DE60307497T2

DE60307497T2 - Verfahren und vorrichtung zum züchten mehrerer kristalliner bänder aus einem einzigen tiegel

Info

Publication number: DE60307497T2
Application number: DE60307497T
Authority: DE
Inventors: Lee Richard Acton WALLACE
Original assignee: Evergreen Solar Inc
Current assignee: Evergreen Solar Inc
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2023-10-29
Also published as: EP1558795B1; DE60307497D1; JP2006504613A; US20040083946A1; US20060191470A1; AU2003285067A1; EP1558795A1; US6814802B2; ES2270132T3; US20050051080A1; US7507291B2; WO2004042122A1; ATE335871T1; US7022180B2

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein die Kristallzüchtung. Die Erfindung betrifft insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum Züchten kristalliner Bänder aus Halbleitermaterialien.
Hintergrund der Erfindung
Siliciumlagenmaterial oder Siliciumbänder sind besonders wichtig bei der Herstellung kostengünstiger Solarzellen. Durch die kontinuierliche Züchtung von Siliciumbändern wird es unnötig gemacht, erzeugtes Siliciumgrundmaterial in Scheiben zu schneiden, um Wafer zu bilden. In den US-Patenten 4 594 229, 4 627 887, 4 661 200, 4 689 109, 6 090 199, 6 200 383 und 6 217 649 wird eine kontinuierliche Siliciumbandzüchtung ausgeführt, indem zwei Fäden eines Hochtemperaturmaterials durch einen Tiegel hochgezogen werden, der eine schmale Schicht geschmolzenen Siliciums enthält. Die Fäden dienen dazu, die Ränder des wachsenden Bands zu stabilisieren. Das geschmolzene Silicium gefriert knapp oberhalb der geschmolzenen Schicht zu einem festen Band. In den US-Patenten 6 090 199 und in 6 217 649 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Nachfüllen des Ausgangsmaterials in einem kontinuierlichen Siliciumband beschrieben. In der gegenwärtigen Praxis wird ein einziges Band aus einem einzigen Tiegel gezüchtet, wobei jede Bandmaschine einen solchen Tiegel aufweist. 1 zeigt diesen Prozess.
Um kostengünstigere Solarzellen zu erzeugen und daher elektrische Anwendungen der Solarelektrizität großen Umfangs zu erweitern, ist es wichtig, dass kostengünstigere Substratmaterialien zur Herstellung der Solarzellen zur Verfügung stehen. Die vorliegende Erfindung sieht neue und verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zum Züchten von Siliciumbändern vor.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wurden Verfahren und Vorrichtungen zur gleichzeitigen Züchtung mehrerer Bänder bzw. Mehrfachbänder aus einem einzigen Tiegel entwickelt. Diese Techniken ermöglichen das wirksame und kostengünstige Züchten von Solarzellen aus Silicium.
Gemäß einem Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1 zum kontinuierlichen Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern gleichzeitig in einem einzigen Tiegel vor. Es ist ein Tiegel vorgesehen, der mehrere Meniskusformungseinrichtungen aufweist, welche beabstandet angeordnet sind. Es ist eine Schmelze aus einem Halbleitermaterial in dem Tiegel gebildet. Die mehreren Meniskusformungseinrichtungen unterteilen die Schmelze in eine Mehrzahl abgesetzter Schmelzunterbereiche. Mehrere Fadenpaare sind in Bezug auf die mehreren Meniskusformungseinrichtungen angeordnet. Jedes Fadenpaar (i) hat einen festen Abstand zwischen sich, (ii) tritt aus einem der abgesetzten Schmelzunterbereiche aus und (iii) definiert ein Paar von Rändern eines Meniskus und steuert die Breite eines Bands. Die mehreren Fadenpaare werden kontinuierlich von der Oberfläche der Schmelze fortgezogen, um mehrere diskrete und im wesentlichen flache Halbleiterbänder zu bilden.
Gemäß einem anderen Aspekt minimiert die Erfindung Störungen infolge von Meniskuswechselwirkungen zwischen benachbarten Bändern bei einem System zum Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern. Eine Schmelze wird aus einem in einem offenen Tiegel angeordneten Halbleitermaterial gebildet. Die Schmelze wird durch Anordnen einer Mehrzahl von Meniskusformungseinrichtungen in dem Tiegel in eine Mehrzahl abgesetzter Schmelzunterbereiche unterteilt. Jeder Schmelzunterbereich weist eine abgesetzte Schmelzoberfläche auf, die durch eine Meniskusformungseinrichtung definiert ist. Mehrere Halbleiterbänder werden kontinuierlich aus dem Tiegel gezüchtet. Jedes der Bänder wird durch Ziehen an einem Paar beabstandeter Fäden von einer abgesetzten Schmelzoberfläche fort aus einem Schmelzunterbereich gezüchtet.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung nach Anspruch 16 zum kontinuierlichen Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern gleichzeitig in einem einzigen Tiegel vor. Die Vorrichtung beinhaltet einen Tiegel zum Aufnehmen einer Schmelze eines Halbleitermaterials, mehrere Meniskusformungseinrichtungen, die in dem Tiegel beabstandet angeordnet sind, um die Schmelze in eine Mehrzahl abgesetzter Schmelzunterbereiche zu unterteilen, mehrere Fadenpaare und mehrere Nachwärmer. Jedes Fadenpaar ist in Bezug auf eine der mehreren Meniskusformungseinrichtungen angeordnet. Jedes Fadenpaar (i) weist zwischen sich einen festen Abstand auf, (ii) tritt aus einem der Schmelzunterbereiche aus, (iii) definiert ein Paar von Rändern eines Meniskus und (iv) definiert eine Breite von einem der mehreren Halbleiterbänder, wenn das Fadenpaar aus dem Schmelzunterbereich gezogen wird. Jeder Nachwärmer ist neben einer Fläche von mindestens einem der Halbleiterbänder angeordnet, um die thermischen Profile der Halbleiterbänder zu steuern.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Einzelband-Züchtungssystems.
1B zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Einzelband-Züchtungssystems.
2A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Zweiband-Züchtungssystems.
2B zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Nachwärmer aufweisenden Zweiband-Züchtungssystems.
2C zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Zweiband-Züchtungssystems.
3A zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines zwei Meniskusformungseinrichtungen aufweisenden Zweiband-Züchtungssystems.
3B zeigt eine schematische Darstellung einer Aus führungsform eines zwei Meniskusformungseinrichtungen und Nachwärmer aufweisenden Zweiband-Züchtungssystems.
3C zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Meniskusformungseinrichtung.
4 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkung der Meniskusform als Funktion des Bandabstands bei einem System zum Züchten mehrerer Bänder.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Zweiband-Züchtungssystems mit einer Kopf-an-Ende-Konfiguration.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zum Züchten von neun Bändern.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Techniken zur kontinuierlichen und gleichzeitigen Züchtung mehrerer Halbleiterbänder bzw. von Mehrfachhalbleiterbändern aus einem einzigen Tiegel, d.h. aus einer einzigen Kristallzüchtungsmaschine. Das Verfahren und die Vorrichtung, die hier beschrieben werden, ermöglichen eine erheblich erhöhte Produktionsrate und -wirksamkeit und eine erhebliche Verringerung der mit dem Bandzüchtungsprozess verbundenen Kapital-, Material- und Arbeitskosten um einen Faktor, der im wesentlichen gleich der Anzahl der je Maschine erzeugten Bänder ist. Beispielsweise verringert die Verwendung eines Doppel-Bandzüchtungssystems, in dem zwei Bänder gleichzeitig im selben Tiegel gezüchtet werden, die mit dem Prozess verbundenen Kosten auf die Hälfte (abgesehen von dem Silicium- und Faden-Ausgangsmaterial). Zusätzlich kann der in Bezug auf die Bandfläche je Zeiteinheit gemessene Ausstoß, d.h. der so genannte Flächenausstoß, erheblich vergrößert werden, wodurch eine umfangreiche Produktion in kurzer Zeit ermöglicht wird, ohne dass zusätzliche Geräte erforderlich wären.
Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung allgemein ein Verfahren zum kontinuierlichen Züchten mehrerer Halbleiterbänder bzw. von Mehrfachhalbleiterbändern gleichzeitig in einem einzigen Tiegel. Zwei Hauptfaktoren, die mit dem Züchten mehrerer Fadenbänder aus einem einzigen Tiegel verbunden sind, sind (1) die Gleichmäßigkeit des thermischen Gradienten von Band zu Band und mögliche Asymmetrien, die mit der Züchtung mehrerer Bänder verbunden sind, und (2) Meniskuswechselwirkungen zwischen den benachbarten Bändern. Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß der Erfindung berücksichtigen jeden dieser Faktoren, um eine gleichzeitige Züchtung mehrerer Bänder in einem einzigen Tiegel zu ermöglichen, die diskret und im wesentlichen flach sind. Bei der Züchtung eines Siliciumbands wird das Silicium vertikalen thermischen Gradienten in der Größenordnung mehrerer hundert °C/cm unterzogen, wenn es sich von seiner Schmelztemperatur von etwa 1412°C abkühlt. Die mangelnde Duktilität von Silicium und die von Null verschiedene zweite Ableitung der Kühlkurve können zu großen Spannungen in dem Band führen und es schwierig machen, ein flaches und breites Band zu züchten.
Ein Teil der Spannungen wird durch die Bildung von Versetzungen in der Kristallstruktur und/oder durch ein ausbauchendes Wachstum aus der Bandebene heraus vermindert. Das Ausbauchen des Bands führt zu nicht flachen Bändern, welche für Solarzellenanwendungen nicht wünschenswert sind. Zum Erleichtern der Züchtung flacher Bänder kann das Kühlprofil (entlang der Züchtungsachse gemessen) so ausgelegt werden, dass die Spannungen minimiert werden, beispielsweise unter Verwendung eines Nachwärmers (manchmal als Strahlungsabschirmung bezeichnet). In der 13A des US-Patents 4 627 887 ist ein Beispiel von Strahlungsabschirmungen dargestellt. Die Nachwärmerkonstruktion kann auch die restlichen Spannungen in dem gezüchteten Band beeinflussen. Bänder mit geringeren Spannungen können typischerweise mit höheren Ausbeuten verarbeitet werden.
Ein herkömmliches Fadenband-Züchtungsverfahren ist in 1A dargestellt. Ein kontinuierliches Bandzüchtungssystem 10 umfasst einen Tiegel 11, in dem sich eine Schmelze 12 aus Silicium befindet, und ein Paar von Fäden 15, die sich durch den Tiegel 11 erstrecken. Ein kristallines Band aus Silicium 17 wird langsam aus der Schmelze 12 gezogen, wenn das kühlere flüssige Silicium an dem oberen Teil des Meniskus 19 kristallisiert. Die Fäden 15, die durch Löcher (nicht dargestellt) in dem Boden des Tiegels 11 hindurchtreten, werden in das kristalline Band 17 aufgenommen und definieren dessen Randbegrenzungen 18a und 18b. Die Fäden 15 stabilisieren die Ränder 18a und 18b, wenn das Band 17 gezüchtet wird. Die Oberflächenspannung des Siliciums verhindert ein Lecken durch die Löcher des Tiegels 11, durch die die Fäden 15 hindurchtreten. Bei dem kontinuierlichen Züchtungssystem 10 können der Tiegel 11 und die Schmelze 12 in einem mit Inertgas gefüllten Gehäuse (nicht dargestellt) untergebracht sein, um die Oxidation des geschmolzenen Siliciums zu verhindern.
1B zeigt eine schematische Schnittansicht des in 1A dargestellten Fadenband-Züchtungssystems. Die Form des Meniskus 19 und die vertikale Position seiner Befestigung an dem Band (an der Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche, d.h. der Grenzfläche zwischen der Schmelze 12 und dem Band 17) sind in erster Linie durch physikalische Konstanten (Laplace-Gleichung), die nominelle Tiefe der Schmelze in dem Tiegel und schwach durch die Seiten 13 des Tiegels 11 festgelegt. Der Kopplungsgrad zwischen dem Meniskus 19 des Bands und der Tiegelwand steht in Beziehung zum physikalischen Abstand zwischen dem Band und den Tiegelseiten 13. Nachwärmer oder Strahlungsabschirmungen 14 sind symmetrisch auf jeder Seite eines gezüchteten Bands 17 angeordnet, um das vertikale thermische Profil zu modifizieren und die Züchtung von geringe Spannungen aufweisenden Bändern zu fördern. Für die Züchtung eines einzigen Bands in der Art des in 1A dargestellten kann der Nachwärmer in einer symmetrischen Anordnung auf beiden Seiten eines gezüchteten Bands angeordnet sein, wie in 1B dargestellt ist.
Für die Züchtung mehrerer Bänder aus einem einzigen Tiegel gibt es eine geometrische Asymmetrie, die zu einer thermischen Asymmetrie des Strahlungsflusses führt, wie nachstehend erörtert wird.
2A zeigt ein kontinuierliches Zweiband-Dualzüchtungssystem 20. Das System 20 umfasst einen Tiegel 21, worin sich eine Schmelze 22 aus Silicium befindet, und zwei Fadenpaare 25a und 25b, die sich durch den Tiegel 21 erstrecken. Jedes der zwei Fadenpaare 25a und 25b weist einen festen Abstand dazwischen auf, und sie treten aus der Schmelze 22 aus. Zwei kristalline Bänder 27a und 27b aus Silicium werden aus der Schmelze 22 gezogen, wenn das kühlere flüssige Silicium an den oberen Teilen der Meniski 29a bzw. 29b kristallisiert. Die beiden Fadenpaare 25a und 25b, die durch Löcher (vier Löcher zum Unterbringen von zwei Fadenpaaren, welche wiederum nicht dargestellt sind) im Boden des Tiegels 21 hindurchtreten, werden in die Randbegrenzungen der kristallinen Bänder 27a und 27b aufgenommen und definieren diese. Die beiden Fadenpaare 25a und 25b stabilisieren die Ränder der Bänder 27a bzw. 27b. Die Oberflächenspannung des Siliciums verhindert ein Lecken durch die Löcher des Tiegels 21, durch die die Fäden 25a und 25b hindurchtreten.
Die Schnittansicht des in 2A dargestellten Systems ist in 2B mit zusätzlichen Nachwärmern versehen. Die Gesamtbreite des in den 2A und 2B dargestellten Tiegels 21 gleicht der Breite des in den 1A und 1B dargestellten Tiegels 11. Die Form der Meniski 29a und 29b und ihre vertikale Position am Anbringungspunkt (an den Festkörper-Flüssigkeit-Grenzflächen, d.h. der Grenzfläche zwischen der Schmelze 22 und den Bändern 27a bzw. 27b) sind durch die seitliche Anordnung der gezüchteten Bänder und die Seiten 23 des Tiegels 21 sowie durch die nominelle Tiefe der Schmelze in dem Tiegel festgelegt. Es gibt eine stärkere Wechselwirkung zwischen den Meniski 29b und 29a mit den Seiten 23 des Tiegels 21 als zwischen dem Meniskus 19 und den Seiten 13 des Tiegels 11 (in 1A dargestellt), weil der Abstand zwischen den Bändern und den Tiegelseiten bei dem in den 2A und 2B dargestellten Zweibandsystem erheblich geringer ist. Nachwärmer oder Strahlungsabschirmungen 24 sind neben den Außenflächen (26a und 26b) der Bänder 27a und 27b angeordnet. Wie ersichtlich ist, gibt es infolge der Anordnung der Nachwärmer 24 eine mögliche geometrische Asymmetrie. Neben den Innenflächen (26c und 26d) der Bänder 27a und 27b sind keine Nachwärmer angeordnet, wie durch den gepunkteten Bereich 24a angegeben ist.
2C zeigt eine Draufsicht des in 2A dargestellten Züchtungssystems, worin eine Fadenbandzüchtung ausgeführt wird. Ein stark gekrümmter Meniskus tritt bei dem Züchtungssystem aus 2A sowohl an der Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche, an der die Züchtung geschieht, als auch an den Seiten des Tiegels auf. Eine praktische Grenze für die Breite eines Tiegels für eine Einzelbandzüchtung ist derart, dass dieser Meniskus entlang seiner gesamten Fläche gekrümmt ist. Das heißt, dass der Abstand zum Tiegelrand nie groß genug ist, um eine flache oder sogenannte freie Schmelzoberfläche zu ermöglichen. Für den Einzelbandtiegel ist der Abstand zwischen dem Band und den Tiegelseiten groß genug, damit die Wechselwirkung schwach ist. Um wirtschaftliche Vorteile aus der Züchtung mehrerer Bänder zu erzielen, ist es wünschenswert, diesen Abstand zu verringern und den Abstand zwischen den Bändern zu minimieren. Zum Verringern der Oberflächenenergie neigen die zwei Meniski zwischen zwei wachsenden Bändern dazu, die Oberfläche zwischen ihnen zu verringern. Im Grenzfall bewirkt diese kapillare Anziehung, dass die beiden Bänder ineinander übergehen, wodurch die Züchtung mehrerer Bänder unmöglich wird. Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen einfachen kapillaren Anziehung existiert eine Züchtungsinstabilität, die bewirkt, dass benachbarte wachsende Bänder dazu neigen, ineinander überzugehen, falls zugelassen wird, dass ihre jeweiligen Meniski einander beeinflussen. Die Ränder der Bänder sind wegen der vorhandenen Fäden noch in ihrer Position festgehalten, Meniskuswirkungen bewirken jedoch, dass die beiden Bänder zusammengezogen werden und schließlich in ihren Mitten ineinander übergehen (wie in 2C dargestellt ist).
Eine Ausführungsform des Systems zum Züchten mehrerer Bänder gemäß der Erfindung ist in den 3A und 3B dargestellt. 3A zeigt ein ähnliches System wie das in 2A dargestellte, wobei jedoch zwei Meniskussteuereinrichtungen (d.h. Meniskusformungseinrichtungen) 3a und 3b um die beiden Fadenpaare 35a bzw. 35b angeordnet sind. Die Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b unterteilen die Schmelze 32, um Unterbereiche 3c bzw. 3d zu bilden. Die beiden Fadenpaare 35a und 35b werden für die beiden Bänder 37a und 37b kontinuierlich von der Schmelze 32 fortgezogen.
3B ist eine Schnittansicht eines in 3A dargestellten Zweiband-Dualzüchtungssystems 30. 3C zeigt eine der Meniskusformungseinrichtungen 3a im Detail. Die Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b ermöglichen einen Kontakt mit dem Großteil der Schmelze durch die Öffnungen 3e und 3f am Boden der Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b. Die Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b unterteilen die Schmelze 32, so dass Unterbereiche 3c bzw. 3d gebildet sind, von denen aus die zwei Bänder 37a und 37b wachsen. Die oberen Teile (3a' und 3b') der Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b definieren die Meniski 39a bzw. 39b. Für die Züchtung eines Bands (beispielsweise 37a) kann der Meniskus 39a unabhängig von dem Meniskus 39b des nahegelegenen Bands 37b wirken. Demgemäß sind bei einer solchen Konfiguration die Form der Meniski 39a und 39b und die vertikale Position ihrer Anbringung an dem wachsenden Band (an der Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche) nun durch die oberen Teile (3a' und 3b') ihrer jeweiligen Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b und nicht durch das benachbarte Band (37a oder 37b) und eine weiter entfernte Tiegelseite 33 festgelegt. Daher bewirken die Meniskusformungseinrichtungen das Beseitigen der Wechselwirkung zwischen den benachbarten wachsenden Bändern.
Der Abstand zwischen den Formungseinrichtungen kann geändert werden, um zu einer bestimmten Anwendung zu passen. Ohne durch die nachstehend dargelegte Theorie beschränkt sein zu wollen, sei bemerkt, dass der dichteste Abstand für die Meniskusformungseinrichtungen für die Züchtung mehrerer Bänder nach der folgenden Analyse bestimmt werden kann. Auf der Grundlage davon, dass der Befestigungswinkel des flüssigen Siliciums an dem wachsenden Band bei etwa 11° konstant ist, und auf der Grundlage der Dichte und der Oberflächenspannung des flüssigen Siliciums sowie einer Schätzung der Höhe der Grenzfläche oberhalb der freien Schmelzoberfläche ist es möglich, die zugrunde liegende Gleichung (die nachstehende Laplace-Gleichung) zu integrieren und schrittweise über den gewünschten seitlichen Abstand entlang der Meniskusoberfläche zu gehen. Aufeinander folgende Iterationen werden ausgeführt, bis die erwünschten Randbedingungen erfüllt wurden. Laplace-Gleichung: p = Y (1/R1 + 1/R2)
Hierbei sind: p der Druckabfall an der Grenzfläche, Y die Oberflächenspannung und R₁ und R₂ Hauptkrümmungsradien.
Diese Technik führt zu einer Kurvenfamilie für Meniskusformen als Funktion des Abstands zwischen den beiden Bändern, wie in 4 dargestellt ist. Diese Kurven zeigen eine Hälfte des Meniskusquerschnitts. Der äußerste linke Rand ist die Fläche des wachsenden Bands, an der der Meniskus befestigt werden muss, und die horizontale Achse ist die Entfernung von dieser Bandoberfläche. Die vertikale Achse ist die Meniskushöhe über der freien Schmelzoberfläche. Jede Kurve stellt einen anderen vorgeschlagenen Abstand zwischen den Bändern dar. Durch Erkennen, dass eine Meniskusformungseinrichtung diesen Meniskus schneiden muss, damit die beiden Bänder voneinander entkoppelt werden, kann 4 als ein Entwurfswerkzeug verwendet werden.
Gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform werden 8 mm breite Meniskusformungseinrichtungen oder solche mit einem Maß von 4 mm auf der in 4 dargestellten Halbwertsskala mit einem Bandabstand von 0,5 Zoll angeordnet, wobei eine vertikale Position von mindestens 3,5 mm oberhalb der freien Schmelzoberfläche erforderlich ist. Weil eine gewisse Variation der Kontrolle der Schmelztiefe in einem Tiegel gegeben ist, führt dies zu einer erforderlichen Höhe von etwa 5 mm oberhalb der freien Schmelzoberfläche. Unter der Annahme einer nominellen Tiefe der Schmelze von 4 mm führt dies dann zu einer Höhe der Meniskusformungseinrichtung von 9 mm über dem Boden des Tiegels. Um die Züchtung mehrerer Bänder möglich zu machen, ist es wichtig, die Schmelztiefe zu steuern. Das US-Patent 6 200 383 beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Schmelztiefe.
Die Konfigurationen der Fadenpaare können derart sein, dass die Bänder beispielsweise in einem gegenüberstehenden Muster gezüchtet werden, wie in den 3A bis 3B dargestellt ist, oder in einem Kopf-an-Ende-Muster gezüchtet werden, wie in 5 dargestellt ist. Die Konfiguration kann auch eine Mischung einer Kopf-an-Ende- und einer gegenüberstehenden Konfiguration sein, beispielsweise eine Matrixkonfiguration oder eine andere Konfiguration in der Art einer radialen Konfiguration, wobei Bänder so angeordnet werden, dass sie den Speichen eines Rads ähneln.
Die mehreren Meniskusformungseinrichtungen können eine identische Form und Größe oder verschiedene Formen und/oder Größen aufweisen. Die mehreren Fadenpaare können auch verschiedene Abstände zwischen den Fäden innerhalb eines Paars aufweisen, wodurch ein gleichzeitiges Züchten von Fäden mit unterschiedlichen Größen ermöglicht wird. Die Bänder werden typischerweise in einer Richtung senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zu der Schmelzoberfläche, aus der das Band gezüchtet wird, gezogen. Bei bestimmten Züchtungssystemen können andere Züchtungsrichtungen, beispielsweise ein gewinkeltes Ziehen von Fäden, verwendet werden, um die gewünschten Bandspezifikationen zu erreichen.
Die Anzahl der Bänder, die aus einem einzigen Tiegel gezüchtet werden können, kann entsprechend den Anwendungen geändert werden. Gemäß einer in 6 dargestellten Ausführungsform werden neun Bänder gleichzeitig aus einem einzigen Tiegel 61 gezüchtet. Neun Meniskusformungseinrichtungen (6a bis 6i) sind in dem Tiegel 61 angeordnet, um neun Schmelzunterbereiche (6a' bis 6i') zu bilden. Jeder der neun Unterbereiche unterstützt das Züchten eines Fadenbands. Nachwärmer 64 sind neben den Außenflächen (66a und 66i) der beiden äußersten Bänder (67a und 67i) angeordnet. Zwischen den inneren Bändern (67b bis 67h) befindet sich nichts, wie durch die gepunkteten Bereiche 64a angegeben ist. Für die inneren Bänder (67b bis 67h), die gegenüberstehend angeordnet sind, wie in 6 dargestellt ist, ist die umgebende thermische Umgebung in erster Linie auf die benachbarten wachsenden Bänder zurückzuführen und daher sehr gleichmäßig und konstant, weil jedes Band nun von Oberflächen mit konstantem Emissionsgrad umgeben ist. In diesem Fall wirken die benachbarten Bänder füreinander als Nachwärmer.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Minimieren von Störungen zwischen benachbarten Bändern in einem System zum Züchten mehrerer Halbleiterbänder vor. Gemäß einer als Beispiel dienenden Ausführungsform werden, wie wiederum in den 3A–3B dargestellt ist, die Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b zum Minimieren der Störungen zwischen benachbarten gezüchteten Bändern 37a und 37b in einem Zweiband-Dualzüchtungssystem verwendet. An Stelle der benachbarten Bänder und Seiten 33 des Tiegels 31, welche die Meniski 39a und 39b festlegen, stellen die Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b die Randbegrenzungen für isolierte Schmelzunterbereiche 3c und 3d bereit (jeweils mit einer durch die Meniskusformungseinrichtungen definierten eigenen Schmelzoberfläche), von denen zwei Fadenpaare kontinuierlich von der Schmelze fortgezogen werden und zwei Bänder gezüchtet werden.
Ähnlich werden in 6 Meniskusformungseinrichtungen 6a bis 6i verwendet, um die Störungen zwischen benachbarten gezüchteten Bändern 67a bis 67i in einem Dualwachstums system für neun Bänder zu minimieren. An Stelle der benachbarten Bänder und Seiten 63 des Tiegels 61, welche die Meniski 69a bis 69i bestimmen, stellen die Meniskusformungseinrichtungen 6a bis 6i die Grenzen für neun isolierte Schmelzunterbereiche (6a' bis 6i', die jeweils eine eigene durch die Meniskusformungseinrichtungen definierte Schmelzoberfläche aufweisen) bereit, von denen die neun Fadenpaare (nicht dargestellt) kontinuierlich gezogen werden und neun Bänder 67a bis 67i gezüchtet werden.
Es wurde nun entdeckt, dass das Bandwachstum nicht durch eine geometrische Asymmetrie in der thermischen Strahlungsumgebung beeinflusst wird, die beispielsweise dadurch erzeugt wird, dass ein Nachwärmer nur auf einer Seite des Bands bereitgestellt wird. Der Wärmewiderstand des Bands infolge seiner Dicke ist so gering, dass eine Symmetrie der Strahlungsumgebung nicht erforderlich ist. Demgemäß kann der Strahlungsfluss auf beiden Seiten eines gezüchteten Bands asymmetrisch sein und dabei noch ein erfolgreiches Züchten flacher Bänder zulassen. Diese Beobachtung ist von besonderer Bedeutung für ein Zweibandsystem, weil jedes Band eine identische Strahlungsumgebung "sieht".
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Züchtung vieler Bänder aus einem einzigen Tiegel zu einer thermischen Umgebung für alle inneren Bänder, mit Ausnahme der beiden äußeren Bänder, führt, die zeitlich sehr gleichmäßig ist. Die zeitliche Gleichmäßigkeit kann besonders wertvoll sein, weil Fachleuten wohlbekannt ist, dass sich Ablagerungen von Siliciumoxid oder Siliciumcarboxid im Laufe der Zeit auf den Nachwärmern ansammeln können und dadurch ihre Strahlungseigenschaften beeinflussen können.
Dies kann wiederum zu Änderungen des thermischen Profils führen, welche es schwieriger machen können, die Züchtung eines flachen Bands mit geringen Spannungen zu erreichen.
Die Erfindung sieht auch eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Züchten mehrerer Halbleiterbänder gleichzeitig in einem einzigen Tiegel vor. Als Beispiel dienende Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den 3A, 3B und 6 dargestellt.
Wiederum mit Bezug auf 3A sei bemerkt, dass eine Ausführungsform eines Zweiband-Züchtungssystems 30 einen Tiegel 31 zum Aufnehmen einer Schmelze 32, Meniskusformungseinrichtungen 3a und 3b zum Unterteilen der Schmelzoberfläche, Fadenpaare 35a und 35b, die in dem Tiegel angeordnet sind und aus den Meniskusformungseinrichtungen 3a bzw. 3b austreten, und Nachwärmer 34 (in 3A nicht dargestellt, jedoch in 3B dargestellt), die neben den Außenflächen (26a und 26b) der Bänder 37a und 37b angeordnet sind, aufweist.
Wiederum mit Bezug auf 6 sei bemerkt, dass eine Ausführungsform eines Systems 60 zum Züchten von neun Bändern einen Tiegel 61 zum Aufnehmen einer Schmelze 62, Meniskusformungseinrichtungen 6a bis 6i zum Unterteilen der Schmelzoberfläche, neun Fadenpaare (nicht dargestellt), die in dem Tiegel angeordnet sind und aus den jeweiligen Meniskusformungseinrichtungen 6a bis 6i austreten, und Nachwärmer 64, die neben den Außenflächen (66a und 66i) der Bänder 67a und 67i angeordnet sind, aufweist.
Ein Gehäuse ist typischerweise aufgenommen, um die Schmelze und einen Teil des sich verfestigenden Bands, insbesondere die Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche und jeden Teil des Bands mit einer Temperatur von 400°C oder darüber, von der Umgebung zu isolieren. Das Gehäuse ist typischerweise mit einem Inertgas, beispielsweise Argon, gefüllt.
Lagenmaterialien oder Bänder aus Materialien, die unter Verwendung der Verfahren und der Vorrichtung, die hier erörtert wurden, gezüchtet werden können, umfassen beispielsweise Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumarsenid, Galliumantimonid, Indiumantimonid, Indiumphosphid, Galliumarsenidantimonid, Galliumnitrid, ternäre Verbindungen und Legierungen davon. Die Verfahren und die Vorrichtung, die vorstehend erörtert wurden, können auf Systeme zum Züchten mehrerer Bänder angewendet werden, bei denen zwei, drei, vier oder mehr (beispielsweise zwanzig) Bänder gleichzeitig aus einem einzigen Tiegel gezüchtet werden.
Es sei hier auf jedes der vorstehend offenbarten Patentdokumente in seiner Gesamtheit verwiesen. Variationen, Modifikationen und andere Implementationen dessen, was hier beschrieben wurde, werden Durchschnittsfachleuten einfallen, ohne vom Gedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist die Erfindung nicht auf die vorstehende erläuternde Beschreibung beschränkt anzusehen.

Claims

Verfahren zum Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern in einem einzigen Tiegel mit den folgenden Schritten: Bilden einer Schmelze aus einem Halbleitermaterial, das in einem offenen Tiegel angeordnet ist, Unterteilen der Schmelze in eine Mehrzahl von abgesetzten Schmelzunterbereichen durch Anordnen einer Mehrzahl von Meniskusformungseinrichtungen in dem Tiegel, wobei jeder Schmelzunterbereich eine abgesetzte Schmelzoberfläche aufweist, die durch die Meniskusformungseinrichtung definiert ist, und kontinuierliches Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern, wobei jedes der Bänder durch Ziehen eines Paars beabstandeter Fäden von der abgesetzten Schmelzoberfläche fort aus einem Schmelzunterbereich gezüchtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das des weiteren das kontinuierliche Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern umfasst, indem mehrere Paare beabstandeter Fäden in Bezug auf die Mehrzahl der Meniskusformungseinrichtungen angeordnet werden, wobei jedes Paar der beabstandeten Fäden (i) zwischen sich einen festen Abstand aufweist, (ii) aus einem der abgesetzten Schmelzunterbereiche austritt und (iii) ein Paar von Rändern eines Meniskus definiert und die Breite des jeweiligen Halbleiterbands steuert.
Verfahren nach Anspruch 2, das des weiteren das Ziehen der mehreren Paare beabstandeter Fäden kontinuierlich von der abgesetzten Schmelzoberfläche fort umfasst, um mehrfache diskrete und im wesentlichen flache Halbleiterbänder zu bilden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Halbleiterbändern minimiert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Halbleitermaterial Silicium, Germanium, Siliciumcarbid ist oder aus Legierungen davon besteht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das des weiteren das Positionieren mehrerer Nachwärmer in Bezug auf die Bänder umfasst, wobei jeder Nachwärmer neben einer Fläche mindestens eines der Bänder angeordnet wird, um die thermischen Profile der Bänder zu steuern.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das des weiteren das Anordnen der mehreren Fadenpaare so in Bezug auf die mehreren Meniskusformungseinrichtungen umfasst, dass die Bänder im wesentlichen parallel zueinander in einem gegenüberstehenden Muster gezüchtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des weiteren das Anordnen der mehreren Fadenpaare so in Bezug auf die mehreren Meniskusformungseinrichtungen umfasst, dass die Bänder im wesentlichen in einem Kopf-an-Ende-Muster gezüchtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das des weiteren das Anordnen der mehreren Fadenpaare so in Bezug auf die mehreren Meniskusformungseinrichtungen umfasst, dass die Bänder in einem Muster gezüchtet werden, das benachbarte Bänder sowohl in einem gegenüberstehenden Muster als auch in einem Kopf-an-Ende-Muster aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die mehreren Meniskusformungseinrichtungen identische Größen und Formen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die mehreren Meniskusformungseinrichtungen unterschiedliche Größen oder Formen aufweisen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zwei bis zwanzig Bänder gleichzeitig gezüchtet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem sich der Abstand zwischen den jeweiligen Fadenpaaren ändert.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das des weiteren das Ziehen der mehreren Fadenpaare in eine Richtung senkrecht zu der Schmelzoberfläche umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, das des weiteren das Ziehen der mehreren Fadenpaare in eine andere Richtung als senkrecht zu der Schmelzoberfläche umfasst.
Vorrichtung zum kontinuierlichen Züchten von Mehrfachhalbleiterbändern gleichzeitig in einem einzigen Tiegel mit: einem Tiegel zum Aufnehmen einer Schmelze eines Halbleitermaterials, mehreren Meniskusformungseinrichtungen, die in dem Tiegel beabstandet angeordnet sind, um die Schmelze in eine Mehrzahl abgesetzter Schmelzunterbereiche zu unterteilen, und mehreren Fadenpaaren, wobei jedes Paar in Bezug auf eine der mehreren Meniskusformungseinrichtungen angeordnet ist, wobei jedes Fadenpaar (i) zwischen sich einen festen Abstand aufweist, (ii) aus einem der Schmelzunterbereiche austritt, (iii) ein Paar von Rändern eines Meniskus definiert und (iv) eine Breite von einem der Mehrfachhalbleiterbänder definiert, wenn das Fadenpaar aus dem Schmelzunterbereich gezogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei jedes Fadenpaar durch ein Löcherpaar in dem Tiegel hindurchtritt.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, mit des weiteren mehreren Nachwärmern, wobei jeder Nachwärmer neben einer Fläche mindestens eines der Halbleiterbänder angeordnet ist, um die thermischen Profile der Halbleiterbänder zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei jeder Nachwärmer neben einer Außenfläche eines Bands angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei sich der Abstand zwischen den Fäden jedes Fadenpaars ändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, mit des weiteren einem Gehäuse zum Isolieren der Schmelze und eines Abschnitts des sich verfestigenden Bands mit einer Festkörper-Flüssigkeit-Grenzfläche und einer Temperatur von 400°C oder darüber gegenüber der Umgebung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 mit zwei bis zwanzig Fadenpaaren zum gleichzeitigen Züchten von zwei bis zwanzig Bändern.