DE3520067A1

DE3520067A1 - Verfahren zum herstellen von bandfoermigen siliziumkristallen mit horizontaler ziehrichtung

Info

Publication number: DE3520067A1
Application number: DE19853520067
Authority: DE
Inventors: Richard Dr.rer.nat. 8952 Wald Falckenberg; Josef Dr.rer.nat. 8137 Berg Grabmaier; Gerhard Dipl.-Phys. 8000 München Hoyler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-06-04
Filing date: 1985-06-04
Publication date: 1986-12-04
Also published as: JPS61286295A

Description

Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkri-
stallen mit horizontaler Ziehrichtung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen, bei dem ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter Trägerkörper in horizontaler oder nahezu horizontaler Richtung tangierend über die in einer Wanne befindliche Schmelze gezogen und mit Silizium beschichtet wird, wobei der Trägerkörper zugleich Kristallisationskeim für den Aufbau des kristallinen Siliziumbandes ist.
Ein solches Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 vorgeschlagen. Dabei werden als Trägerkörper und Kristallisationskeimbildner für die Beschichtung in Ziehrichtung parallel laufende Fäden aus Graphit, graphitiertem Quarz oder Siliziumcarbid verwendet und die Schmelzenwanne so dimensioniert, daß ihre Länge mindestens so groß ist wie die Kontaktlänge, die sich aus der Verweildauer und der Ziehgeschwindigkeit ergibt. Die Ziehrichtung wird im Winkel CX; < lOO gegen die Horizontale geneigt eingestellt.
Ein Problem entsteht dadurch, daß das Abziehen des Kristallbandes in nahezu horizontaler Richtung erfolgen muß.
Dabei kann die Schmelze von der kristallisierenden Siliziumschicht über den Schmelzwannenrand mitgezogen werden.
Wenn dies geschieht, treten Wachstumsstörungen an der Unterseite der Schicht auf. Außerdem besteht die Gefahr, daß dadurch die Schmelze ausläuft und es deshalb zu einer Unterbrechung des kontinuierlichen Ziehprozesses kommt.
Darüber hinaus können durch das Auslaufen der Schmelze die Heizeinrichtungen für die Schmelzwanne zerstört werden.
Aus einem Bericht von Bates und Jewett aus den Proceedings of the Flat-Plate Solar Array Project Research Forum on the High-Speed Growth and Characterization of Crystals for Solar Cells, 25. bis 27. Juli 1983, Port St. Lucie, Florida, auf den Seiten 297 bis 307, ist bekannt, zur kontinuierlichen Herstellung von Siliziumbändern ohne Trägerkörper mit Geschwindigkeiten bis zu 80 cm/min (sogenanntes LASS-Verfahren = low angle silicon sheet) zur Vermeidung des Mitziehens von Siliziumschmelze Abschabvorrichtungen (sogenannte scraper) aus Quarz zu verwenden (siehe Figur 1 und 2).
Nachteile solcher Vorrichtungen sind, daß Quarz bei der hohen Temperatur der Siliziumschmelze (ungefähr 1420"C) nicht formstabil ist. Dazu kommt, daß der Quarz-Scraper im Laufe des Prozesses mit Silizium bedeckt wird und dann keine Barriere für Silizium mehr darstellt.
Die Aufgabe, die der Erfindung zugrundeliegt, besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben, bei dem ein kontinuierliches horizontales Bandziehen (web-Verfahren) mit hohen Ziehgeschwindigkeiten möglich ist, ohne daß Siliziumschmelze mit der kristallisierenden Schicht über den Schmelzwannenrand hinausgezogen wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das in Ziehrichtung im Bereich des Schmelzwannenrandes liegende Ende der Schmelze dem Einfluß eines divergierenden elektromagnetischen Feldes ausgesetzt wird, so daß ein berührungsfrei wirkender Druck den Schmelzenmeniskus stabilisiert.
Die Erfindung nützt dabei die hohe elektrische Leitfähigkeit (12000 Ohm-1 cm-1) des flüssigen Siliziums aus, die um etwa einen Faktor 20 über dem Wert von festem Silizium bei der gleichen Temperatur liegt (zum Vergleich sei angegeben, daß das Verhältnis der Leitfähigkeiten flüssig/ fest am Schmelzpunkt für Metalle kleiner 1 ist).
Außerdem macht sich die Erfindung die aus dem Buch von K.
H. Brokmeier "Induktives Schmelzen, Ausgabe 1966, auf der Seite 22 zu entnehmende Tatsache zunutze, daß ein Leiter, der in ein divergierendes elektromagnetisches Wechselfeld gebracht wird, versucht, sich vom stärkeren zum schwächeren Teil des Feldes zu bewegen, wobei die vom Feld auf den Leiter ausgeübte Kraft vom Gradienten und der Stärke des Feldes abhängig ist. Ein divergierendes elektromagnetisches Feld entsteht zum Beispiel an einer von Wechselstrom durchflossenen Spule, wie sie in Figur 1 dargestellt ist.
Aufgrund dieser Tatsachen ist die Möglichkeit gegeben, am Schmelzenende ein divergierendes elektromagnetisches Feld zu erzeugen und dadurch den Schmelzenmeniskus so zu beeinflussen, daß die Schmelze zurückgedrängt wird und auf diese Weise verhindert wird, daß die Schmelze mit der kristallisierenden Siliziumschicht über den Schmelzwannenrand mitshinausgezogen wird. Es entstehen Siliziumbänder von gleichförmiger Schichtdicke und konstanter Breite.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Durchführung des Verfahrens kann beispielsweise mit der in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 vorgeschlagenen Vorrichtung erfolgen, welche durch die erfindungsgemäße Maßanhme, beispielsweise durch die in den Unteransprüchen beanspruchten Spulen ergänzt wird.
Die Erfindung wird im einzelnen anhand der Figuren 1 bis 7 noch näher erläutert. Dabei zeigen die Figur 1 schematisch ein divergierendes elektromagnetisches Feld, die Figuren 2 und 4 die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Spulen in Draufsicht, die Figur 3 eine Spule mit konusförmiger Ausbildung der Windungen im Schnittbild und die Figuren 5 bis 7 in schematischer Darstellung die Anordnung verschiedener Spulen in bezug auf den Schmelzenmeniskus.
Für gleiche Teile gelten bei allen Figuren gleiche Bezugszeichen.
In Figur 1 ist der Querschnitt der einzelnen Spulenwindungen einer zylindrischen Spule 2 des Durchmessers D dargestellt; mit dem Bezugszeichen 1 sind die Feldlinien bezeichnet. Am Rande und außerhalb der Spule 2 divergieren die Feldlinien 1. Ein in diesem Raum befindlicher Leiter wird von der Spule abgestoßen.
Figur 2 zeigt die Anordnung einer aus mehreren Windungen in Rechteckform aufgebauten Spule 2, die das gemäß der Lehre der Erfindung zur Anwendung kommende divergierende elektromagnetische Feld nach Einstellen einer bestimmten Hochfrequenz-Leistung erzeugt. Der Pfeil 6 zeigt die Ziehrichtung des mit Silizium beschichteten Trägerkörpers 3, zum Beispiel bestehend aus einem Graphitfadennetz an. Mit dem Bezugszeichen 4 ist die unter dem Trägerkörper 3 liegende Schmelzenoberfläche und mit 5 der Schmelzwannenrand bezeichnet. Wie aus der Figur 2 zu ersehen ist, wird die Spule 2 mit ihrem einen Ende so an das Schmelzenende 4, 5 geschoben, daß durch das durch die Spule 2 erzeugte divergierende elektromagnetische Feld berührungsfrei ein Druck auf den Schmelzmeniskus 14 ausgeübt wird, der die Schmelze 4 stabilisiert. Der Querschnitt der Spule 2 ist an den Schmelzmeniskus 14 bzw. an den Querschnitt des beschichteten bandförmigen Trägerkörpers 3 angepaßt.
In Figur 3 ist die Anordnung einer Spule 12, deren Windungen in Ziehrichtung 6 eine konische Form aufweisen, gezeigt. Dabei ist die Spule 12 in der senkrecht zum beschichteten Band 3 (sogenanntes web) und in Ziehrichtung 6 stehenden Ebene so angeordnet, daß die größere Öffnung der Windungen zum Schmelzenende 4, 5 hinweist.
Figur 4: Die Spule 22 hat die Form einer Flachspule mit einem rechteckigen Querschnitt und weist mehrere, in einer Ebene liegende Windungen auf.
Figur 5 zeigt die Anordnung der Spule 22 gemäß Figur 4, wobei durch den Doppelpfeil 23 angedeutet werden soll, daß die Spule verschiebbar ausgebildet ist.
Die Figuren 6 und 7 zeigen Anordnungen, ähnlich wie Figur 5, bei der in Figur 6 eine Spule 32 in Richtung Schmelze 4, 14 mit gekrümmter Spulenebene und in Figur 7 eine Flachspule 42 verwendet wird. In beiden Fällen wird bewirkt, daß die Schmelze (14) nach unten gedrückt wird.
Die Spulen 32 und 42 sind zum Unterschied zu Figur 5, bei der eine konzentrische Anordnung vorliegt, seitlich vom beschichteten Trägerkörperband 3 (web) angeordnet und sind schwenkbar ausgebildet (siehe Drehpfeil 33 und 43).
Dadurch wird es möglich, die Spule (32 oder 42) erst dann in Position zu bringen, wenn der Beschichtungsprozeß angelaufen ist.
Ausführungsbeispiel: Die Spule, zum Beispiel wie in Figur 3 abgebildet, hat einen rechteckigen Querschnitt, der sich von einem zum anderen Spulenende konisch erweitert. Der kleinste Querschnitt hat die Abmessungen 10 cm x 3 cm, der größte 10 cm x 6 cm. Die Länge beträgt 6 cm. Der Hochfrequenzgenerator liefert eine Leistung von 8 KW, die Frequenz beträgt 45 KHz. Mit dieser Vorrichtung kann eine Schmelze des Querschnitts 1 cm (Höhe) x 5 cm (Breite) stabil gehalten werden.
Die bereits erwähnte hohe elektrische Leitfähigkeit der Siliziumschmelze (12000 Ohm-1 cm 1) und der Unterschied der Leitfähigkeiten flüssig/fest am Schmelzpunkt verhindern, daß durch die Einwirkung des Hochfrequenzfeldes eine Aufheizung der kristallisierten Siliziumschicht eintritt, die zu einem unerwünschten Aufschmelzen auf dem Trägerkörper führen könnte.
Die durch das Hochfrequenzfeld in der Schmelze entstehende Erwärmung wird berücksichtigt, in dem die Bodenheizung der Schmelzwanne (siehe zum Beispiel die in der deutschen Patentanmeldung P 34 28 257.2 beschriebene Vorrichtung) auf diese zusätzliche Wärmequelle abgestimmt wird. Durch Anbringung von gekühlten Kurzschlußringen kann außerdem die auf die Schmelze wirkende Hochfrequenzleistung lokal eingegrenzt werden.
8 Patentansprüche 7 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zum Herstellen von bandförmigen Siliziumkristallen für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Solarzellen, bei dem ein gegenüber der Siliziumschmelze resistenter Trägerkörper in horizontaler oder nahezu horizontaler Richtung tangierend über die in einer Wanne befindliche Schmelze gezogen und mit Silizium beschichtet wird, wobei der Trägerkörper zugleich Kristallisationskeim für den Aufbau des kristallinen Siliziumbandes ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das in Ziehrichtung (6) im Bereich des Schmelzwannenrandes (5) liegende Ende der Schmelze (4) dem Einfluß eines divergierenden elektromagnetischen Feldes (2, 12, 22, 32, 42) ausgesetzt wird, so daß ein berührungsfrei wirkender Druck den Schmelzenmeniskus (14) stabilisiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine Hochfrequenzspule (2) verwendet wird, deren Querschnitt dem Bandquerschnitt (3) angepaßt ist und daß über die Leistung des hochfrequenten Wechselstromes die Schmelzstabilisierung bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Spule (2) mit rechteckigem Querschnitt und zylinderförmig verlaufenden Windungen verwendet wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Flachspule (22) mit rechteckigem Querschnitt und mit in einer Ebene liegenden Windungen verwendet wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Spule (12) verwendet wird, deren Windungen in der zum Siliziumband (3) senkrecht stehenden Ebene eine konische Form aufweisen, wobei sich der Konus zum Schmelzenende (4, 5) hin öffnet.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine in Richtung Schmelze (4, 14) gekrümmte Spulenebenen aufweisende Flachspule (32, 42) verwendet wird, die in Ziehrichtung (6) auf der Seite des beschichteten Bandes (3) angeordnet wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine in Ziehrichtung (6) verschiebbar (23) ausgebildete und/ oder um ihre Achse (33, 43) schwenkbare Spule verwendet wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Frequenz des Hochfrequenzsenders auf einen Bereich zwischen 10 und 100 kHz eingestellt wird.