden Band zuge führt. Entsprechend verlangsamt sich das Wachstum. Um ein kon tinuierliches kostengünstiges Ziehen von Siliziumbändern zu ge währleisten, muß eine Ziehgeschwindigkeit von mindestens 1 m/min eingehalten werden. Das bedeutet, daß der Temperaturgradient möglichst klein sein muß.

Die Abhängigkeit der Welligkeit W von der mittleren Dicke d des Siliziumbandes ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Kenn zeichnet man das Karbonfasernetz durch die lichte Maschenweite k, so zeigt die Fig. 2 W: = W (d) mit k als Parameter. Wie aus dem Kurvenverlauf zu entnehmen ist, durchläuft W sowohl bei k=1 mm, als auch k=2 mm ein Maximum und fällt dann zu größe ren Dicken d hin ab. Die Maxima verschieben sich mit abnehmen der Maschenweite k zu kleineren Dicken d und Welligkeiten.

Fig. 3 zeigt die Welligkeit W als Funktion der Maschenweite k für eine mittlere Siliziumbanddicke d=300 µm und einem Tem peraturgradienten in der Schmelze von G _L=15 K/cm. Aus dieser Geraden ist ersichtlich, daß die Welligkeit mit abnehmender Ma schenweite k zurückgeht und einen Wert von kleiner 10 µm bei einer lichten Maschenweite von kleiner 1,3 mm erreicht. Wie aus den Meßpunkten 1, 2, 3 erkenntlich ist, wurden drei Netzmuster geprüft:

Netzmuster 1  k = 1,7 mm
Netzmuster 2  k = 2,28 mm
Netzmuster 3  k = 4,2 mm

Neben der lichten Maschenweite k spielt die Ebenheit des verwen deten Fadengewebes (Karbonfasernetz) eine erhebliche Rolle. Eine Dreherbindung, die in Kettfadenrichtung (Längsrichtung) zur Gewebestabilisierung verwendet werden kann, hat Verdickun gen an den Kreuzungspunkten des Gewebes zur Folge; dies führt zu einer Erhöhung der Welligkeit. Gemäß einem Ausführungsbei spiel nach der Lehre der Erfindung wird deshalb ein Fadengewe be ohne Dreherbindung, also mit einfacher Leinenbindung der Kett- und Schußfäden (= Längs- und Querfäden) verwendet; die zur Netzstabilisierung erforderliche Dreherbindung wird auf die Netzränder beschränkt, an denen beim Bandziehen kein Kontakt mit der Siliziumschmelze besteht.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen (7) durch horizontales Ziehen aus einer Siliziumschmelze (2), bei dem als Trägerkörper (1) und Kristallisationskeimbildner (8) ein gegenüber der Siliziumschmelze (2) resistenter und einen höheren Emissionsfaktor aufweisender Trägerkörper (1) aus einem netzartigen Fadengewebe verwendet wird, welches tangie rend über die in einer Wanne (3) befindliche Siliziumschmelze (2) in horizontaler Richtung (v) gezogen und mit Silizium be schichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fadengewebe (1) verwendet wird, dessen lichte Maschen weite k in Anpassung an die Schichtdicke d des zu ziehenden Si liziumbandes (7) von maximal 300 µm bei einem in der Silizium schmelze (2) herrschenden Temperaturgradienten G _L von kleiner 25 K/cm auf kleiner 2,0 mm eingestellt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Fadengewebe (1) aus Graphit- oder graphitierten Quarzglasfäden verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Fadengewebe (1) mit einer lichten Maschenweite k von 1,7 mm verwendet wird und in der Siliziumschmelze (2) ein Temperaturgradient G _L von 15 K/cm auf rechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Fadengewebe (1) mit einer lichten Maschenweite k von 1,3 mm verwendet wird und in der Si liziumschmelze (2) ein Temperaturgradient G _L von 15 K/cm auf rechterhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fadengewebe (1) verwen det wird, dessen Längs- (Kett) und Querfäden (Schußfäden) an ihren Kreuzungspunkten in einfacher Leinenbindung zueinander an geordnet sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fadengewebe (1) ver wendet wird, dessen äußere, von der Schmelze (2) nicht benetzte Ränder zur Stabilisierung in Längsrichtung (Kettfadenrichtung) an den Kreuzungspunkten von Längs- und Querfäden eine in Längs fadenrichtung verlaufende Dreherbindung aufweisen.

7. Verwendung der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten bandförmigen Siliziumkristalle (7) für Halb leiterbauelemente, insbesondere Solarzellen.