DE102007061977A1 - Preparing semiconductor particles, useful e.g. to prepare wafers, comprises thermally treating semiconductor raw material, where the formation of the particles takes place by directional solidification process, and surface treating - Google Patents
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Abstract
Description
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial bevorzugt in Form von Mikropartikeln aus mit Verunreinigungen bzw. Kontaminationen versehenen Ausgangsmaterialien. Die Erfindung kann bevorzugt für die Herstellung von Solarzellen, elektronischen und/oder optoelektronischen und/oder elektrochemischen Bauelementen und Einrichtungen usw. genutzt werden.The The invention relates to a method for producing semiconductor material preferably in the form of microparticles with impurities or Contaminations provided starting materials. The invention can preferred for the production of solar cells, electronic and / or optoelectronic and / or electrochemical components and facilities etc. are used.
Stand der TechnikState of the art
Aufgrund des sehr großen und stetig wachsenden Bedarfes an Halbleitermaterialien, insbesondere an Silizium, für z. B. Solarzellen, Halbleiterbauelemente usw. werden umfangreiche Anstrengungen unternommen, die auf eine kostengünstige Herstellung von solchen Halbleitermaterialien in großen Mengen abzielen. Um eine gute und langlebige Funktionsfähigkeit der Bauelemente zu erhalten, kommt es vor allem darauf an, dass das eingesetzte Halbleitermaterial hinsichtlich seiner Reinheit, Kristallinität und Defekte so beschaffen ist, dass für die Ladungsträger eine genügend hohe Lebensdauer und Beweglichkeit sichergestellt ist. So benötigt ein auf Silizium basierendes Bauelement (z. B. Solarzelle) in den elektronisch aktiven Gebieten dauerhaft eine sehr hohe Reinheit, wobei die Verunreinigungskonzentrationen z. B. für Metalle oder Metallverbindungen (z. B. Fe, Al, W, Ca, Ti, Mo, Cr, Mn, Ni) im Mittel einen Wert von etwa 10–5% (kleiner 100 ppb) nicht übersteigen sollten.Due to the very large and steadily growing demand for semiconductor materials, in particular silicon, for z. As solar cells, semiconductor devices, etc., extensive efforts are being made, which are aimed at cost-effective production of such semiconductor materials in large quantities. In order to obtain a good and long-lasting functionality of the components, it is particularly important that the semiconductor material used in terms of its purity, crystallinity and defects is such that for the charge carriers a sufficiently long life and mobility is ensured. Thus, a silicon-based component (eg solar cell) in the electronically active areas permanently requires a very high purity, wherein the contaminant concentrations z. For metals or metal compounds (eg Fe, Al, W, Ca, Ti, Mo, Cr, Mn, Ni) on average should not exceed a value of about 10 -5 % (less than 100 ppb).
Für die Produktion von Reinstsilizium hat sich das Trichlorsilan-Wasserstoff-Reduktionsverfahren durchgesetzt. Das auf diese Weise gewonnene Silizium hat eine hohe Reinheit, ist aber infolge des technologisch aufwändigen Prozesses sehr teuer. Das Verfahren umfasst zuerst eine energieintensive Reduktion von natürlichem Quarz mit Kohlenstoffträgen im Lichtbogenofen, in dessen Ergebnis noch mit Verunreinigungen bzw. Kontaminationen versehenes verunreinigtes Silizium erhalten wird. Derartiges verunreinigtes Silizium wird daraufhin in ein Chlorsilangemisch überführt, wobei die Reinigung und somit das Beseitigen der Verunreinigungen und Kontaminationen in hochleistungsfähigen Rektifikationskolonnen durchgeführt wird. Das so erhaltene Trichlorsilan wird unter Zusatz von Wasserstoff bei Prozesstemperaturen oberhalb 1100°C an Si-Stäben (Siemens-Verfahren) oder an als Wachstums- oder Kondensationskeime wirkende Siliziumspartikel in einem Wirbelschichtverfahren in Form von hochreinem Silizium abgeschieden. Derartig hergestelltes Silizium besitzt nur sehr geringe Verunreinigungskonzentrationen im Bereich von wenigen ppb (parts per billion; Anzahl der Atome pro 1 Milliarde Si-Atome). In daran anschließenden Fertigungsstufen wird das Silizium nach den bekannten Verfahren in Silizium-Einkristalle (Czochralski-Verfahren, Zonenschmelzverfahren) oder mittels Schmelzen oder Gießen in einkristalline oder polykristalline Siliziumblöcke oder -bänder überführt, aus denen dann durch aufwändige mechanische und chemische Bearbeitungsschritte die eigentlichen Siliziumwafer hergestellt werden. Es wurden auch weitere Verfahren zur Herstellung von Silizium vorgeschlagen, bei denen andere siliziumhaltige Gase wie z. B. Monosilan (SiH4), Siliziumtetrachlorid (SiCl4), Dichlorsilan (SiH2Cl2) usw. verwendet werden, aus denen in analoger Weise durch Reduktion oder Zersetzung hochreines Silizium erhalten wird.For the production of high-purity silicon, the trichlorosilane-hydrogen reduction process has become established. The silicon obtained in this way has a high purity, but is very expensive due to the technologically complex process. The method involves first an energy-intensive reduction of natural quartz with carbon deposits in the arc furnace, the result of which is still contaminated silicon provided with impurities or contaminants. Such contaminated silicon is then converted to a chlorosilane mixture, thereby purifying and thus eliminating the contaminants and contaminants in high performance rectification columns. The trichlorosilane thus obtained is deposited with the addition of hydrogen at process temperatures above 1100 ° C. on Si rods (Siemens process) or on silicon particles acting as growth or condensation nuclei in a fluidized bed process in the form of high-purity silicon. Such produced silicon has only very low impurity concentrations in the range of a few ppb (parts per billion, number of atoms per 1 billion Si atoms). In subsequent manufacturing stages, the silicon is converted by the known methods into silicon monocrystals (Czochralski method, zone melting method) or by melting or casting in monocrystalline or polycrystalline silicon blocks or bands, from which then produced by complex mechanical and chemical processing steps, the actual silicon wafer become. There have also been proposed other methods for the production of silicon in which other silicon-containing gases such. As monosilane (SiH 4 ), silicon tetrachloride (SiCl 4 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), etc. are used, from which in an analogous manner by reduction or decomposition of highly pure silicon is obtained.
Da diese herkömmlichen Verfahren stets über die Gasphase ablaufen, sind sie besonders energieintensiv und somit auch mit sehr hohen Kosten verbunden. Zudem stellen diese Verfahren sehr hohe Anforderungen an die Werkstoffe und Materialien. Ein weiterer Nachteil ist, dass in der Fertigungskette bis hin zum fertigen Siliziumwafer sehr hohe Materialverluste von bis zu 50% und darüber zu verzeichnen sind.There these conventional methods always on the gas phase They are particularly energy intensive and therefore also with very high costs. Moreover, these procedures make a lot high demands on the materials and materials. Another Disadvantage is that in the manufacturing chain up to the finished silicon wafer very high material losses of up to 50% and over are recorded.
Um vor allem die energie- und kostenaufwändige Gasphase zu umgehen, zielen aktuelle Ansätze darauf ab, das Halbleitermaterial mit einer schlechteren, aber für die Anwendungen gerade noch ausreichenden Reinheit bereitzustellen. Das Ausgangsmaterial bildet dabei wiederum das billige verunreinigte Silizium in Form von Blöcken, welches etwa um den Faktor 103 bis 106 unreiner ist als es die Anforderungen an z. B. solartaugliches Silizium gestatten und daher in verschiedenen Verfahrensstufen aufzubereiten ist. Die Blöcke haben typischerweise Dimensionen im kg- bis 100 kg-Bereich. Es kommen verschiedene, aus der Metallurgie und Chemie bekannte materialselektive Verfahrenschritte zum Einsatz wie z. B. die Säure-Laugung, das Schmelzen mit Schlackenextraktion, das Schmelzen mit Gasverblasen (mit z. B. H2, H2O, SiCl4), eine Plasmabehandlung mit z. B. H2O-Gas, das Vakuumentgasen bzw. die vakuummetallurgische Behandlung, die gerichtete Erstarrung usw.. Bei der gerichteten Erstarrung wird der Effekt der unterschiedlichen Löslichkeit von Verunreinigungen in der Schmelze und dem Festkörper ausgenutzt (Segregationseffekt). Die Verunreinigungen werden dabei vor der Kristallisationsfront her getrieben. Nach vollständiger Erstarrung sind die Verunreinigungen in dem zuletzt erstarrten Bereich des Blockes angereichert und können dann abgetrennt werden.In order to avoid the energy and costly gas phase, current approaches are aimed at providing the semiconductor material with a poorer, but just sufficient, purity for the applications. The starting material in turn forms the cheap contaminated silicon in the form of blocks, which is about 10 3 to 10 6 impure than it is the requirements for z. B. solar grade silicon and therefore is to process in various stages of the process. The blocks typically have dimensions in the kg to 100 kg range. There are different, known from metallurgy and chemistry material-selective process steps are used such. Acid leaching, slag extraction melting, gas blasting (with, for example, H 2 , H 2 O, SiCl 4 ), plasma treatment with e.g. For example, H 2 O gas, the vacuum gases or the vacuum metallurgical treatment, the directional solidification, etc. In directional solidification, the effect of different solubility of impurities in the melt and the solid body is exploited (segregation effect). The impurities are driven in front of the crystallization front. After complete solidification, the impurities in the last solidified area of the block are enriched and can then be separated.
Diese herkömmlichen Verfahren weisen einige gravierende Nachteile auf, die eine Überführung in die Industrie bisher unpraktikabel machten. Als ein erster Nachteil erwies sich, dass die mit diesen Verfahren erreichbaren Reinheiten der polykristallin erstarrten Blöcke für die Weiterverwendung zu z. B. hochqualitativen Solarzellen unter Industriebedingungen nicht ausreichen. Insbesondere an den Korngrenzen verbleiben mitunter größere Ausscheidungen bzw. Einschlüsse der Verunreinigungselemente, so dass die Ladungsträgerlebensdauern und -beweglichkeiten und somit die Funktionsfähigkeit der Bauelemente in starkem Maße eingeschränkt werden. Bislang ist es deshalb nur möglich, derartig verunreinigtes Silizium in Form von kleineren Mengen dem hochreinem Siliziumausgangsmaterial beizumischen.These conventional methods have some serious drawbacks that have made transfer to the industry previously impractical. As a first disadvantage proved that the achievable with these methods purities of the polycrystalline he stared blocks for reuse to z. B. high-quality solar cells under industrial conditions are not sufficient. In particular at the grain boundaries, larger precipitates or inclusions of the contaminant elements sometimes remain, so that the carrier lifetimes and mobility and thus the functionality of the components are greatly restricted. So far, it is therefore only possible to mix such contaminated silicon in the form of smaller amounts of high-purity silicon starting material.
Als ein weiterer Nachteil hat sich herausgestellt, dass die im Labormaßstab erhaltenen Ergebnisse nicht oder nur in eingeschränkter Weise auf große Chargenvolumina und Mengen übertragen werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es sich bei der gerichteten Erstarrung um einen diffusionsgesteuerten Prozess handelt, weswegen zur Herstellung der kristallinen Blöcke oder Stäbe sehr lange Prozesszeiten aufzuwenden sind, um die Verunreinigungen entfernen zu können.When Another disadvantage has been found that the laboratory scale results obtained are not or only to a limited extent Be transferred to large batch volumes and quantities can. This is due to, that the directional solidification is a diffusion-controlled Process, therefore, to produce the crystalline blocks or rods are very long process times to spend to be able to remove the impurities.
Weiterhin hat sich als nachteilig gezeigt, dass auf Grund der in den verunreinigten Silizium-Ausgangsmaterialien von Charge zu Charge schwankenden Verunreinigungsbestandteilen und/oder -konzentrationen keine reproduzierbaren Reinheiten im Endprodukt erhalten werden können, so dass es letztendlich zu nicht akzeptablen Schwankungen in der Siliziumqualität kommt. Die mit den bekannten Verfahren erreichbaren Materialausbeuten bis hin zum Wafer sind mit etwa 40% bis 60% ebenfalls sehr gering.Farther has proved to be disadvantageous that due to the contaminated Silicon feedstock from batch to batch fluctuating impurity components and / or Concentrations no reproducible purities in the final product can be obtained, so it ultimately does not acceptable variations in silicon quality comes. The achievable with the known methods material yields up towards the wafer are also very low with about 40% to 60%.
Um
Halbleiterpartikel bereitzustellen, wie sie z. B. bei der in
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von gereinigtem Halbleitermaterial bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Das Verfahren soll insbesondere einfach und kostengünstig ausführbar sein. Dabei ist verunreinigtes Halbleitermaterial, insbesondere Silizium durch einfache Verfahrensabläufe in einen Reinheitsgrad und einen solchen kristallinen Zustand zu überführen, welche die Weiterverarbeitung in hochqualitative elektronische, optoelektronische und/oder elektrochemische Einrichtungen erlauben. Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Halbleitermaterial bereitzustellen, mit dem die Nachteile herkömmlicher Halbleitermaterialien vermieden werden.Of the The present invention is based on the object, an improved To provide a method of producing purified semiconductor material, which avoids the disadvantages of conventional techniques become. The method should be particularly simple and inexpensive be executable. This is contaminated semiconductor material, in particular silicon by simple procedures to convert to a degree of purity and such a crystalline state which further processing into high-quality electronic, Optoelectronic and / or electrochemical devices allow. Of the The present invention is further based on the object, an improved To provide semiconductor material, with the disadvantages of conventional semiconductor materials be avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterpartikeln und durch Halbleiterpartikel mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by a method for producing semiconductor particles and by Semiconductor particles having the features of the independent claims. Advantageous embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterpartikeln mit den Schritten Bereitstellung von partikulärem Halbleiter-Rohmaterial, thermische Behandlung des partikulären Halbleiter-Rohmaterials, wobei eine Bildung der Halbleiterpartikel durch eine gerichtete Erstarrung erfolgt, und Oberflächenbehandlung der Halbleiterpartikel bereitgestellt. Vorteilhafterweise können damit Verunreinigungen mit erheblich höherer Effektivität aus dem Halbleitermaterial extrahiert werden, als dies bei den herkömmlichen Verfahren der Fall ist. Vorteilhafterweise kann das partikuläre Halbleiter-Rohmaterial, unreines metallurgischem Halbleitermaterial, z. B. Silizium, umfassen. Durch die gerichtete Erstarrung, vorzugsweise mit einer gesteuerten Kristallisation, kann dieses in Halbleiterpartikel umgewandelt werden, die im Inneren eine erheblich erhöhte Reinheit im Vergleich zu dem Halbleiter-Rohmaterial haben. Die Verunreinigungen sammeln sich auf der Oberfläche der Halbleiterpartikel, von der die Verunreinigungen durch die Oberflächenbehandlung entfernt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, dass gleichzeitig mit dem Reinigungseffekt, der durch die gerichtete Erstarrung und die Oberflächenbehandlung erzielt wird, eine Kristallisation oder Rekristallisation der Partikel erfolgt. Die Halbleiterpartikel zeichnen sich daher durch eine verbesserte Kristallinität als das Rohmaterial aus. Hierzu umfasst das Halbleiter-Rohmaterial vorzugsweise Teilchen mit einer Querschnittsdimension bereitgestellt werden, die geringer als 1 mm, insbesondere geringer als 800 μm ist.According to a first aspect of the invention, there is provided a method for producing semiconductor particles comprising the steps of providing particulate semiconductor raw material, thermal treatment of the particulate semiconductor raw material, wherein formation of the semiconductor particles is by directional solidification, and surface treatment of the semiconductor particles. Advantageously, it is thus possible to extract impurities from the semiconductor material with considerably greater effectiveness than is the case with the conventional methods. Advantageously, the particulate semiconductor raw material, impure metallurgical semiconductor material, e.g. For example, silicon. Directional solidification, preferably controlled crystallization, may convert it to semiconductor particles that have a significantly increased internal cleanliness compared to the semiconductor raw material. The impurities accumulate on the surface of the semiconductor particles, from which the impurities are removed by the surface treatment. An essential Advantage of the invention is that at the same time as the cleaning effect, which is achieved by the directional solidification and the surface treatment, a crystallization or recrystallization of the particles takes place. The semiconductor particles are therefore characterized by an improved crystallinity as the raw material. For this purpose, the semiconductor raw material preferably comprises particles having a cross-sectional dimension which is less than 1 mm, in particular less than 800 μm.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Halbleiterpartikel, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren gemäß dem ersten Gesichtspunkt, bereitgestellt, bei dem die Verunreinigungen überwiegend in Form von inhomogen und lokal angeordneten Anreicherungen an der Oberfläche des Halbleiterpartikels, einschließlich dessen oberflächennahe Volumenbereiche, entlang mindestens einer Vorzugsrichtung angeordnet sind. Der oberflächennahe Volumenbereich erstreckt sich unterhalb der Oberfläche z. B. bis in eine Tiefe von rd. 10% der Querschnittsdimension des Partikels.According to one second aspect of the invention is a semiconductor particle, in particular produced by a method according to first aspect, provided in which the impurities predominantly in the form of inhomogeneous and locally arranged accumulations at the Surface of the semiconductor particle, including its near-surface volume areas, along at least one Preferred direction are arranged. The near-surface volume range extends below the surface z. B. to one Depth of approx. 10% of the cross-sectional dimension of the particle.
Erfindungsgemäße Halbleiterpartikel zeichnen sich insbesondere durch die folgenden Eigenschaften aus. Die Verunreinigungen konzentrieren sich überwiegend im Bereich des Kristallisationsbeginnes in Form von Ausscheidungen (ausschließlich Verunreinigungen umfassend) und/oder Anreicherungen (umfassend Verunreinigungen und das Halbleitermaterial), und/oder an inneren Korngrenzen, und/oder im Bereich des Kristallisationsendes in Form von nach außen gerichteten Auswüchsen. Sie haben eine zumindest kugelähnliche Form und einem Volu men-Oberflächen-Verhältnis im Bereich zwischen 5 μm und 150 μm.invention Semiconductor particles are characterized in particular by the following Properties off. The impurities concentrate mainly in the area of the beginning of crystallization in the form of precipitates (only containing impurities) and / or enrichments (Contains impurities and the semiconductor material), and / or at internal grain boundaries, and / or in the region of the end of crystallization in the form of outward excrescences. They have an at least spherical shape and a volume-surface ratio in the range between 5 μm and 150 μm.
Anreicherungen von Verunreinigungen an der Oberfläche der Halbleiterpartikel in Form von nach außen gerichteten Auswüchsen enthalten mindestens 60% der zu der Oberfläche bzw. zu den oberflächennahen Volumenbereichen der Halbleiterpartikel hin extrahierten Verunreinigungen.enrichments of impurities on the surface of the semiconductor particles in the form of outward excrescences contain at least 60% of the surface or too the near-surface volume areas of the semiconductor particles extracted impurities.
Die Halbleiterpartikel haben vorrangig eine ein- oder polykristalline Kristallstruktur, wobei im Falle der polykristallinen Struktur die Größe und die Orientierung der Kristallite inhomogen im Partikelvolumen verteilt und im Bereich der Primärkeimbildung die Kristallite kleiner und ungeordneter als im übrigen Partikelvolumen ausgebildet sind. Die Korngrenzen innerhalb der polykristallinen Halbleiterpartikel sind vorwiegend als Zwillingskorngrenzen ausgebildet, die keine oder nur vernachlässigbar geringfügige Anreicherungen von Verunreinigungskomponenten aufweisen.The Semiconductor particles have predominantly a monocrystalline or polycrystalline Crystal structure, wherein in the case of the polycrystalline structure Size and orientation of crystallites inhomogeneous distributed in the particle volume and in the primary nucleation of the Crystallites smaller and more disordered than in the rest of the particle volume are formed. The grain boundaries within the polycrystalline Semiconductor particles are predominantly designed as twin grain boundaries, the no or only negligible slight accumulations of impurity components.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Vorteile sind unten in Zusammenhang mit der Beschreibung der Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens genannt.Further preferred embodiments of the invention and their advantages are below in connection with the description of the details called the process of the invention.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention will become apparent below With reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments
Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Verfahren und Halbleiterpartikeln werden im folgenden unter beispielhaftem Bezug auf Halbleiterpartikel aus Silizium beschrieben. Die Umsetzung der Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung mit Silizium beschränkt, sondern analog insbesondere mit anderen Halbleitermaterialien, wie z. B. Ge, III-V-Verbindungen usw. realisierbar. Weitere Beispiele sind unten angegeben.embodiments of inventive method and semiconductor particles will be described below by way of example with reference to semiconductor particles Silicon described. However, the implementation of the invention is not limited to the application with silicon, but analog in particular with other semiconductor materials, such as. B. Ge, III-V compounds etc. feasible. Further examples are given below.
In
Den
Ausgangspunkt für die Bereitstellung der Halbleiterpartikel
stellt verunreinigtes Silizium dar, das durch eine carbothermische
Reduktion von Siliziumdioxid unter Anwesenheit von Kohlenstoff im elektrischen
Lichtbogenofen hergestellt wird (vergleiche
Das
verunreinigte Silizium kann daran anschließend in einem
größeren Tiegel oder einem anderen größeren
Behälter aufgeschmolzen und danach durch eine schnelle
Abkühlung zur Erstarrung gebracht werden (siehe
Anschließend
wird das erstarrte Silizium durch eine mechanische Zerkleinerung
in Siliziumteilchen mit einer Größe im Bereich
zwischen wenigen Mikrometern und etwa 1 mm überführt
(siehe
Alternativ
zu der mechanischen Zerkleinerung kann eine Zerkleinerung aus der
Schmelze heraus, z. B. durch Zerspratzen oder Zentrifugieren des geschmolzenen
Ausgangsmaterials vorgesehen sein (vergl.
Die
vorgefertigten Siliziumteilchen
Die Oberflächen der Substrate können zusätzlich mit nicht oder nur wenig benetzenden und/oder mit als Diffusionsbarriere wirkende Beschichtungen und/oder mit ein Reinigungsmittel enthaltende Aufträge usw. versehen werden. Als besonders gut geeignet erwies sich ein hoch verdichtetes gesintertes Siliziumnitridsubstrat, dass eine gut polierte Oberfläche besitzt und mit stabilisierenden Zusätzen (z. B. Yttrium- und/oder Zirkonoxid) versehen ist.The Surfaces of the substrates can additionally with little or no wetting and / or with a diffusion barrier acting coatings and / or containing a cleaning agent Orders etc. are provided. As particularly well suited proved a highly densified sintered silicon nitride substrate, that has a well polished surface and with stabilizing Additives (eg., Yttrium and / or zirconium oxide) is provided.
Das
Substrat
Der
eigentliche Reinigungsprozess und somit die Bildung der erfindungsgemäßen
Halbleiterpartikel
Die
gesteuerte Kristallisation wird erfindungsgemäß von
einem lokalen Keimbildungszentrum, sowohl vom Substrat ausgehend
(Fremdkeimbildung) als auch in Richtung des Substrates in der Weise
durchgeführt, dass die Verunreinigungsanreicherung in einer
besonders bevorzugten Richtung
Als besonders vorteilhaft hat sich die Fremdkeimbildung vom Substrat ausgehend herausgestellt, weil sich dadurch die physikalischen Eigenschaften der Halbleiterpartikel besonders reproduzierbar einstellen lassen. Durch diese besondere Kon stellation wird sichergestellt, dass eine Verklebung der Siliziumpartikel mit dem Substrat fast vollständig unterbunden werden kann und somit die Unterlagen für sehr viele Produktionszyklen genutzt werden können. In sehr einfacher Weise lässt sich dabei die Keimbildung durch eine gezielte Temperaturänderung (Abkühlung) des Substrates oder Teilen davon herbeiführen bzw. initiieren.When Particularly advantageous is the foreign nucleation of the substrate As a result, the physical properties of the Make semiconductor particles particularly reproducible. By This special constellation ensures that a bond the silicon particle with the substrate almost completely can be prevented and thus the documents for very many production cycles can be used. In a lot in a simple way, nucleation can be achieved a targeted temperature change (cooling) of the Induce or initiate substrates or parts thereof.
In
anderen Verfahrensmodifikationen ist es möglich, das verunreinigte
Material so zu reinigen, dass die Verfahrensschritte
Eine
andere Variante sieht vor, dass das im Verfahrenschritt
Die
hergestellten Halbleiterpartikel
Von besonderem Vorteil hat sich erwiesen, dass die Korngrenzen der erfindungsgemäßen polykristallinen Halbleiterpartikel vorwiegend als Zwillingskorngrenzen ausgebildet sind, die gegenüber den gewöhnlichen Korngrenzen deutlich geringere bzw. nahezu vernachlässigbare Anreicherungen von Verunreinigungskomponenten aufweisen.From particular advantage has been found that the grain boundaries of the invention polycrystalline semiconductor particles predominantly as twin grain boundaries are trained, which compared to the ordinary Grain boundaries significantly lower or almost negligible Have accumulations of impurity components.
Die
Verfahrensparameter werden so eingestellt, dass sich letztendlich
für die Halbleiterpartikel
Ganz
besonders vorteilhaft ist die mit der erfindungsgemäßen
Orientierung in besonderer Weise korrelierte inhomogene und lokale
Verteilung der Verunreinigungen. Die Anreicherung und/oder Ausscheidung
der Verunreinigungen erfolgt dabei hauptsächlich im Bereich
des Kristallisationsbeginnes
Besonders
vorteilhaft ist, dass auf Grund der hier vorliegenden besonderen
Volumen-Oberflächen-Verhältnisse von z. B. 5 μm
bis 150 μm, insbesondere 10 μm bis 50 μm
nur sehr geringe Verunreinigungsausscheidungen
Als
ein weiterer wichtiger Aspekt hat sich herausgestellt, dass sich
die Verunreinigungen in den Bereichen
Für
die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung
der Halbleiterpartikel werden in einem nächsten Verfahrenschritt
Auf
Grund der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
verbundenen besonderen lokalen Anordnung der Anreicherungen in Form
von Beulen oder dergleichen hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn vor dem chemischen Abätzen der Anreicherungen eine
mechanische Bearbeitung der Halbleiterpartikel erfolgt. Dabei werden
die Halbleiterpartikel mit mechanischen Kräften beaufschlagt,
wie z. B. durch Bewegung in rotierenden Trommeln usw., so dass es mindestens
zu einem teilweisen Abrieb, Abschälen, Abplatzen oder dergleichen
der Anreicherungsbereiche
Eine
solche selektive Extraktion lässt sich auch unter Ausnutzung
der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den mit
Verunreinigungen angereicherten Bereichen
Zur
Potenzierung des Reinigungseffektes können die im Verfahrenschritt
Nach
Bereitstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterpartikel
können diese der eigentlichen Verwendung in den Halbleiterbauelementen
bzw. -einrichtungen
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Das
noch verunreinigte Silizium kann durch zusätzlich vorgeschaltete
bekannte metallurgische Aufbereitungsverfahren
Durch
diese Verfahren ist es möglich, die Konzentration der Verunreinigungen
im verunreinigten Siliziumausgangsmaterial (z. B. metallurgisches Silizium)
um mindestens den Faktor 101 bis 103 zu erniedrigen und somit letztendlich die
Qualität der daraus hergestellten Halbleiterpartikel
Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2
Bei
der Erstarrung des verunreinigten Siliziums zu grob polykristallinem
Material entsprechend Verfahrenschritt
Aus
den durchgeführten Untersuchungen geht hervor, dass in
diesen Verunreinigungszonen des verunreinigten Siliziums stets größere
Konzentrationen an Eisen enthalten sind. Wie weiter oben ausgeführt
wurde, werden nun bei der mechanischen Zerkleinerung des erstarrten
Materials vor allem die verunreinigten Korngrenzen freigelegt (siehe
Verfahrenschritt
Hierzu
genügt es, das gemahlene Silizium an einer mit Magnetfeldern
versehenen Einrichtung vorbeizuführen bzw. mit einer solchen
in Kontakt zu bringen (siehe Verfahrenschritt
Dieses Verfahren lässt sich nicht nur für die Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterpartikel verwenden, sondern ist nahezu beliebig auf andere Materialien übertragbar.This Process can not be just for the production use the semiconductor particles according to the invention, but is almost arbitrarily transferable to other materials.
Die
Durchführung des Verfahrensschrittes
Ausführungsbeispiel 3Embodiment 3
Wegen
der sehr spröden Eigenschaften des Siliziums entstehen
bei der mechanischen Zerkleinerung in Verfahrenschritt
Zur
Vermeidung dieser Materialverluste erwies es sich als besonders
vorteilhaft, wenn die mitunter sehr kleinen Siliziumteilchen mittels
eines Wirbelschichtverfahrens zu einem Agglomerat oder Granulat
mit definierter Größe und nahezu kugelförmiger Gestalt
zusammengefügt werden (siehe Verfahrensschritt
Der
Durchmesser der mit diesem Verfahren erzeugten Silizium-Agglomerate
bzw. -Granulate lässt sich im Bereich zwischen etwa 40 μm
und einigen Millimetern beliebig einstellen. Es können
Ausgangsteilchen mit Abmessungen von nur wenigen bis mehreren Hundert
Mikrometern granuliert bzw. agglomeriert werden. Für die
Weiterverwendung der Halbleiterpartikel
Ausführungsbeispiel 4Embodiment 4
Für
einige Anwendungen der Halbleiterpartikel macht sich eine gezielte
p- oder n-Dotierung erforderlich. Die hierzu benötigten
Dotierelemente (z. B. B, P, Al, As usw.) müssen, sofern
diese nicht schon in den gewünschten Konzentrationen im
Ausgangsmaterial enthalten sind, der Prozesskette zusätzlich zugeführt
werden. In
Ausgehend von der Erfindung sind vielfältige weitere Kombinationen zwischen den unterschiedlichsten Verfahrensschritten, Materialien und nutzbaren Effekten ableitbar.outgoing from the invention are many other combinations between the most diverse process steps, materials and usable effects.
Die beschriebenen Verfahren lassen sich mit weiteren bekannten Verfahren nahezu beliebig kombinieren. So können z. B. durch den partiellen Einbau von Wasserstoffatomen in das Silizium mittels einer Temperatur-Nachbehandlung, die vorzugsweise in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt wird, strukturelle Defekte ausgeheilt und damit die elektronischen Eigenschaften der Halbleiterpartikel weiter verbessert werden. Weiterhin lassen sich auch andere störende Verunreinigungsbestandteile durch eine Kombination des hier beschriebenen Verfahrens mit bekannten Verdampfungs- bzw. Sublimationsverfahren im Vakuum usw. eliminieren und/oder in eine für die Verwendung der Halbleiterpartikel nicht mehr störende chemische Substanzen (z. B. Silizide) oder dergleichen überführen.The described methods can be combined almost arbitrarily with other known methods. So z. B. by the partial incorporation of hydrogen atoms into the silicon by means of a temperature aftertreatment, which is preferably carried out in a hydrogen atmosphere, healed structural defects and thus the electronic properties of the semiconductor particles are further improved. Furthermore, other interfering impurity components can also be eliminated by a combination of the process described herein with known evaporation or sublimation techniques in vacuum, etc., and / or chemical substances (eg, silicides) or the like which are no longer interfering with the use of the semiconductor particles convict.
Da bei den erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber den anderen bekannten Verfahren sehr hohe Materialausbeuten von etwa 70% bis 90% gegeben sind, ist die Weiterveredelung der gereinigten Partikel als Zwischenprodukt zu Substanzen mit anderen Geometrien bzw. Abmessungen (z. B. Wafer, Scheiben, Platten usw.), Struktureigenschaften und/oder Dotierelementgehalten usw. möglich.There in the inventive method the other known methods very high material yields of about 70% to 90%, is the refinement of the purified particles as an intermediate to substances with other geometries or dimensions (eg, wafers, discs, plates, etc.), structural properties, and / or Dotierelementgehalten etc. possible.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist keineswegs auf das Silizium beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auch auf andere Halbleitermaterialien, z. B. Ge, III-V-Verbindungen (z. B. GaAs, InP usw.) und Kombinationen daraus übertragbar. Insbesondere zur Raffination von solchen Materialien, die sich mit den bekannten Verfahren nicht oder nur schwer in der gewünschten Reinheitsstufe, in größeren Volumina und/oder aber auch im erforderlichen Kostenrahmen herstellen lassen, ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.The inventive method is by no means up the silicon is limited. Rather, the invention is also on other semiconductor materials, eg. B. Ge, III-V compounds (eg. GaAs, InP, etc.) and combinations thereof. In particular, for the refining of such materials that interfere with the known methods not or only with difficulty in the desired Purity level, in larger volumes and / or but can also be produced in the required cost frame, is the inventive method particularly suitable.
Die
Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung bestehen neben den
Anwendungen in Solarzellen auch in der Verwendung für elektronische und/oder
optoelektronische Halbleiterbauelemente bzw. -einrichtungen (z.
B. Sensoren, Displays, lichtemittierende Elemente, Schaltkreise
usw.), in elektrochemisch wirksame Einrichtungen oder in bilderzeugende
Bauelemente usw.. Unter Bezugnahme auf die Patentanmeldung
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The in the foregoing description, drawings and claims disclosed features of the invention can both individually as well as in combination for the realization of the invention be significant in their various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 10052914 [0009, 0062] - DE 10052914 [0009, 0062]
- - EP 01993027 [0062] EP 01993027 [0062]
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3342496A1 (en) * | 1983-11-24 | 1985-06-05 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Process for purifying MG-silicon |
DE3635064C2 (en) * | 1986-10-15 | 1991-11-07 | Bayer Ag, 5090 Leverkusen, De | |
DE10052914A1 (en) | 2000-10-25 | 2002-05-16 | Steffen Jaeger | Semiconductor device and method for its production |
WO2007079789A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-07-19 | Scheuten Solar Holding Bv | Method for the production of silicon suitable for solar purposes |
EP1993027A1 (en) | 2007-05-16 | 2008-11-19 | Navigon AG | Electronic display device and method for operating a display device |
-
2007
- 2007-12-21 DE DE200710061977 patent/DE102007061977A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3342496A1 (en) * | 1983-11-24 | 1985-06-05 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Process for purifying MG-silicon |
DE3635064C2 (en) * | 1986-10-15 | 1991-11-07 | Bayer Ag, 5090 Leverkusen, De | |
DE10052914A1 (en) | 2000-10-25 | 2002-05-16 | Steffen Jaeger | Semiconductor device and method for its production |
WO2007079789A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-07-19 | Scheuten Solar Holding Bv | Method for the production of silicon suitable for solar purposes |
EP1993027A1 (en) | 2007-05-16 | 2008-11-19 | Navigon AG | Electronic display device and method for operating a display device |
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