[go: up one dir, main page]

DE102011002156B4 - Kristallherstellungsverfahren - Google Patents

Kristallherstellungsverfahren Download PDF

Info

Publication number
DE102011002156B4
DE102011002156B4 DE102011002156A DE102011002156A DE102011002156B4 DE 102011002156 B4 DE102011002156 B4 DE 102011002156B4 DE 102011002156 A DE102011002156 A DE 102011002156A DE 102011002156 A DE102011002156 A DE 102011002156A DE 102011002156 B4 DE102011002156 B4 DE 102011002156B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
crucible
seed crystal
crystal body
melt
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102011002156A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102011002156A1 (de
Inventor
Ronny Lantzsch
Marko Geisler
Uwe Matheß-Herzog
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hanwha Q Cells GmbH
Original Assignee
Q Cells SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Q Cells SE filed Critical Q Cells SE
Priority to DE102011002156A priority Critical patent/DE102011002156B4/de
Publication of DE102011002156A1 publication Critical patent/DE102011002156A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102011002156B4 publication Critical patent/DE102011002156B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/06Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/14Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/121The active layers comprising only Group IV materials
    • H10F71/1221The active layers comprising only Group IV materials comprising polycrystalline silicon
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kristallherstellungsverfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls (5), insbesondere eines Siliziumingots. Das Kristallherstellungsverfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte: Bereitstellen einer Schmelze (3) aus geschmolzenem Halbleitermaterial in einem Tiegel (4); Eintauchen eines an einem Halteelement (2) gehaltenen Keimkristallkörpers (1) in die Schmelze (3); Anordnen des Keimkristallkörpers (1) in dem Tiegel (4); Lösen des Keimkristallkörpers (1) von dem Halteelement (2); und Durchführen eines Kristallisationsvorgangs, bei dem das Halbleitermaterial aus dem geschmolzenem Zustand ausgehend vom Keimkristallkörper (1) teilweise oder vollständig in einen festen Zustand übergeht und den Halbleiterkristall (5) bildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kristallherstellungsverfahren eines Halbleiterkristalls, insbesondere eines Siliziumingots.
  • Für die Herstellung waferbasierter Solarzellen oder anderer waferbasierter Elektronikkomponenten werden Halbleiterwafer aus einem größeren Stück Halbleitermaterial, einem sogenannten Ingot, gesägt. Idealerweise weist das Halbleitermaterial hierbei eine einkristalline Struktur auf. Ein derart einkristalliner Ingot wird üblicherweise in einem Tiegelziehverfahren (auch Czochralski-Verfahren genannte) erzeugt. Hierbei wird ein Kristallisationskeim in eine Schmelze aus dem gewünschten Halbleitermaterial getaucht. An dem Kristallisationskeim wächst dann der Kristallkörper und wird stückweise aus der Schmelze gezogen. Zahlreiche weitere Verfahren zur Erzeugung einbeziehungsweise monokristalliner Halbleiterkörper sind bekannt, welche auf ähnlichen Prinzipien beruhen, wie das Czochralski-Verfahren.
  • Diese Arten der Herstellung monokristalliner Halbleiterkörper sind jedoch sehr zeit- und kostenintensiv und führen somit letztendlich zu teuren Wafern. Eine Möglichkeit, mit weniger Aufwand und somit preiswerter Halbleiterkörper herzustellen besteht dann, eine Schmelze aus dem Halbleitermaterial in einem Tiegel unter den Schmelzpunkt des Halbleiters abzukühlen, so dass es in der Form des Tiegels zu einem Kristall erstarrt. Da sich jedoch beim Erstarren in der Regel mehrere voneinander unabhängige Kristallisationspunkte am Tiegelboden ausbilden, weist ein auf diese Weise hergestellter Halbleiterkörper eine mehr- beziehungsweise multikristalline Struktur auf, mit innerhalb des Halbleiterkörpers verlaufenden Korngrenzen.
  • Die Verwendung eines derartigen multikristallinen Halbleiterkörpers hat unterschiedliche Nachteile. Zum einen stellen Korngrenzen Bereiche erhöhter Rekombination für Ladungsträger in Solarzellen dar. Somit steigt mit der Anzahl an Korngrenzen auch die Rekombinationsrate in der späteren Solarzelle, so dass ihre Effizienz sinkt. Ferner ist aufgrund der inhomogenen Orientierung der Kristallite, aus denen der Halbleiterkörper und somit auch ein hieraus geschnittener Halbleiterwafer bestehen, eine optimale Oberflächen-Texturierung der Solarzellenoberfläche nicht möglich.
  • US 5,887,015 offenbart einen Heizmechanismus mit zylindrischen, um einen Tiegel vertikal bewegbar angeordneten Heizelementen, für eine Kristallziehvorrichtung. Bei dem in US 5,887,015 beschriebenen Kristallziehverfahren wird ein Keimkristall derart über einer in dem Tiegel angeordneten Siliziumschmelze gehalten, dass er die Oberfläche der Schmelze leicht berührt. Daraufhin kristallisiert Material aus der Schmelze an dem Keimkristall an. Während des Kristallisationsvorgangs wird das Keimkristall nach oben gezogen und rotiert.
  • DE 10 2010 024 010 A1 , bei dem es sich um nachveröffentlichten Stand der Technik handelt, offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Siliziumblocks. Bei dem Verfahren aus DE 10 2010 024 010 A1 wird zunächst Siliziumrohmaterial in einem Tiegel geschmolzen.
  • Anschließend wird weiteres Siliziummaterial in Form von Siliziumstäben in die Schmelze eingetaucht und durchgeschmolzen, um den Tiegel aufzufüllen. Schließlich findet eine gerichtete Erstarrung des Siliziums im Tiegel statt, indem seitlich um den Tiegel und unterhalb des Tiegels angeordnete Heizelemente entsprechend gesteuert werden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kristallherstellungsverfahren und eine Kristallherstellungsvorrichtung bereitzustellen, um auf kostengünstige Weise einen Halbleiterkristall mit einer Kristallstruktur mit möglichst wenigen Korngrenzen für die Weiterverarbeitung zu Halbleiterwafern und insbesondere zu Solarzellen herzustellen.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Kristallherstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Die Erfindung beruht auf der Überlegung, den Kristallisationsursprung für die Herstellung des Halbleiterkristalls aus einer Halbleiterschmelze vorzugeben, so dass ein kontrollierter Startpunkt für die Kristallisation gegeben ist. Einen solchen Startpunkt bildet der Keimkristallkörper, welcher an dem Halteelement gehalten in die Schmelze eingetaucht wird. Aus diesem Keimkristallkörper geht dann nach dem Kristallisationsvorgang der Halbleiterkristall hervor. Der fertige Halbleiterkristall weist somit die gleiche Kristallorientierung auf, wie der eingetauchte und im Tiegel platzierte Keimkristallkörper.
  • Hierbei ist es von wesentlicher Bedeutung, dass der Keimkristallkörper in das bereits geschmolzene Material eingetaucht wird. Unwesentlich ist es jedoch, wenn das Halbleitermaterial zum Zeitpunkt der Berührung des Keimkristallkörpers mit der Oberfläche der Schmelze noch nicht vollständig durchgeschmolzen ist, wobei dies jedoch vorteilhaft wäre. Wenngleich in bestimmten Ausführungsformen der Keimkristallkörper nach dem Eintauchen in die Schmelze selbst angeschmolzen wird, muss sichergestellt werden, dass dieser Keimkristallkörper nie vollständig durchschmilzt. Zumindest ein Teil des Keimkristallkörpers muss nämlich auch als Teil des hergestellten Halbleiterkristalls erhalten bleiben.
  • Der Keimkristallkörper muss selbst eine möglichst einkristalline Struktur aufweisen. Hierzu sollte er aus einem Kristallisationsprozess entstanden sein, welcher ein Halbleiterkristall mit einer möglichst geringen Anzahl an Korngrenzen zu erzeugen imstande ist. Vorzugsweise ist der Keimkristallkörper aus einem mittels eines Czochralski-Verfahrens erzeugten Halbleiterkristall geschnitten.
  • Das Halteelement muss derart gelagert sein, dass eine Bewegung des von ihm gehaltenen Keimkristallkörpers in Richtung auf die Schmelze im Tiegel zu möglich ist. Dies wird mittels einer mit dem Halteelement verbundenen Antriebssteuervorrichtung erreicht. Das Halteelement, mit dem der Keimkristallkörper verbunden ist, hat vorzugsweise eine langgestreckte Form, an dessen unterem Ende der Keimkristallkörper gehalten wird.
  • Um den Keimkristallkörper nach dem Anordnen im Tiegel wieder vom Halteelement lösen zu können, muss ein Abkopplungsmechanismus vorgesehen sein, welcher ebenfalls durch die Antriebssteuervorrichtung gesteuert sein kann. Beispielsweise kann es sich um einen ferngesteuerten Greifarm handeln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass der Keimkristallkörper einen Verbindungsabschnitt aufweist und an diesem mit dem Halteelement verbunden wird, wobei zum Lösen des Keimkristallkörpers von dem Halteelement der Verbindungsabschnitt des Keimkristallkörpers geschmolzen wird.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verbindungsabschnitt des Keimkristallkörpers aufgrund des Eintauchens in die Schmelze geschmolzen wird. Das bedeutet, dass in diesem Fall die Wärmeenergie der Schmelze den Verbindungsabschnitt auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Halbleitermaterials erwärmt, aus dem der Keimkristallkörper gebildet ist. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Verbindungsabschnitt durch eine geometrische Verjüngung des Keimkristallkörpers gebildet wird, womit sichergestellt ist, dass der Verbindungsabschnitt bereits dann abschmilzt, wenn noch ein wesentlicher Teil des Keimkristallkörpers in fester Form vorliegt. Ein Verbindungsabschnitt in Form einer geometrischen Verjüngung kann jedoch auch bei anderen Abkopplungsmechanismen von Vorteil sein, beispielsweise wenn die Verjüngung mittels einer externen Wärmequelle oder einer anderen Trennvorrichtung durchtrennt wird.
  • Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Keimkristallkörper vor dem Eintauchen in die Schmelze vorgeheizt wird, vorzugsweise bis auf eine Temperatur nahe seiner Schmelztemperatur, ohne dass der Keimkristallkörper dadurch schmilzt. Wenn ein derartiges Vorheizen nicht stattfindet, dann sollte der Keimkristallkörper nach dem Eintauchen solange in der Schmelze verbleiben, bis eventuell an ihm angewachsene parasitäre Keime wieder zurückgeschmolzen sind, um den Kristallisationsvorgang erst dann zu beginnen. Derartige angewachsene parasitäre Keime entstehen dann, wenn ein kalter Keimkristallkörper in eine Schmelze mit einer weit höheren Temperatur getaucht wird: Der Teil der Schmelze in Berührung mit dem Keimkristallkörper wird dann schlagartig unterhalb der Schmelztemperatur abgekühlt. Um diese unerwünschte Keimbildung zu vermeiden, wird der Keimkristallkörper zuvor vorgeheizt, vorzugsweise auf eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur, beispielsweise 5%, 10% oder 15% darunter.
  • Die Schmelze kann außerhalb des Tiegels mittels Schmelzen des Halbleitermaterials gebildet und anschließend in den Tiegel gegossen werden. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass das Bereitstellen der Schmelze einen Schmelzvorgang umfasst, bei dem im dem Tiegel angeordnetes Halbleitermaterial geschmolzen wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Keimkristallkörper während des Schmelzvorgangs in einem unbeheizten Haltebereich außerhalb des Tiegels gehalten wird. Erst wenn der Schmelzvorgang abgeschlossen ist, wird dann der Keimkristallkörper mittels des Halteelementes in die Schmelze abgesenkt.
  • Es ist vorgesehen, dass der Kristallisationsvorgang vor dem Lösen des Keimkristallkörpers von dem Halteelement beginnt. Insbesondere ist es wünschenswert, wenn der Keimkristallkörper zunächst aufgrund des Kristallisationsvorgangs festwächst, so dass seine Position in dem Tiegel festgelegt ist, bevor er vom Halteelement gelöst wird. Wenn das Lösen des Keimkristallkörpers mittels Durchschmelzen eines Verbindungsabschnittes erfolgt, so kann beispielsweise an einem gegenüber dem Verbindungsabschnitt distalen Abschnitt des Keimkristallkörpers bereits die Kristallisation beginnen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Keimkristallkörper an einem gegenüber einer Tiegelöffnung distalen Bereich des Tiegels angeordnet wird. Hierbei ist es unerheblich, ob der Keimkristallkörper selbst eine Tiegelwand berührt oder aufgrund eines bereits kristallisierten Abschnittes des Halbleiterkörpers auf eine Distanz von diesen Tiegelabschnitten gehalten wird.
  • Es ist vorgesehen, dass der Keimkristallkörper auf einem Tiegelboden des Tiegels angeordnet wird. Bei dem Tiegelboden handelt es sich vorzugsweise um einen gegenüber der Tiegelöffnung distalen Bereich des Tiegels.
  • Der nach dem Eintauchen des Keimkristallkörpers eingeleitete Kristallisationsvorgang, bei dem das Halbleitermaterial aus dem geschmolzenem Zustand ausgehend vom Keimkristallkörper teilweise oder vollständig in einen festen Zustand übergeht und den Halbleiterkristall bildet, kann in einfachen Ausführungsformen im Wesentlichen passiv erfolgen. Hierbei wird oder werden lediglich ein oder mehrere Heizelemente, welche für die Erzeugung der Schmelze aus dem Halbleitermaterial zuständig waren, einfach ausgeschaltet oder heruntergedreht, so dass sich die Schmelze insgesamt langsam abkühlt.
  • Bevorzugterweise ist jedoch eine Temperatursteuervorrichtung vorgesehen, welche ausgebildet ist, in Zusammenwirken mit dem Heizelement oder mit den Heizelementen eine zeitlich variierende Temperaturverteilung in dem Tiegel zu erzeugen. Die Temperatursteuervorrichtung kann beispielsweise eine elektronische Steuerung umfassen. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kristallisationsvorgang mittels einer zeitlich variierenden Temperaturverteilung zunächst im Wesentlichen in horizontaler Richtung parallel zu einem Tiegelboden und anschließend im Wesentlichen in vertikaler Richtung parallel zu einer Tiegelwand durchgeführt wird.
  • Hierzu kann beispielsweise eine Tiegelisolation mit räumlich variierender Isolationsdicke vorgesehen sein. Es ist insbesondere vorteilhaft, zunächst entlang des Tiegelbodens einen radialen Temperaturgradienten derart zu erzeugen, dass der Kristallisationsvorgang mittels der zeitlich variierenden Temperaturverteilung zunächst im Wesentlichen radial entlang des Tiegelbodens durchgeführt wird. Wenn dies mittels der Tiegelisolation erfolgen soll, kann diese Tiegelisolation als Bodenisolation unterhalb des Tiegelbodens angeordnet sein und radial von innen nach außen, das heißt zum Bodenumfang, hin eine sich vergrößernde Isolationsdicke aufweisen.
  • Vorteilhafterweise ist zudem eine Öffnung in der Tiegelisolation vorgesehen, durch welche die Wärme aus dem Tiegel entweichen kann. In diesem Fall wird der Keimkristallkörper vorzugsweise im Tiegel oberhalb der Öffnung in der Tiegelisolation angeordnet. Zusätzlich kann ein Kühlelement vorgesehen sein, welches vorzugsweise an der Öffnung in der Tiegelisolation angeordnet ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren stellen eine schematische Querschnittsansicht einer Kristallherstellungsvorrichtung in unterschiedlichen Stadien eines Kristallherstellungsverfahrens dar. Hierbei zeigen:
  • 1 die Kristallherstellungsvorrichtung mit einem Tiegel, welcher mit einer Schmelze gefüllt ist, und einem oberhalb einer Tiegelöffnung gehaltenem Keimkristallkörper;
  • 2 die Kristallherstellungsvorrichtung aus 1, wobei der Keimkristallkörper mittels eines Halteelementes in Richtung auf die Schmelze zu bewegt wird;
  • 3 die Kristallherstellungsvorrichtung aus 2 mit einem in die Schmelze getauchten Keimkristallkörper;
  • 4 die Kristallherstellungsvorrichtung aus 3, mit durch Schmelzung eines Verbindungsabschnittes vom Halteelement gelöstem und am Tiegelboden angeordnetem Keimkristallkörper;
  • 5 die Kristallherstellungsvorrichtung aus 4 in dem ein Kristallisationsvorgang vom Keimkristallkörper aus begonnen hat; und
  • 6 die Kristallherstellungsvorrichtung aus 5 mit einem abgeschlossenen Kristallisationsvorgang, bei dem der Halbleiterkristall im Tiegel vorliegt.
  • Die 1 bis 6 veranschaulichen das Kristallherstellungsverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Sie zeigen jeweils eine schematische Querschnittsansicht durch eine Kristallherstellungsvorrichtung mit einem Tiegel 4, welcher innerhalb eines Ofenmantels 7 angeordnet ist.
  • Der hier im Längsquerschnitt rechteckig dargestellte Tiegel 4 ist zylindrisch mit einer quadratischen oder kreisförmigen Grundfläche und weist im unteren Bereich einen Tiegelboden 41 auf, von der aus umlaufend eine Tiegelwand 43 das Innere des Tiegels 4 umgibt. Nach oben hin weist der Tiegel 4 eine Tiegelöffnung 41 auf, von der aus er mit dem Halbleitermaterial beschickt werden kann. Innerhalb des Ofenmantels 7 ist der Tiegel 4 von einer Tiegelisolation 6 umgeben, welche ein unerwünschtes beziehungsweise zu schnelles Abkühlen des Tiegels 4 verhindert. Schließlich sind seitlich und oberhalb des Tiegels 4 innerhalb der Tiegelisolation 6 Heizelemente 8 vorgesehen, welche dazu dienen, eine gewünschte Temperaturverteilung in dem und um den Tiegel 4 herum zu erzeugen.
  • In dem in 1 dargestellten Tiegel 4 befindet sich eine Schmelze 3 aus einem Halbleitermaterial, welches zuvor in fester Form in den Tiegel 4 angeordnet und mittels der Heizelemente 8 zum Schmelzen gebracht wurde. Alternativ kann das Halbleitermaterial auch als Schmelze 3 in den Tiegel 4 gegossen worden sein, wobei die Heizelemente 8 das Halbleitermaterial flüssig halten. Die Heizelemente 8 umfassen einen oberhalb des Tiegels 4 angeordneten Deckenheizer 81 und einen seitlich um den Tiegel 4 herum angeordneten Seitenheizer 82. Deckenheizer 81 und/oder Seitenheizer 82 können selbst wiederum in einzelne Segmente aufgeteilt sein, welche eigenständig ansteuerbar sind.
  • Ein Keimkristallkörper 1 mit einer möglichst einkristallinen Struktur, das heißt mit möglichst wenigen Korngrenzen, wird mittels eines stabförmigen Halteelementes 2 oberhalb der Tiegelöffnung 41 außerhalb des Tiegels 4 gehalten. Hierzu weist der Keimkristallkörper 1 einen Verbindungsabschnitt 11 auf, an der er an dem Halteelement 2 befestigt ist. Den Verbindungsabschnitt 11 bildet in der hier dargestellten Ausführungsform eine konische oder zylinderschnittförmige Verjüngung des Keimkristallkörpers 1 nach oben hin. Um eine Oxidation des Keimkristallkörpers 1 zu vermeiden, kann er in dieser Stellung von inertem Gas, beispielsweise Argon, umspült sein, welches auch den Bereich des Tiegels 4 oberhalb der Schmelze 3 füllen kann.
  • Wie in der 2 dargestellt, wird der Keimkristallkörper 1 mittels des Halteelementes 2 in den Tiegel 4 abgesenkt. Hierbei tritt er in einen mittels der Heizelemente 8 und insbesondere mittels des Deckenheizers 81 erwärmten Bereich ein. Vorzugsweise wird der Keimkristallkörper 1 in diesem Bereich eine Zeit lang gehalten und mittels der Heizelemente 8 vorgeheizt, bevor er in die Schmelze 3 eingetaucht wird.
  • Der Keimkristallkörper 1 wird weiter in den Tiegel 4 eingeführt und dabei in die Schmelze 3 eingetaucht. An seiner Oberfläche kann es hierbei bereits zu einer unerwünschten Kristallisation kommen, falls der Keimkristallkörper 1 nicht ausreichend vorgeheizt wurde. Wie in der 3 dargestellt, wird der Keimkristallkörper 1 am Tiegelboden 42 abgesetzt. Hat unterhalb des Keimkristallkörpers 1 eine Kristallisation bereits begonnen, dann kann sich die Kristallisation auch stattdessen bis zum Tiegelboden 42 fortsetzen, so dass sich dadurch eine Berührung zwischen dem Keimkristallkörper 1 und dem Tiegelboden 42 ergibt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform aus 3 taucht auch das Halteelement 2 in die Schmelze 3 ein. Vorzugsweise ist jedoch die Geometrie derart bemessen, beispielsweise durch geeignete Auswahl der Größe des Keimkristallkörpers 1, dass beim Absetzen des Keimkristallkörpers 1 auf dem Tiegelboden 42 das Halteelement 2 nicht in die Schmelze 3 einzutauchen braucht.
  • In der hier dargestellten Ausführungsform ist außerdem unterhalb der Position des Keimkristallkörpers 1 am Tiegelboden 42 ein Kühlelement 9 zur aktiven Kühlung vorgesehen. Zum einen wird hierdurch ein Durchschmelzen des Keimkristallkörpers 1 verhindert. Ferner dient das Kühlelement 9 dazu, zusammen mit einer ebenfalls unterhalb des Tiegelbodens 42 vorgesehenen Bodenisolation 91 einen geeigneten Temperaturgradienten entlang des Tiegelbodens 42 zu erzeugen, so dass eine Kristallisation vom Keimkristallkörper 1 aus radial entlang des Tiegelbodens 42 verläuft.
  • Wenn der Keimkristallkörper 1 aufgrund der Aufnahme von Wärmeenergie aus der Schmelze 3 aufgeheizt wird, beginnt er, an seiner Oberfläche zu schmelzen. Da der Verbindungsabschnitt 11 des Keimkristallkörpers 1 aus einer Verjüngung des Keimkristallkörpers 1 gebildet ist, und in diesem Fall auch wegen des Vorhandenseins des Kühlelementes 9, schmilzt der Verbindungsabschnitt 11 durch, ohne dass der Keimkristallkörper 1 selbst durchschmilzt. Auf diese Weise wird die Verbindung zwischen dem Keimkristallkörper 1 und dem Halteelement 2 gelöst und das Halteelement 2 kann aus dem Tiegel 4 herausgezogen werden. Diese Situation ist in der 4 dargestellt.
  • Anschließend beginnt der Kristallisationsvorgang. Hierbei sind die Bodenisolation 91, das Kühlelement 9 und das Heizelement 8 derart bemessen, dass sie einen zeitlich veränderlichen Temperaturgradienten mit einer sich radial vom Keimkristallkörper 1 entlang des Tiegelbodens 42 hin zu der Tiegelwand 43 ausdehnenden Isotherme erzeugen. Dies hat zur Folge, dass sich in einem ersten Abschnitt des Kristallisationsvorgangs aus dem Keimkristallkörper 1 ein Halbleiterkristall 5 bildet, welcher eine größere Grundfläche besitzt und im Wesentlichen aus einem monokristallinen Abschnitt 51 besteht. Hierbei kann der Halbleiterkristall 5 auch in vertikaler Richtung parallel zur Tiegelwand 43 wachsen, jedoch vorzugsweise in geringerem Maße.
  • Erst wenn der so gebildete Halbleiterkristall 5 den Tiegelboden 42 bis zu der Tiegelwand 43 ausfüllt, fängt er an, entlang der Tiegelwand 43 vertikal zu wachsen, bis die gesamte Schmelze 3 aufgebraucht ist. Diese Situation ist in der 6 dargestellt. Hierbei kann sich in Randbereichen des fertigen Halbleiterkristalls 5 ein multikristalliner Abschnitt 52 ausbilden, während der Kern des Halbleiterkristalls 5 aus einem möglichst großen monokristallinen Abschnitt 51 mit möglichst wenigen oder vorzugsweise keinen innerkristallinen Korngrenzen besteht. In diesem Fall muss nach dem Entnehmen des Halbleiterkristalls 5 aus dem Tiegel 4 der multikristalline Abschnitt 52 abgeschnitten werden, um einen rein monokristallinen Halbleiterkristall 5 zu erhalten. Die beiden unterschiedlich kristallinen Abschnitte 51, 52 des Halbleiterkristalls 5 sind in der 6 mittels unterschiedlichen Schraffuren kenntlich gemacht.
  • Der fertige Halbleiterkristall 5 kann anschließend in einzelne Wafer geschnitten und zu Halbleitervorrichtungen, insbesondere zu Wafer-basierten Solarzellen weiterverarbeitet werden. Der abgeschnittene multikristalline Abschnitt 52 des Halbleiterkristalls 5 kann erneut eingeschmolzen und für einen weiteren Kristallherstellungsvorgang in den Tiegel 4 platziert werden. Alternativ können derartige multikristalline Abschnitte 52 des Halbleiterkristalls 5 zu multikristallinen Halbleiterwafern weiterverarbeitet und ebenfalls für die Solarzellenherstellung eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Keimkristallkörper
    11
    Verbindungsabschnitt
    2
    Halteelement
    3
    Schmelze
    4
    Tiegel
    41
    Tiegelöffnung
    42
    Tiegelboden
    43
    Tiegelwand
    5
    Halbleiterkristall
    51
    monokristalliner Abschnitt
    52
    multikristalliner Abschnitt
    6
    Tiegelisolation
    7
    Ofenmantel
    8
    Heizelement
    81
    Deckenheizer
    82
    Seitenheizer
    9
    Kühlelement
    91
    Bodenisolation

Claims (10)

  1. Kristallherstellungsverfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls (5) umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen einer Schmelze (3) aus geschmolzenem Halbleitermaterial in einem Tiegel (4); – Eintauchen eines an einem Halteelement (2) gehaltenen Keimkristallkörpers (1) in die Schmelze (3); – Anordnen des Keimkristallkörpers (1) in dem Tiegel (4) auf einem Tiegelboden des Tiegels; – Lösen des Keimkristallkörpers (1) von dem Halteelement (2); und – Durchführen eines Kristallisationsvorgangs im Tiegel, bei dem das Halbleitermaterial aus dem geschmolzenem Zustand ausgehend vom Keimkristallkörper (1) teilweise oder vollständig in einen festen Zustand übergeht und den Halbleiterkristall (5) bildet, wobei der Kristallisationsvorgang vor dem Lösen des Keimkristallkörpers (1) von dem Halteelement (2) beginnt und wobei während des Verfahrens der Keimkristallkörpers (1) nicht vollständig durchschmolzen wird.
  2. Kristallherstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keimkristallkörper (1) einen Verbindungsabschnitt (11) aufweist und an diesem mit dem Halteelement (2) verbunden wird, wobei zum Lösen des Keimkristallkörpers (1) von dem Halteelement (2) der Verbindungsabschnitt (11) des Keimkristallkörpers (1) geschmolzen wird.
  3. Kristallherstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (11) des Keimkristallkörpers (1) aufgrund des Eintauchens in die Schmelze (3) geschmolzen wird.
  4. Kristallherstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsabschnitt (11) durch eine geometrische Verjüngung des Keimkristallkörpers (1) gebildet wird.
  5. Kristallherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keimkristallkörper (1) vor dem Eintauchen in die Schmelze (3) vorgeheizt wird.
  6. Kristallherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der Schmelze (3) einen Schmelzvorgang umfasst, bei dem im dem Tiegel (4) angeordnetes Halbleitermaterial geschmolzen wird.
  7. Kristallherstellungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Keimkristallkörper (1) während des Schmelzvorgangs in einem unbeheizten Haltebereich außerhalb des Tiegels (4) gehalten wird.
  8. Kristallherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keimkristallkörper (1) an einem gegenüber einer Tiegelöffnung (41) distalen Bereich des Tiegels angeordnet wird.
  9. Kristallherstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationsvorgang mittels einer zeitlich variierenden Temperaturverteilung zunächst im Wesentlichen in horizontaler Richtung parallel zu einem Tiegelboden (42) und anschließend im Wesentlichen in vertikaler Richtung parallel zu einer Tiegelwand (43) durchgeführt wird.
  10. Kristallherstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationsvorgang mittels der zeitlich variierenden Temperaturverteilung zunächst im Wesentlichen radial entlang des Tiegelbodens (42) und anschließend im Wesentlichen in vertikaler Richtung parallel zu der Tiegelwand (43) durchgeführt wird.
DE102011002156A 2011-04-19 2011-04-19 Kristallherstellungsverfahren Active DE102011002156B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011002156A DE102011002156B4 (de) 2011-04-19 2011-04-19 Kristallherstellungsverfahren

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011002156A DE102011002156B4 (de) 2011-04-19 2011-04-19 Kristallherstellungsverfahren

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102011002156A1 DE102011002156A1 (de) 2012-10-25
DE102011002156B4 true DE102011002156B4 (de) 2013-02-14

Family

ID=46967206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102011002156A Active DE102011002156B4 (de) 2011-04-19 2011-04-19 Kristallherstellungsverfahren

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102011002156B4 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5887015A (en) * 1995-12-27 1999-03-23 Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. Heater mechanism for crystal pulling apparatus
DE102010024010A1 (de) * 2010-06-16 2011-12-22 Centrotherm Sitec Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von polykristallinen Siliziumblöcken

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5887015A (en) * 1995-12-27 1999-03-23 Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. Heater mechanism for crystal pulling apparatus
DE102010024010A1 (de) * 2010-06-16 2011-12-22 Centrotherm Sitec Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von polykristallinen Siliziumblöcken

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011002156A1 (de) 2012-10-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69830024T2 (de) Verfahren zur Herstellung polykristalliner Halbleiter
DE69614609T2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Einkristalles
DE69604452T2 (de) Verfahren zur Herstellung polykristalliner Halbleiter
DE112014002768B4 (de) Einkristall-Herstellvorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls
DE102009005837B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Siliziumdünnstäben
DE2242111B2 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von Gußstücken mit gerichtet erstarrtem Gefüge
EP2890834B1 (de) Modellprädiktive regelung des zonenschmelz-verfahrens
DE69803198T2 (de) Verfahren zur züchtung von silicium-einkristall ohne züchtung eines dash-halses
DE1034772B (de) Verfahren zum Ziehen von spannungsfreien Einkristallen fast konstanter Aktivatorkonzentration aus einer Halbleiterschmelze
DE112016004193B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Einkristalls
DE112009003601B4 (de) Einkristall-Herstellungsanlage und Verfahren zur Herstellung elnes Einkristalls
DE112014003969T5 (de) Oberer Wärmeabschirmkörper, Ingotzuchtvorrichtung mit demselben und Ingotzuchtverfahren verwendend denselben
DE69934643T2 (de) Verfahren zur herstellung eines einkristalls mit halbleitender zusammensetzung
DE4323793A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Stäben oder Blöcken aus beim Erstarren sich ausdehnendem Halbleitermaterial durch Kristallisieren einer aus Granulat erzeugten Schmelze sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung
DE10204178A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Einkristalls aus Halbleitermaterial
DE102010023101B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben aus Silizium
EP1509642B1 (de) Anordnung zur herstellung von kristallstäben mit definiertem querschnitt und kolumnarer polykristalliner struktur mittels tiegelfreier kontinuierlicher kristallisation
DE102011002156B4 (de) Kristallherstellungsverfahren
DE112018006877B4 (de) Verfahren zur Zufuhr von Ausgangsmaterial und Verfahren zur Herstellung eines Silicium-Einkristalls
EP2504470B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von einkristallen aus halbleitermaterial
DE112009004496B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Einkristallen
DE102009044893B4 (de) Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Kristallkörpers aus einem Halbleitermaterial
DE102006052961B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkristalls
DE2307463B2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von einkristallinen Metallgußstücken
DE102009034145B4 (de) Vorrichtung, Verwendung der Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Ingots aus multikristallinem Silizium

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: C30B0011020000

Ipc: C30B0011140000

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: HANWHA Q.CELLS GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: Q-CELLS SE, 06766 WOLFEN, DE

Effective date: 20130226

R020 Patent grant now final

Effective date: 20130515