DE2553036C3 - Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial an Substraten - Google Patents
Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial an SubstratenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial aus einer die
gasförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre an erhitzten, auf einer drehbaren Trommel angeordneten
Substraten.
Für die Herstellung von Solarzellen, beispielsweise für Satelliten, hat sich das kristallisierte Silicium als das
geeignetste Halbleitergrundmaterial erwiesen. Solche Solarzellen, nach herkömmlichen Verfahrenstechniken
hergestellt, sind derzeit für terrestrische Anwendungen etwa um den Faktor 200 zu teuer. Hieraus resultieren
zunehmend Bestrebungen, die Verfahrenstechniken für die Solarzellen, wie das Kristallziehen, Dotieren, den
Einbau von Kontakten sowie das Verkapseln und Verdrahten, weitgehend zu rationalisieren. So ist
beispielsweise für den Einbau einer Fremdsubstanz in ein Festkörpergrundmaterial, insbesondere zur Dotierung
und Legierung von Halbleitergrundmaterial, bereits bekannt, Fremdsubstanzatome, -moleküle oder
-ionen in das Grundmaterial im Wege der Festkörpersedimentation unter der Einwirkung hoher, durch
Zentrifugalkräfte erzeugter Schwerebeschleunigungen einzubauen (DE-OS 23 19 481). Ein derartiges Verfahren
ermöglicht bei vertretbarem apparativen Aufwand eine selektive, hinsichtlich Flächenausdehnung und
Eindringtiefe genau kontrollierbare Eindotierung von Fremdsubstanzen in das Grundmaterial unter Erzielung
eines scharfen Dotierungsprofils. Des weiteren ist die Verwendung der Zentrifuge auch schon für das
Legieren von Halbleitermaterial bekannt, wobei die Fliehkraft als Bindungskraft an der Grenzfläche
zwischen einem flüssig aufzulegierenden Material und dem Halbleitermaterial ausgenutzt wird (DE-AS
10 60 052). In beiden Fällen wird jedoch für die Herstellung des Grundmaterials selbst keine Lösung
angestrebt, d.h. dies wird nach üblichen Verfahren geschehen müssen. Hierbei hat sich bisher ein Verfahren
am geeignetsten erwiesen, bei dem aus einem siliciumhaltigen Gasgemisch, z. B. S1H4, SiCU, S1HCI3,
S1H2CI2 und H2 das Silicium in Form von polykristallinen
Blöcken abgeschieden wird. Diese Blöcke werden durch Zonenschmelzen in einen monokristallinen Zustand
gebracht und danach in einzelne Scheiben unterteilt Abgesehen davon, daß natürlich solche Siliciumscheiben
S sehr teuer in der Herstellung sind, haben bisherige
Versuche noch folgende beträchtliche Probleme dieses Verfahrens aufgezeigt Verglichen mit Konzentrationen
in Lösungen weist das Gasgemisch unter Vakuum eine zu geringe Transportleistung auf. Die Ableitung der auf
>o der Kristalloberfläche aufgestauten Kristallisationswärme
und der durch die wärmeren Gasmoleküle zugeführten Wärme bereitet Schwierigkeiten. In der
Umgebung der einzelnen wachsenden Kristalle entstehen turbulente Gasströmungen mit der Folge von
■5 Konzentrationsunterschieden. Schließlich macht auch
die erforderliche Reinigung solcher Gasgemische erhebliche technische Schwierigkeiten. Mit solchen
Nachteüen ist auch ein durch die DE-OS 19 29 422 bekanntes Verfahren behaftet, bei dem mit einer
Gasströmung gearbeitet und durch langsames Drehen der Substrate eine gleichmäßige Abscheidung erreicht
werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ohne diese Probleme behaftetes Verfahren der eingangs
genannten Art aufzuzeigen, welches im Vergleich mit einschlägigen bekannten Verfahrenstechniken insbesondere
hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, beispielsweise der Herstellung von Solarzellen und anderen
Halbleitern, wie Transistoren, Thyristoren, beträchtliche
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Substrate auf einer Schleudertrommel mit einem
Mantel aus hochfestem und hitzebeständigem Material angeordnet und unter innen- und/oder außenseitiger
Aufheizung des Mantels zusammen mit der die gasförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre ultrazentrifugiert
werden.
Ein derartiges Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen kann eine Halbleitermaterialschicht
epitaxial unter hohem Unterdruck (Vakuum) aufwachsen und dennoch sind aufgrund der Ultrazentrifugation
mit der Folge einer Druck- bzw. Dichteerhöhung der gasförmigen Verbindung an den Substraten
ausreichend hohe Transportleistungen des Gases gewährleistet. Hierbei können je nach Molekulargewicht
des Gases, Abmessungen der Schleudertrommel und ihrer Drehzahl sowie Temperatur verschieden hohe
Gasdichten bzw. Drücke an der Innenwandung des Schleudertrommelmantels bzw. der zu beschichtenden
Oberfläche der Substrate aufgebracht werden. Aufgrund der Ultrazentrifugation wird ferner eine Sedimentation
der noch im abgeschiedenen Halbleitermaterial vorhandenen Verunreinigungen erzielt. Die Ableitung
der Kristallisationswärme kann durch entsprechendes außenseitiges Abkühlen bzw. Vermindern der
Temperatur des Schleudertrommelmantels geschehen. Dieser wird während der Ultrazentrifugation innen-
und/oder außenseitig aufgeheizt, um die für die Zersetzung des auf den Substraten abgeschiedenen
Halbleitermaterials erforderliche Wärme zu erbringen. In Anbetracht der durch die Ultrazentrifugation
erzielbaren gleichmäßigen Oberflächenbelegung sind Konzentrationsunterschiede bei der Abscheidung des
Halbleitermaterials ausgeschlossen. Was die Substrate betrifft, so können sie in Form einer Oberflächenbeleg.mg
auf einer Auskleidung des Schleudertrommelmantels aufgebracht werden. Wie sich gezeigt hat, können
solche Oberflächenbelegungen ohne weiteres aus
artfremden Materialien, beispielsweise im Falle der Herstellung einer Siliciumschicht aus Nickel oder
Molybdän bestehen.
Zum anderen hat das Verfahren gemäß der Erfindung den Vorteil, daß die auf den Substraten gebildete S
Halbleitermaterialschicht relativ große Flächenabmessungen aufweisen kann, je nach den derzeit möglichen
Abmessungen des Schleudertrommelmantels, z. B. um die 4000 cm2. Im Vergleich zu herkömmlichen 4,8 oder
12 cm2-(Solar-)Zellen ist daher mit erheblich günstige- ι ο
ren Kostenfaktoren zu rechnen. Schließlich lassen sich
bei dem Verfahren Maßnahmen zur Dotierung und Legierung, nämlich der Einbau von Fremdsubstanzatomen,
-molekülen oder -ionen, ebenfalls unter Ultrazentrifugation anfügen. Das Verfahren bringt also auch
unter Anwendung für die Herstellung eines zu dotierenden und legierenden Halbleitergrundmaterials
wesentliche Vorteile im Sinne einer hochgenauen und wirtschaftlichen Herstellung von Halbleiterbauteilen.
Hierzu kann man z.b. der gasförmigen Verbindung bereits während der Abscheidung gasförmige Dotierungssubstanzen
beimengen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und in den Unteransprüchen gekennzeichneter Weiterbildungen
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Diese zeigt in
Fig. I in schematischer Darstellung eine Zentrifugiervorrichtung,
F i g. 2 vergrößert einen Abschnitt des Mantels der in F i g. 1 teilweise aufgebrochen dargestellten Schleudertrommel.
Gemäß F i g. 1 ist bei einer Zentrifugiervorrichtung für Ultrazentrifugation die in Form einer beispielsweise
oben offenen Schüssel ausgebildete Schleudertrommel 1 um die Achse 2 drehbar. Der Antrieb erfolgt über eine
Welle 4 mittels eines nicht dargestellten Antriebsmotors mit Drehzahlregelung. Die Schleudertrommel 1 besteht
aus einem Zentralkörper 5 mit im wesentlichen flachgekrümmter Bodenfläche und einem etwa parallel
zur Achse 2 verlaufenden Rand- oder Mantelteil 6 aus hochfestem und hitzebeständigem Material, beispielsweise
aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff oder Graphit Bekanntlich weisen solche Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundkörper
nicht nur Festigkeiten bis zu lOOkp/mm2 bei Körperdichten unter 2 g/cm3 auf,
sondern auch eine hohe spezifische Warmfestigkeit etwa bis zu 200O0C. Ferner sind sie gute elektrische
Leiter. Die Verbindung zwischen dem Zentralkörper 5 und Mantelteil 6 kann gleichzeitig mit dessen Herstellung
geschehen. Das Mantelteil 6 ist ferner mit Sektoren 7, z. B. aus keramischem Material, ausgekleidet, welche
mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind.
Wie des weiteren aus F i g. 1 hervorgeht, ist die Schleudertrommel 1 in einer vakuumdichten Kammer 8
angeordnet, und zwar aus Sicherheitsgründen unter Zwischen agung eines Panzerringes 9. Hierbei ist
zwische dem Boden 8.1 der Kammer 8 und der mit
geringem Spiel hindurchgeführten Welle 4 eine Abdichtung 10 vorgesehen. Die Kammer 8 — und
folglich die Schleudertrommel 1 — ist mittels eines nicht dargestellten Pumpensystems evai-uierbar, z. B. bestehend
aus einer Rotationspumpe als Vorvakuumpumpe mit nachgeschalteter Diffusionspumpe. Ferner wird der
Kammer 8 ein Anzeigegerät für das Vakuum und ein Dosierventil zur regelbaren Einstellung und Aufrechterhaltung
der jeweils gewünschten Gasatmosphäre zugeordnet sein. Im Deckel 8.2 der Kammer 8 befindet
sich außerdem eine öffnung 8JJ, auf welche ein üblicher, sogenannter Manipulator 1 ί vakuumdicht (Dichtung 12)
aufgesetzt ist Ober den Manipulator 11 ist der Schleudertrommel 1 mittels eines Rohres; 13 ein
Gasgemisch zuführbar, z. B. aus einem nicht dargestellten Vorratsbehälter. Die Zuführung des Gasgemisches
wird natürlich über ein verschließbares Drosselventil erfolgen. Ferner ist zur innenseitigen Beheizung der
Schleudertrommel 1 bzw. ihres Mantelteils θ beispielsweise eine Strahlungsheizquelle 14 am Manipulator 11
angeschlossen sowie eine an einem Stab 15 schwenkbar angeordnete fokussierte Wärmequelle 16, z. B. in Form
eines Halogen-Infrarot-Reflektorstrahlers, dessen Funktion später näher erläutert wird. Temperaturmessungen
in der Schleudertrommel 1 werden vorzugsweise optisch über einen darin befindlichen, nicht
dargestellten Umlenkspiegel durchgeführt der auch am Manipulator U mittels eines Stabes angeordnet sein
kann. Der entsprechende Wärmestrahl kann gegebenenfalls
durch ein Quarzfenster im Boden 11.1 des Manipulators 11 eintreten und hier, z.B. mittels eines
Pyrometers, ausgewertet werden.
Schließlich ist nur durch einen einzigen Elektromagnet 17 angedeutet, daß das Mantelteil 6 der
Schleudertrommel 1 auch von außen (induktiv) beheizbar ist. Hierzu können z. B. konzentrisch zum Umfang
der Schleudertrommel 1 drei zueinander um 120" versetzte Elektromagnete 17 am Panzerring 9 befestigt
sein, wobei die nicht dargestellten elektrischen Zuleitungen durch den Deckel 8.2 der Kammer 8 hindurchgeführt
sein können.
Selbstverständlich kann die Schleudertrommel 1 auch mit einem Deckel versehen sein. In diesem Fall wird
man das Rohr 13 für die Zuführung des Gasgemisches im Zentrum (Achse 2) der Schleudertrommel 1 durch
eine Bohrung des Deckels einführen. Die vorgenannten Heiz- und Meßmittel werden dann zweckmäßig an
diesem zentralen Rohr befestigt Der Vorteil dieser Anordnung (mit Deckel) ist in der Trennung des
Innenraumes der Kammer 8 vom Innenraum der Schleudertrommel 1 und somit in der Beschränkung
ihres Innenraumes auf die Beschickung durch das Gasgemisch zu sehen. Hierbei kann die Evakuierung des
Innenraumes der Schleudertrommel 1 z. B. auch über das zentrale Rohr erfolgen, an welches dann eine
verschließbare Strömungsverbindung zum Innenraum der Kammer 8 oder zu einem separaten Pumpensystem
angeschlossen sein wird.
Die Herstellung einer von Verunreinigungen weitgehend freien kristallinen Epitaxialschicht 19 (Fig.2)
ausgehend von gasförmigem Material mittels der beschriebenen Zentrifugiervorrichtung wird nachfolgend
beispielsweise nur für Silicium erläutert Es kann also auch z. B. Germanium, Cadmiumsulfid, Galliumarsenid
in Betracht kommen.
Gemäß F i g. 2 ist zunächst auf die Sektoren 7 des Mantelteils 6 der Schleudertrommel 1 ein Wiritssubstrat,
beispielsweise in Form von fertigen Folien 18, aufzubringen. Das Wirtssubstrat kann aber auch durch
Aufdampfen oder andere Beschichtungsverfahren hergestellt werden. Wie eingangs erwähnt, lr.ann eine
derartige Oberflächenbelegung (Folien 18) aus Nickel oder Molybdän bestehen. Nach diesem Auskleiden der
Sektoren 7 des Mantelteils 6 mit den Folien 18 wird in der Kammer 8 und folglich auch in der Schleudertrommel
I ein Vakuum erzeugt und dann die Schleudertrommel in Rotation versetzt sowie beheizt, bis die zu
beschichtende Oberfläche der Folien 18 eine Temperatur von etwa 1000" C aufweist Danach wird durch das
Rohr 13 in die Schleudertrommel 1 ein nicht dargestelltes Gasgemisch, etwa SiHCI3, eingeführt, aus
welchem aufgrund der Aufheizung des Mantelteils 6 infolge Zersetzung das Silicium auf den Folien 18
abgeschieden wird und dort kristallisiert. Bei einem S kontinuierlichen Kristallwachstum muß sich bekanntlich
der Kristall dauernd nahezu im Gleichgewicht mit seinem wenig übersättigten Dampf befinden. Angesichts
dieser physikalisch-chemischen Tatsache wird der zur geringen Übersättigung notwendige Gastransport zum
einen durch Dosieren der Gaszuführung und zum anderen durch Wahl definierter Drehzahlen der
Schieudertrommel 1 erwirkt. Hierbei ist die Gasdichteverteilung
durch die bekannte barometrische Höhenformel vorgegeben. Diese Verfahrensweise erfolgt bei den
höchstmöglichen Umfangsgeschwindigkeiten der Schleudertrommel 1 (derzeit bis zu lOOOm/sec).
Dadurch ergibt sich einerseits der Vorteil einer dichten Besetzung des abgeschiedenen Siliciums auf den Folien
18 und andererseits der Vorteil, daß im Gasgemisch noch vorhandene schwere Verunreinigungen, wie Fe
und Ni, durch die Epitaxialschicht 19 hindurch rasch sedimentiert werden und leichte gasförmige Reaktionsprodukte,
wie HCl, infolge ihres Dichteunterschieds zum SiHCl3 zum Zentrum der Schleudertrommel 1 hin
konzentriert werden. Außerdem erfolgt unter diesen günstigen Bedingungen ein schnelles Kristallwachstum.
Es hat sich gezeigt, daß der Kristallwachstumsprozeß mit einer Temperatur von etwa 1000° C bei einem Druck
von 10-7Torr oder mit einer Temperatur von etwa
12000C bei einem Druck von 10~5 Torr am günstigsten
abläuft. Die Ableitung von Kristallisationswärme während des Wachstumsprozesses kann beispielsweise
durch Herbeiführen eines Temperaturgefälles von der Oberfläche der Folien 18 zum Außenrand der
Schleudertrommel 1 hin herbeigeführt werden. Hierzu ist die vorbeschriebene Wahl einer außen- und
innenseitigen Beheizbarkeit (Strahlungsheizquelle 14, Elektromagnete 17) der Schleudertrommel 1 bestens
geeignet. Zusätzlich kann auch noch in bekannter Weise eine Kühlung der Wandungen der Kammer 8 vorgesehen
werden. Der Vorgang des Abscheidens von Silicium aus dem Gasgemisch kann z. B. bis zum Erreichen von
Schichtdicken zwischen 10 und 100 μπι durchgeführt werden, was natürlich nicht bindend ist.
Sofern bei dem vorbeschriebenen Verfahren das angestrebte Ergebnis einer polykristallinen Struktur der
Epitaxialschicht 19 (Fig.2) nicht zufriedenstellend ist,
kann folgende Maßnahme vorzugsweise ergänzend vorgesehen werden. Gemäß Fig.2 wird nach dem
Auskleiden der Sektoren 7 des Mantelteils 6 mit den Folien 18 zusätzlich auf ihren zu beschichtenden
Oberflächen am oberen Rand ein monokristallines, dendritisches Kristallisat 20 aus demselben Material wie
die herzustellende Epitaxialschicht 19, also aus Silicium, aufgebracht. Nach der Herstellung der Silicium-Epitaxialschicht
19 wird, unter Rotation der Schleudertrommel 1 nach Art des Zonenschmelzens mittels einer
fokussierten Wärmestrahlung, beginnend im Kristallisat 20, eine Schmelzzone durch die Epitaxialschicht
gezogen, wodurch diese in die monokristalline Form gebracht wird. Für diesen Vorgang »Zonenschmelzen«
ist die vorbeschriebene fokussierte Wärmequelle 16 vorgesehen. Mit solchen Wärmequellen lassen sich
bekanntlich am jeweils bestrahlten Ort Temperaturen von über 15000C erreichen.
Unter Umständen können anstelle des Kristallisats 20 auf den zu beschichtenden Oberflächen der Folien 18
sogenannte Impfkristalle verteilt und dann nach der Herstellung der Epitaxialschicht 19 ihre Umkristallisation
unter Erwärmung knapp unter den Schmelzpunkt durchgeführt werden.
Außer den bereits genannten Vorteilen ist noch bemerkenswert, daß bei dem Verfahren gemäß der
Erfindung nahezu die gesamte Menge Silicium aus dem Gasgemisch bei der Kristallbildung verbraucht wird.
Ferner bildet sich infolge der vorbeschriebenen Umkristallisation bei der Epitaxialschicht 19 eine plane
Oberfläche aus, welche weder poliert noch geläppt werden muß.
Schließlich kann in Anbetracht des Verwendungszweckes der Epitaxialschicht 19, z. B. für die Fertigung
von Halbleiterbauteilen, schon bei der Herstellung der Epitaxialschicht während des Kristallisationsprozesses
eine Grunddotierung vorgenommen werden. Beispielsweise für eine η-Dotierung braucht dem Gasgemisch,
z. B. aus SiHCl3, lediglich ein geringer Prozentsatz von
5wertigen Atomen oder Ionen beigemengt zu werden, etwa in Form von PCl5. Für eine nachfolgende
p-Dotierung wird man im Anschluß an die Beimengung der n-Dotierungssubstanz dem Gasgemisch die p-Dotierungssubstanz
aus 3wertigen Atomen oder Ionen, z.B. in Form von BCl3, beimengen. Durch diese
aufeinanderfolgende Beimengung der verschiedenen Dopanten wird die Ausbildung von scharfen, reproduzierbaren
p-n-Übergängen bewirkt.
Abschließend sei noch bemerkt, daß die das Mantelteil 6 auskleidenden Sektoren 7 einerseits
verhindern, daß Verspannungen in der Schleudertrommel 1 zu Rissen in den Folien 18 und in der jeweiliger
Epitaxialschicht 19 führen. Andererseits ist die Epitaxiaischichi 13 mittels des betreffenden Sektors 7 als
komplexes Element aus der Schleudertrommel 1 herausnehmbar.
Claims (3)
1. Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial aus einer die gasförmige Verbindung
enthaltenden Atmosphäre an erhitzten, auf einer drehbaren Trommel angeordneten Substraten,
dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate auf einer Schleudertrommel (1) mit einem Mantel
(6) aus hochfestem und hitzebeständigem Material angeordnet und unter innen und/oder außenseitiger
Aufheizung des Mantels zusammen mit der die gasförmige Verbindung enthaltenden Atmosphäre
ultrazentrifugiert werden.
2. Vetfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ultrazentrifugatiou an den
oberen Rändern der zu beschichtenden Oberflächen der Substrate (18) das gleiche Halbleitermaterial
einkristallin abgeschieden wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abscheiden mittels einer Wärmestrahlung unter Rotation der
Schleudertrommel (1) eine Schmelzzone durch die abgeschiedene Halbleitermaterialschicht (19) gezogen
wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2553036A DE2553036C3 (de) | 1975-11-26 | 1975-11-26 | Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial an Substraten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2553036A DE2553036C3 (de) | 1975-11-26 | 1975-11-26 | Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial an Substraten |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2553036A1 DE2553036A1 (de) | 1977-06-08 |
DE2553036B2 DE2553036B2 (de) | 1977-09-29 |
DE2553036C3 true DE2553036C3 (de) | 1980-06-12 |
Family
ID=5962671
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE2553036A Expired DE2553036C3 (de) | 1975-11-26 | 1975-11-26 | Verfahren zum Abscheiden von kristallinem Halbleitermaterial an Substraten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2553036C3 (de) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2842605C2 (de) * | 1978-09-29 | 1983-12-08 | Georg Dr. 8521 Langensendelbach Müller | Verfahren zum Herstellen von Kristallen hoher Kristallgüte |
DE2933976A1 (de) * | 1979-08-22 | 1981-03-26 | Georg Prof. Dr. 91094 Langensendelbach Müller | Verfahren zum herstellen von kristallen hoher kristallguete. |
-
1975
- 1975-11-26 DE DE2553036A patent/DE2553036C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2553036B2 (de) | 1977-09-29 |
DE2553036A1 (de) | 1977-06-08 |
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