DK152059B - Fremgangsmaade til fremstilling af et kontinuert krystallinsk baand ud fra en smelte - Google Patents

Description

DK 152059 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af legemer af et kontinuert krystallinsk bånd ud fra en smelte.

Som bekendt anvendes pladeformede legemer af for-5 skellige smeltelige krystallinske materialer, fortrinsvis i monokrystallinsk form, til forskellige formål, såsom pladeformede legemer af halvledermateriale, især germaniunog silicium, og af forskellige oxydiske materialer, f.eks. til brug som substrat for et halvlederlag 10 eller et lag af et materiale, hvori der kan dannes magnetiske bobler.

Sådanne pladeformede legemer fremstilles sædvanligvis ved udsavning af en stavformet enkeltkrystal. Det er imidlertid også blevet beskrevet, hvorledes plade-15 formede halvlederlegemer kan tilvirkes fra et båndformet tvillingdannet krystal, der er fremstillet som et kontinuert bånd ved trækning med højere hastighed fra en underafkølet smelte af en tvillingdannet kimkrystal, som er orienteret på en egnet måde. Sådanne fremgangsmåder 20 kendes både for germanium og for silicium. Pladeformede halvlederlegemer kan tilvirkes fra sådanne båndformede krystaller med betydelig mindre materialetab end ved udsavning fra en monokrystallinsk stav. Især ved fremstilling af halvlederindretninger med et stort overflade-25 areal som f.eks. solceller af silicium kan fremstillingen af båndformede enkeltkrystaller være en fordel. Sådanne solceller, der er samlet til dannelse af solbatterier, har vist sig særligt egnede i rumforskningen, hvor satellitternes elektricitetsforsyning i væsentlig ud-30 strækning er baseret på sådanne solceller.

Den sædvanlige fremgangsmåde til fremstilling af monokrystallinsk silicium i tynde plader til fremstilling af et solbatteri ud fra cylindriske siliciumkrystaller, der er tilvirket ved trækning, udsavning i skiver 35 og mekanisk og dernæst kemisk polering af disse skiver giver et materialetab, som overstiger 50% af det enkeltkrystal, hvorfra man startede. Af denne grund må frem- 2

DK 152059 B

stilling af silicium i form af et kontinuert bånd ved hjælp af en egnet dyrkningsmetode foretrækkes. En anden fremgangsmåde til fremstilling af aflange enkeltkrystaller af den ønskede tværsnitsform inklusive kontinuert 5 båndform er beskrevet i engelsk patent nr. 1.205.544.

Ifølge denne fremgangsmåde dyrkes et aflangt monokrystallinsk krystal af et givet tværsnit ved hjælp af en kimkrystal, som bringes i kontakt med en flydende film, der dækker den øvre overflade af et element med en over-10 flade svarende til den ønskede tværsnitsform. Dette element anbringes i en smeltedigel, som er fyldt med det smeltede polykrystallinske materiale, hvoraf man ønsker at fremstille en aflang krystal. Elementet har en spalte og er fremstillet af et stof, som kan befugtes af det 15 smeltede materiale. Smeltediglen opvarmes, det smeltede materiale trænger ind i spalten på grund af kapillareffekten og stiger op for at fremkomme ved den øvre ende af spalten og danne en tynd flydende film, i hvis nærhed kimkrystallet af det nævnte materiale er anbragt; 20 en smeltezone dannes dernæst mellem den tynde film og kimkrystallen. Ved trækning af kimkrystallen dannes der en aflang enkeltkrystal af det nævnte materiale med den ønskede tværsnitsform, f.eks. af form som et bånd. Tilførslen af polykrystallinsk materiale skal kompensere for 25 den borttrukne materialemængde, som vokser på kimkrystallen, for at krystallen skal opnå et i hovedsagen ensartet tværsnit, og afbrydelse i krystalvæksten undgås .

Denne fremgangsmåde har ulemper, især hvad angår 30 fremstillingen af båndformede enkeltkrystaller.

Først og fremmest er fremgangsmåden baseret på kapillareffekten, hvorefter siliciumet i den i smeltebadet anbragte spalte efterhånden stiger op. Som følge heraf er formen og tykkelsen af det trukne monokrystal-35 linske siliciumbånd begrænset.

Dernæst vil smelten, hvis opvarmningen af smeltediglen tilfældigt afbrydes, stivne i badet, så at der 3

DK 152059 B

kan fremkomme mekaniske spændinger, især hvis rumfanget forøges, som det er tilfældet for silicium. Dette kan medføre beskadigelse af det anvendte udstyr og materialetab.

5 En anden ulempe skyldes, at smelten er i kontakt med smeltediglens væg, der f.eks. består af siliciumoxyd i tilfældet med silicium, igennem længere tid, og denne langvarige berøring kan medføre, at der overføres uønskede urenheder til smeltebadet.

10 Endelig kan dyrkning fra et smeltebad nødvendig gøre brug af en forholdsvis stor mængde materiale, hvorfor der kan ske kostbare materialetab i tilfælde af fejl ved processen.

Det er en hensigt med den foreliggende opfindelse 15 at formindske eller fjerne en eller flere af disse forskellige ulemper. Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at smelten bringes til at flyde langs i det mindste én befugtelig overflade på et opvarmet langstrakt element, og at en kimkrystal nær den nedre begrænsning af over-20 fladen befugtes med smelten og trækkes bort.

Ifølge en foretrukket udførelsesform kan der ved fremgangsmåden anvendes en smelte, der består af halvledermateriale, især silicium.

Den anvendte atmosfære kan omfatte mindst en ædel-25 gas, såsom argon eller helium, hvortil der kan være føjet en given mængde hydrogen. Det er også muligt at operere i vakuum.

Elementet skal almindeligvis opvarmes til en temperatur, som i det mindste er lig med det krystallinske 30 materiales smeltetemperatur og fortrinsvis ikke er meget højere end denne smeltetemperatur.

Afstanden mellem den nedre del af den overflade, langs hvilken det smeltede materiale flyder, og den øvre del af kimkrystallen vælges i overensstemmelse med 35 den ønskede tykkelse for det trukne krystallinske bånd.

Den hastighed, hvormed kimen trækkes bort, har også betydning. Hvis den trækkes for hurtigt bort, opstår der

DK 152059 B

4 fare for brud på væksten i det krystallinske bånd. Den nedadgående trækning af et siliciumenkeltkrystal kan i-følge opfindelsen hensigtsmæssigt udføres med en hastighed af størrelsesordenen nogle millimeter pr. minut.

5 Det er ønskeligt, at elementet opvarmes på en egnet måde, f.eks. ved høj frekvensopvarmning eller opvarmning ved stråling.

Elementet består i det mindste på den overflade, langs hvilken materialet flyder, fortrinsvis af et 10 tungtsmelteligt stof, der foruden at være befugteligt med det smeltede materiale har den egenskab, at det er modstandsdygtigt over for påvirkningen fra det smeltede materiale.

Startmaterialet for det krystallinske materiale 15 kan tilføres det opvarmede element på forskellige måder.

Det kan tilføres som smelteligt materiale, som opvarmes til smeltetemperaturen. Det smeltelige materiale kan tilberedes ved aflejring på det opvarmede element af mindst én forbindelse af det smeltelige materiales komponent 20 eller komponenter. Til aflejring af silicium kan silan-forbindelser komme i betragtning. Til dette formål kan der anvendes reduktion af chlorsilan ved hjælp af hydrogen.

Ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfin-25 delse kan mængden af smelte til ethvert tidspunkt være forholdsvis ringe, hvilket kræver en lille elektrisk effekt af det anvendte apparat.

En anden fordel består i, at fremgangsmåden almindeligvis kan afbrydes på ethvert tidspunkt uden nogen 30 ulempe, idet apparatet kan være således udformet, at afkøling ikke medfører brud i de dele af apparatet, som er i kontakt med det smeltede materiale.

Endvidere sker krystaltrækningen ved hjælp af en nedadgående bevægelse. Trækningen lettes således af 35 tyngdekraften i modsætning til de hidtil anvendte metoder.

Det må bemærkes, at den nedre del af det opvarmede

DK 152059 E

5 element ikke nødvendigvis behøver at være retliniet.

Men hvis denne nedre del er retliniet, bliver det resulterende bånd .fladt.

I andre tilfælde får båndet en form med et tvær-5 snit, som svarer til formen på den nedre ende af det opvarmede element. Principielt kan den nedre ende danne en lukket kurve, hvorved det båndformede krystal får form af et rør.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen beskrives nærmere 10 i det følgende ved hjælp af udførelseseksempler under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1a og 1b viser successive stadier af et udførelseseksempel på fremgangsmåden ifølge opfindelsen, idet den ene angår en indledende fase i krystalvæksten 15 og den anden en noget senere fase, fig. 2 et andet udførelseseksempel på fremgangsmåden ifølge opfindelsen, fig. 3 i perspektiv et knivformet varmeelement i udførelseseksemplet på fremgangsmåden ifølge opfindel-20 sen, der er beskrevet i forbindelse med fig. 1a og 1b, fig. 4 lodrette tværsnit af knivformede opvarmede elementer til brug ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, og fig. 5 i perspektiv et opvarmet element i form af 25 en plade med skrå overflader, som danner en lille vinkel med hinanden.

For overskueligheds- og klarhedsgrunde er tilsvarende dele betegnet med samme henvisningsbetegnelser i de forskellige figurer.

30 Fig. 1a og 1b viser et opvarmet element 1 i form af en prismekant, hvis nedre del betegnes med 2.

Fast silicium, f.eks. i form af siliciumkorn eller stave, der forløber i retning af pile F^, bringes i kontakt med en overflade 3 modsat den nedre del 2.

35 Det nævnte silicium opvarmes ved hjælp af egnede o opvarmningsmidler, f.eks. højfrekvensopvarmningsmidler, der kun er vist diagrammæssigt og betegnet med 6.

DK 152059B

6

Processen udføres fortrinsvis i en atmosfære bestående af en ædelgas, såsom argon eller helium. Det flydende silicium flyder langs elementet 1, hvis overflade befugtes af smelten og ender på elementet 11 s nedre del 2.

5 En flad kimkrystal 4 af silicium er anbragt i en kort afstand fra delen 2. En smeltet zone 5 dannes mellem delen 2 og den flade kimkrystal 4, jf. fig. 1a.

Når der udføres en ensartet forskydning eller trækning i retning af pilen , dannes der gradvis et 10 kontinuert bånd 7 af monokrystallinsk silicium på kimkrystallen 4 af silicium, jf. fig. 1b.

Fig. 2 viser i en anden udførelsesform et stadium i væksten af et båndformet siliciumkrystal, hvilket stadium svarer til det i fig.1b viste. I overensstem-15 melse med dette udførelseseksempel sker tilførslen af silicium fra gasformige forbindelser. De med I og II betegnede rum er adskilt fra hinanden af en gasformig eller fast skærm, som skematisk er betegnet med 8. Hvis skærmen er fast, behøver den ikke at være i berøring med 20 det opvarmede element; der kan findes et mellemliggende rum, hvori der opretholdes en passende gascirkulation.

Den reaktion, som gør det muligt at tilvejebringe silicium, finder sted i det med I betegnede rum. Gennem egnede føderør tilføres eksempelvis chlorsilan, som 25 reduceres ved hjælp af hydrogen i nærheden af elementerne. Det således dannede smeltede silicium flyder langs elementet 1, medens den ved reaktionen dannede hydrogenchlorid føres bort. Skærmen 8 gør det muligt at adskille hydrogenchloridet fra den foretrukne ædel-30 gasatmosfære, hvori siliciumbåndets krystalvækst foregår.

Fig. 3 viser i perspektiv et knivformet opvarmet element. Den nedre del 2 er af ringere tykkelse. Polykrystallinsk silicium kan tilføres på den øvre del 3.

35 Fig. 4 viser i tværsnit forskellige mulige opvarme de elementer af knivform; de omfatter en i hovedsagen vandret del 3, som er indrettet til modtagelse af

Claims (4)

5 Endelig viser fig. 5 et opvarmet element, der er udformet som en plade med ikke parallelle skrå overflader. Det er også muligt at udforme en plade med parallelle, skrå eller lodrette overflader, langs hvilke smelten kan flyde. Som vist i fig. 5 vil smelten flyde langs 10 en overflade 30 og befugte denne. På grund af befugt-ningen kryber smelten videre langs en overflade 31. Mellem den nedre del 2 og en flad kimkrystal 4, som er anbragt herunder, dannes der en smeltezone 5. Når kimkrystallen 4 trækkes nedad i retning af pilen F^, 15 dannes der gradvis et kontinuert bånd 7 af monokrystallinsk materiale på oversiden af kimkrystallen. I fravær af en monokrystallinsk kim kan der dannes et bånd af polykrystallinsk silicium ved trækning på en tilsvarende måde. 20 Det er også muligt inden for rammen af den fore liggende opfindelse at anvende andre former på elementer, som kan befugtes af smeltet silicium eller andre materialer, ligesom man kan bruge andre metoder til at tilføre det materiale, som skal krystalliseres. 25 Endvidere kan der fremstilles andre smeltelige krystallinske materialer i båndform, uden at man derved afviger fra den foreliggende opfindelse.

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et kontinuert krystallinsk bånd ud fra en smelte, kendetegnet ved, at smelten bringes til at flyde langs i det mindste én befugtelig overflade på et opvarmet langstrakt element, og at en kimkrystal nær den nedre be- 35 grænsning af overfladen befugtes med smelten og trækkes bort.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendete g- V DK 152059 B net ved, at smelten består af halvledermateriale.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at smelten består af silicium.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendete g- 5 net ved, at kimkrystallen trækkes bort med en hastighed af størrelsesordenen nogle millimeter pr. minut.