DE4200185A1

DE4200185A1 - Kristallziehverfahren

Info

Publication number: DE4200185A1
Application number: DE19924200185
Authority: DE
Inventors: Karl-Ulrich Dr Ing Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-01-07
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1992-07-23

Description

Bei vielen Produkten der Halbleitertechnik, insbesondere bei photovoltaischen Bauelementen, nehmen allein die Kosten für das kristalline Halbleitermaterial einen wesentlichen Anteil der Gesamtkosten der fertigen Bauelemente ein.

In der Photovoltaic weit verbreitet sind Einkristallscheiben aus tiegelgezogenem Silizium. Auch bei diesem Material rühren knapp 40 Prozent des nach dem Gewicht der Siliziumscheiben be messenen Preises vom Kristallziehprozeß her. Aus diesem Grund wird intensiv nach Verfahren geforscht, die ein kostengünsti geres Halbleitermaterial von brauchbarer Qualität ergeben.

Anstelle des Tiegelziehens von Einkristallstäben wird derzeit ein Blockgießverfahren zur Herstellung von polykristallinen Siliziumblöcken eingesetzt. Während die reinen Kosten für das Siliziummaterial für dieses Verfahren knapp 20 Prozent des tiegelgezogenen Siliziums ausmachen, liegt jedoch der Wirkungs grad von aus diesem Material gefertigten Solarzellen typischer weise ca. 3 Prozent niedriger als der von Solarzellen aus tie gelgezogenem Silizium.

Weitere Verfahren, insbesondere die Verwertung von Abfallsili zium aus der Halbleiterindustrie bringen weitere Kostenvortei le, können jedoch die Leistungsfähigkeit tiegelgezogenen Sili ziums nicht erreichen.

Beim heutigen Tiegelziehen werden Kristalle mit einem Durch messer von mehr als 20 cm und einer Länge von mehreren Metern in einem Ziehprozeß hergestellt. Die für das Ziehen erforder liche Siliziummenge wird einem Quarztiegel bereitgestellt. Die Ziehapparatur selbst ist, bedingt durch die Länge des zu zie henden Siliziumstabes, noch um einige Meter höher als der zu ziehende Stab.

Es ist also eine aufwendige Apparatur erforderlich, in der außerdem bedingt durch die Größe des gezogenen Kristallstabes eine nur geringe Wachstumsgeschwindigkeit möglich ist, so daß das Verfahren außerdem zeitaufwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen für ein solches Kristallziehverfahren anzugeben, die das Verfahren vereinfachen, beschleunigen und insgesamt auch kostengünstiger durchführbar machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Weitere Ausgestaltun gen der Erfindung sowie eine Apparatur zur Durchführung des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Während bei den bisherigen Verfahren Halbleiterkristallstäbe begrenzter Länge in einem Zug gezogen werden, wird im erfin dungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, einen Halbleitereinkri stall quasi kontinuierlich zu ziehen und vom fertigen Stab von Zeit zu Zeit einen Abschnitt abzutrennen. Das dafür erforder liche Halbleitermaterial, insbesondere Silizium wird dem Schmelztiegel guasi kontinuierlich oder auch diskontinuierlich zugeführt. Dadurch ist es möglich, einen einmal begonnenen Kristallziehprozeß mit den eingestellten Gleichgewichtsbedin gungen wie beispielsweise Temperatur, Ziehgeschwindigkeit und Temperaturgradient über eine beliebig lange Zeit fortzuführen, ohne das Verfahren wie bislang üblich in regelmäßigen Abstän den zu unterbrechen, wobei bisher dann stets ein neues Ein stellen der Gleichgewichtsbedingungen erforderlich war.

Durch das regelmäßige Abschneiden des oberen Endes des gezo genen Kristallstabes befindet sich stets nur ein relativ kur zer Stab in der Apparatur, so daß diese mit deutlich geringe ren Ausmaßen insbesondere bezüglich der Höhe ausgeführt werden kann.

Als Rohmaterial zum Befüllen des Schmelztiegels wird üblicher weise polykristallines Silizium verwendet, welches in Form von Granulat, zum Beispiel aus einem gegossenen Siliziumblock her gestellt, zugeführt wird.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird das Kri stallziehverfahren mit einem Siliziumraffinierungsprozeß ge koppelt, bei dem das Solarsilizium bereits in flüssiger Form als Schmelze anfällt. Ein solches Verfahren stellt die carbo thermische Reduktion von hochreinem Siliziumdioxid mit hoch reinem Kohlenstoff im Lichtbogenofen dar.

Das Nachfüllen von Silizium, insbesondere in Form einer Sili ziumschmelze erfolgt vorteilhaft diskontinuierlich. Da der aus der Schmelze gezogene Halbleitereinkristall durch die Segrega tion reiner ist als die Schmelze, reichern sich in dieser mit abnehmendem Schmelzpegel verstärkt Verunreinigungen an. Mit weiter abnehmenden Schmelzpegel werden schließlich soviele Verunreinigungen in den Einkristall eingebaut, daß die Segre gation kompensiert ist. Die Bereiche des Kristallstabs, die infolgedessen eine unzulässig hohe Konzentration an Verunrei nigungen aufweisen, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in einfacher Weise ausgesondert werden, indem die entsprechenden Stücke einfach vom oberen Ende des Kristall stabes abgetrennt und verworfen werden.

Das Nachfüllen der Schmelze erfolgt erst dann, wenn der Schmelz pegel ein Minimum erreicht hat, mit dem gerade noch ein Kri stallziehen möglich ist. Durch Auffüllen des Schmelztiegels mit frischem Silizium sinkt die Konzentration der Verunreini gungen in der Schmelze erneut ab. An der Kristallisationsfront des Kristallstabes werden ebenfalls entsprechend weniger Ver unreinigungen in den Kristallstab eingebaut.

Alternativ kann bei Erreichen eines Minimalpegels im Schmelz tiegel die Schmelze ganz oder teilweise gegen frisches Halb leitermaterial ausgetauscht werden.

Das regelmäßige Abtrennen des oberen Endes des Kristallstabes macht eine seitliche Halterung des Kristallstabes erforderlich. In einfacher Weise kann diese mittels angetriebener Rollen er folgen und so gleichzeitig für die Förderung des Kristallsta bes in Ziehrichtung sorgen. Die Drehachse der Rollen ist daher bevorzugt senkrecht zur Ziehrichtung angeordnet.

Die Rollen selbst können eine zylindrische Form besitzen, oder ein den Kristallstab angepaßtes Profil aufweisen. Zur sicheren Halterung des Kristallstabes sind mindestens zwei Rollen erfor derlich, die dann auf gleicher Höhe des Kristallstabs angeord net sein müssen. Werden drei und mehr auch auf unterschiedli cher Höhe angeordnete Rollen verwendet, ist es ausreichend, wenn nur über eine Rolle angetrieben wird.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt die Halte rung des Kristallstabes über zangenähnliche Greifer. Um ein kontinuierliches Ziehen des Kristallstabs aus der Schmelze zu ermöglichen, sind mindestens zwei Greifer erforderlich, die während des Kristallziehens nacheinander zu einer tieferen Po sition hin versetzt werden.

Mit mindestens drei Greifern wird erreicht, daß der Kristall stab stets an zumindest zwei Greifern sicher gehalten wird.

Durch das regelmäßige Abtrennen der oberen Enden des Kristall stabes ist es möglich, eine aktive Kühlung des Kristallstabes einzusetzen. Diese Kühlung kann allseits am Kristallstab nach dem Greifer oder Rollensystem ansetzen oder diese Halterungen mit einbeziehen.

Als Kühlmöglichkeiten innerhalb der (geschlossenen) Apparatur kommen flüssigkeits- oder gasgefüllte Kühlrohre in Betracht.

In einer Ausführung der Erfindung weist die zum Kristallziehen verwendete Apparatur an ihrem oberen Ende eine Öffnung auf, durch die der gezogene Kristallstab nach außen befördert wird, wo auch das regelmäßige Abtrennen der oberen Enden des Kri stallstabes erfolgt. Bei dieser Ausführung ist es möglich, zur aktiven Kühlung eine Siedekühlung einzusetzen, bei der der Kristallstab mit einer inerten Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, die infolgedessen verdampft und so dem Kristallstab die Verdampfungsenthalpie entzieht. In der einfachsten Ausführungs form wird der Kristallstab dazu durch ein Wasserbad gezogen, welches mit Hilfe geeigneter Dichtungen gegen ein Auslaufen entlang des Kristallstabs gesichert ist. Das Abtrennen der oberen Stababschnitte kann dann auch gleich in diesem Wasser bad erfolgen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 eine Kristallziehvorrichtung,

Fig. 2 die Halterung des Kristallstabes über Rollen, während

Fig. 3 Details einer weiteren Ausführung einer Kristallzieh vorrichtung zeigt.

Fig. 1 zeigt schematisch eine für das erfindungsgemäße Verfah ren geeignete Kristallziehvorrichtung mit einem Gehäuse Gh, welches die wesentlichen Teile der Vorrichtung enthält. Ein Schmelztiegel ST bildet das Reservoir für das flüssige Halb leitermaterial und ist für einen zu ziehenden Siliziumkristall stab KS zum Beispiel aus Quarz gefertigt. Der Tiegel ist mit einer Heizung Hz beheizbar, um eine Achse Ac drehbar und ent lang dieser Achse verschiebbar. Der Kristallstab KS ist an einer Halterung Ha befestigt, die gleichzeitig den Kristall stab KS in Ziehrichtung ZR fördern kann. Sie besteht beispiels weise aus einem umsetzbaren Greifersystem, wobei jeder Greifer aus zumindest zwei in gleicher Höhe angreifenden Backen be steht. Über die Halterung Ha kann bereits eine Kühlung erfol gen.

An der Austrittsöffnung AÖ des Gehäuses Gh verläßt der Kri stallstab die temperierte und mit Inertgas gefüllte Kammer Ka.

Eine Trennvorrichtung TV unmittelbar oberhalb der Austritts öffnung AÖ ermöglicht das Abtrennen von Endstücken des Kristall stabes KS guer zur Ziehrichtung ZR.

Nur angedeutet ist eine Nachfüllvorrichtung NV, mit der Kri stallgranulat oder Schmelze über eine Leitung in den Schmelz tiegel ST nachgefüllt werden kann. Bei diskontinuierlicher Befüllung des Schmelztiegels ST kann der Tiegel entlang der Achse AC abgesenkt werden, damit stets eine gleiche Eintauch tiefe des Kristallstabs KS in die Schmelze SM gewährleistet ist. Doch ist es auch möglich, diese Schwankungen über eine entsprechende Steuerung des Förderungssystems bzw. des An triebs der Halterungen Ha auszugleichen. Eine Rotation des Schmelztiegels ST mit wechselnden Geschwindigkeiten und wech selndem Drehsinn um die Achse AC sorgt für eine gleichmäßige Kristallisation und eine gute Segregation.

Fig. 2 zeigt im schematischen Querschnitt, wie eine Halterung Ha für den Kristallstab KS aus Rollen aufgebaut sein kann. Die Rollen weisen ein dem hier rund dargestellten Querschnitt des Kristallstabs angepaßtes Profil Pr auf. Zumindest eine der Rollen Ha ist mit einem Antrieb zur Förderung des Kristallsta bes KS gekoppelt.

In Fig. 3 ist eine aus Zangen Za bestehende Halterung Ha und eine Einrichtung zur aktiven Siedekühlung KE schematisch dargestellt.

Während die beiden Zangen Za2 und Za3 am Kristallstab KS grei fen und diesen in Ziehrichtung ZR fördern, ist mit Pfeilen Um die Umsetzbewegung der Zange Za1 angedeutet. Dadurch wird eine kontinuierliche Förderung des Kristallstabs gewährleistet. An der Austrittsöffnung AÖ der Kammer Ka ist der Kristallstab KS mit einer Dichtung Di gegen das Gehäuse Gh abgedichtet. Über der Austrittsöffnung A0Öbefindet sich als Kühleinrichtung KE ein Wasserbad WB, durch das der Kristallstab gezogen wird. Nicht dargestellt ist eine Trennvorrichtung, die sich in oder über dem Wasserbad WB befinden kann. Eine Trennvorrichtung TV kann für mehrere Ziehanlagen vorgesehen sein.

Der besondere Vorteil einer aktiven Kühlung des Kristallstabs während des Wachstums besteht darin, daß dadurch die Ziehge schwindigkeit beträchtlich erhöht werden kann. Diese bestimmt sich nach der Gleichung V_max = (K_s/L*d) * dT/dx.

Dabei ist K_s die Wärmeleitfähigkeit, L die Schmelzwärme und d die spezifische Dichte von festem Silizium. Oieser Grenzwert rührt daher, daß der Term dT/dx, der den Temperaturgradienten im Kristallstab darstellt, durch die aktive Kühlung beeinflußt bzw. vergrößert wird. Bei bekannten Verfahren stellt sich die ser Temperaturgradient nur durch die Wärmeabgabe über die Ober fläche des Kristallstabs ein. Ein größerer Stabdurchmesser be dingt daher einen geringeren Temperaturgradienten und damit eine geringere V_max, wenn der Kristallstab nicht aktiv gekühlt wird. Durch die Verwendung möglichst kurzer Kristallstäbe und intensive Kühlung am Ende der Kristallstäbe wie beim erfin dungsgemäßen Verfahren kann der Term dT/dx um Faktor 3 und mehr gesteigert werden. Dadurch wird die kostenbestimmende Kristallwachstumsgeschwindigkeit deutlich erhöht.

Durch das Nachfüllen im Tiegel und das Greifersystem kann die Apparatur und klein und kostengünstig gehalten werden. Der Durchmesser des Kristallstabes wird nach dem Gesamtprozeß hin optimiert, das heißt sowohl auf die Kosten des Kristallstabs als auch der daraus hergestellten Produkte, zum Beispiel Solar zellen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden folgende Vorteile erzielt, die letztlich zu einer Senkung der Kosten für das Kristallziehverfahren beitra gen können:

- es besteht die Möglichkeit, eine kleinere Apparatur als bis her zu verwenden,
- gegebenenfalls können aus einem Schmelztiegel ST mehrere Kristallstäbe KS gezogen werden,
- der kontinuierliche Betrieb des Kristallziehverfahrens er zeugt kürzere Rüst- und Vorbereitungszeiten,
- es wird eine wesentlich höhere Ziehgeschwindigkeit erzielt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Kristallstabes nach einem Tiegelziehprozeß, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kristallstab (KS) kontinuierlich aus einem Schmelztiegel (ST) gezogen wird und daß in vorgege benen Zeitabständen vom oberen Ende des Kristallstabes mittels einer Trennvorrichtung (TV) Stücke abgetrennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schmelztiegel (ST) mit flüssigem Halbleitermaterial nachgefüllt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kristallstab (KS) an seinem oberen Ende aktiv gekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß mit den Kristallstab (KS) umschlingen den Kühlschlangen (KE) gekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest der Schmelztiegel (ST) in einer geschlossenen Apparatur (Gh, Ka) angeordnet ist, wobei das oberen Ende des Kristallstabes aus der Apparatur (Gh) herausragt und durch eine Siedekühlung (KE) aktiv gekühlt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Halterung (Ha) und Ziehbe wegung (ZR) des Kristallstabes (KS) über Rollen erfolgt, deren Achse (RA) senkrecht zur Ziehbewegung (ZR) angeordnet ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (Ha) und der Vortrieb des Kristallstabes (KS) in Ziehrichtung (ZR) mittels umsetzender Greifer (Za) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nachfüllen des Schmelz tiegels (ST) erst erfolgt, wenn der Pegel der Schmelze (Sm) einen Mindestwert erreicht hat, und daß aus dem Stab (KS) die bei einem niedrigen Pegelstand gezogenen Bereiche von den übrigen Bereichen abgetrennt werden.

9. Vorrichtung zum kontinuierlichen Ziehen eines Halbleiter kristallstabes (KS) aus einer Schmelze (Sm) mit

- einer weitgehend geschlossenen Kammer (Ka), die an ihrem oberen Ende einen dem zu ziehenden Kristallstab (KS) ent sprechenden Auslaß (AÖ) aufweist,
- einem beheizbaren Schmelztiegel (ST) zur Aufnahme der Schmelze (Sm) in der Kammer (Ka),
- einer seitlich an dem zu ziehenden Kristallstab greifenden Halterung (Ha),
- einem über die Halterung wirkenden mechanischen Antrieb zur senkrecht nach oben wirkenden Förderung (ZR) des Stabes,
- Mitteln (TV) zum Abtrennen von Endstücken des Kristallstabes außerhalb der Kammer und
- einer Einrichtung (KE) zum aktiven Kühlen des Kristallsta bes.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der für Halterung (Ha) und Förderung des Kristallstabes Rollen vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der zur Halterung (Ha) und zur Förderung des Kristallstabes (KS) zumindest zwei um setzbare Greifer (Za) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der die Einrichtung (KE) zum aktiven Kühlen eine Siedekühlung (WB) außerhalb der Kammer (Ka) umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (KE) zum aktiven Kühlen um den Kristallstab (KS) geschlungene Kühlrohre umfaßt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der Einrichtungen (NV) zum Auffüllen des Schmelztiegels (ST) mit Halbleitermaterial vorgesehen sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der der Schmelztiegel (ST) um eine vertikale Achse (Ac) drehbar und entlang dieser vertikalen Achse verschiebbar angeordnet ist.