DE19621912A1

DE19621912A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungsfreien Erzeugung von plattenförmigen Strukturen aus einer leitfähigen Schmelze eines Materials unter Verwendung einer induktiv erzeugten abstoßenden Wechselwirkung zwischen der Schmelze und einem formgebenden Bauteil

Info

Publication number: DE19621912A1
Application number: DE19621912A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Willeke; Bernd Bitnar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-04

Description

Zur Herstellung von Halbleiterscheiben wird standardmäßig pulver- oder brockenförmi ges Material in einem Tiegel geschmolzen, daraus entweder ein Einkristall gezogen, oder ein polykristalliner Block gegossen. Die zweite Möglichkeit findet wegen geringerer Ko sten in der Photovoltaik-Produktion eine immer größere Verbreitung. Der entstandene Block wird dann in Scheiben zersägt, welche als Substrate bei der Halbleiterdevice-Pro duktion dienen. Dieses Verfahren weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen erfolgt durch den Kontakt mit dem Tiegelmaterial eine mehr oder weniger starke Verunreinigung der Schmelze. Zum anderen entsteht durch das aufwendige und kostenintensive Zersägen eines Kristallblocks in Scheiben ein relativ großer Materialverlust des teuren Halbleiter werkstoffes. Außerdem werden die Substratscheiben durch das Sägen an den Oberflächen beschädigt (Sägeschaden) sowie durch den Kontakt mit den Sägescheiben oder -drähten und dem Kühlmittel verunreinigt.

Um diese Nachteile zu umgehen, werden bisher vorwiegend zwei Strategien verfolgt. Das EMC (Electro Magnetic Casting)-Verfahren [1, 2] nutzt als Tiegel einen gekühlten Metall(meist Kupfer)-Tiegel. Die Heizung der (gut leitfähigen) Schmelze erfolgt durch ein Hochfrequenzfeld, das sowohl im Tiegel als auch in der Schmelze entgegengesetzte Indukti onsströme erzeugt. Dieser Tiegel hat gegenüber dem konventionellen Blockguß-Verfahren folgende Vorteile: Durch den im Vergleich zur Schmelze sehr kalten Tiegel (cold-crucible-technique) zum einen, sowie zum anderen durch die wegen der induzierten Ströme ab stoßenden Kräfte zwischen Schmelze und Tiegel, die einen Kontakt zwischen Schmelze und Tiegel verhindern, kann eine Verunreinigung der Schmelze durch den Tiegel drastisch reduziert werden. Bei der praktischen Realisierung eines multikristallinen Gießprozesses wird der Tiegel ohne Boden ausgeführt. Dann kann durch ständiges Nachfüllen von Ma terial von oben kontinuierlich unten ein Block herausgezogen werden.

Der zweite angesprochene Nachteil der Materialproduktion- das Zersägen der Halblei terblöcke - tritt bei diesem Verfahren aber nach wie vor auf. Zur Vermeidung dieses Säge schritts werden gegenwärtig Verfahren untersucht, die direkt Substratscheiben aus der Schmelze erzeugen. Ein schon versuchsweise angewandtes Verfahren ist das RGS (Ribbon Growth on Substrate)-Verfahren der Firma Bayer [3]. Hierbei wird eine Silizium-Schmelze in einem Gießrahmen auf einer Substratunterlage gehalten und diese Unterlage dann ähn lich einem Raupenband unter dem Gießrahmen, der gleichzeitig als Formgeber für die Oberfläche dient, hindurchgezogen. Der Vorteil des RGS-Verfahrens, direkt Scheiben zu produzieren ohne zusätzlichen Sägeschritt, wird mit dem Nachteil des Einbringens von Verunreinigungen in die Schmelze durch den Gießrahmen sowie die Substratunterlage erkauft.

Dasselbe gilt beispielsweise auch für den invertierten Stepanov-Prozeß [4], bei dem der Tiegel an der Unterseite einen dünnen Schlitz mit Graphitkanten als Formgeber aufweist, durch den die Schmelze läuft bzw. gedrückt wird und anschließend in Scheiben erstarrt. Auch hier ist der Nachteil eine starke Verunreinigung der Schmelze mit Kohlenstoff und anderen Stoffen aus dem Graphit der Formgeber.

Ein weiteres schon industriell angewandtes Verfahren zur direkten Produktion von Halb leiterscheiben ist das EFG (Edge-defined Film-fed Growth)-Verfahren [5]. Beim EFG-Verfahren werden ebenfalls mittels Graphit-Formgebern polygonale Röhren produziert, die dann in die gewünschten Scheiben getrennt werden können. Der Vorteil des EFG-Verfahrens gegenüber den anderen dargestellten liegt im Vorhandensein einer geschlos senen geschmolzenen Zone bei der Produktion von Röhren im Gegensatz zu Scheiben. Hierdurch können Einkristalle recht guter Qualität gewonnen werden. Wie beim Stepanov-Prozeß tritt jedoch auch hier eine Verunreinigung der Schmelze durch den Kontakt mit den Formgebern auf.

Die vorliegende Erfindung verbindet die Vorteile aller angesprochenen Verfahren mit dem Ziel, direkt Scheiben herzustellen ohne Verunreinigungen aus einem Tiegel in die Schmelze gelangen zu lassen. Hierzu wird das Prinzip des kalten Tiegels mit der durch elektromagnetische Induktion erzeugten Abstoßung der Schmelze vom plattenerzeugen den formgebenden Element angewandt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird daher im weiteren auch als EMR (Electro-Magnetic Ribbon)-Verfahren bezeichnet. Der die leitfähi ge Schmelze abstoßende Formgeber (1) ermöglicht die Produktion beliebig geformter Substrate - insbesondere dünner Scheiben - beispielsweise für die Halbleiter-Anwendung.

Der Materialdurchsatz durch den EMR-Formgeber (1) kann prinzipiell in weiten Gren zen variiert werden, so daß sich mit demselben Verfahren Material hoher Qualität bei relativ geringem Durchsatz und Material möglicherweise minderer Qualität bei sehr ho hem Durchsatz produzieren läßt.

Aufgrund der fehlenden Kontaktwechselwirkung mit formgebenden Bauteilen wird von diesem Verfahren erwartet, daß unterkühlte Schmelzen hergestellt werden können und ein spontanes regelloses Keimen an Verunreinigungen vermieden werden kann, so daß sich ein gutes Kristallwachstum mit relativ großen Kristallitgrößen einstellen sollte, bei kleinem Materialdurchsatz sollte unter Umständen die Herstellung von hochwertigem einkristal linem Material möglich sein. Die Erfindung läßt sich außer für Halbleiter (die ja im ge schmolzenen Zustand metallisch sind) für alle Schmelzen mit guter elektrischer Leitfähig keit anwenden. Bei der Metallherstellung können einfach gestreckte oder gekrümmte For men produziert werden mit dem Vorteil sehr hoher Reinheit der Schmelzen und der daraus entstehenden Strukturen. Auch geschlossene Körper wie z. B. Röhren oder Polygone lassen sich einfach und hochrein herstellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen, die teilweise in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a EMR-Tiegel zur Herstellung von dünnen Scheiben mittels einer durch induktive Abstoßungskräfte gehaltenen quasifrei schwebenden geschmolzenen Zone.

Fig. 1b Schnitt durch den EMR-Tiegel von Fig. 1a.

Fig. 2 EMR-Formgeber zur einseitigen Formgebung der Oberfläche einer Scheibe.

Fig. 3a Vertikaler Aufbau eines kalten Schmelztiegels für Siliziumplatten.

Fig. 3b Seitenansicht des Tiegels von Fig. 3a.

Fig. 4a Horizontaler Aufbau. Die Siliziumplatten gleiten auf einem magnetischen Kissen seitlich aus dem Tiegel heraus.

Fig. 4b Vereinfachter Aufbau in Anlehnung an das RGS-Verfahren. Die Schmelze fließt auf ein herkömmliches Substrat. Gießrahmen und Formgeber kommen mit der Schmelze nicht in Kontakt.

Fig. 5a Tiegel mit Kern zur Herstellung von polygonalen Röhren.

Fig. 5b Schnittzeichnung des Tiegels von Fig. 5a.

Beispiel 1 Erfindungsgemäße Vorrichtung und Verfahren zur kontaktlosen Herstellung von dünnen Strukturen

Fig. 1a und 1b zeigen das Prinzip eines EMR-Formgebers. Ausgangsmaterial (6) wird von einer Seite in den Formgeber (1) eingebracht. Dieses kann flüssig oder fest sein. Die Vor schubgeschwindigkeit bestimmt dabei den Materialdurchsatz. Über HF-Spulen (4) wird das Material aufgeschmolzen. Die geschmolzene Zone wird dabei durch entgegengesetzte Ringströme im Formgeber und der Schmelze von diesem abgestoßen, dadurch fixiert und in der gewünschten Form gehalten. Der Formgeber wird gekühlt und ist mit Schlitzen versehen, um das HF-Feld nicht zu stark abzuschwächen. Die geschmolzene Zone dient zur Formung dünner Scheiben (3) (eine Dimension viel kleiner als die anderen beiden) und kann gleichzeitig zur Zonenreinigung des Materials genutzt werden. Dadurch, daß die geschmolzene Zone durch Abstoßungskräfte quasifrei schwebt und nicht mit dem Formge ber in Kontakt gerät, können Scheiben höherer Reinheit produziert werden, als dies mit herkömmlichen Verfahren möglich ist. Durch die Möglichkeit, die Vorschubgeschwindig keit in weiten Grenzen variieren zu können, kann der Materialdurchsatz prinzipiell sehr groß gemacht werden.

Beispiel 2 Einseitige Formgebung einer dünnen Struktur durch einen berührungsfreien Formgeber

Soll nur die Oberfläche einer Seite einer Materialscheibe geformt werden, kann die Auf heizung auch einseitig erfolgen. Eine solche Anordnung eines einseitigen EMR-Formgebers ist in Fig. 2 gezeigt. Das Material liegt auf einem herkömmlichen Substrat (5) auf und wird mit diesem unter dem Formgeber (1) hindurchgeschoben. Durch eine HF-Spule (4) über dem Formgeber wird das Material einseitig aufgeheizt und die Oberfläche aufgeschmol zen. Der Formgeber ist mit geeigneten Schlitzen versehen, um das HF-Feld nicht zu stark abzuschwächen. Durch entgegengesetzte Ströme in Formgeber und Schmelze wird diese vom Formgeber induktiv abgestoßen. Die Oberfläche des Materials erhält dadurch ihre gewünschte Form - z. B. plan oder texturiert - ohne daß diese mit dem Formgeber in Kon takt gerät. Diese Art der Formgebung der Oberfläche schließt also eine Kontamination derselben durch den Formgeber aus.

Beispiel 3 Kombination des sogenannten EMC (Electro-Magnetic Casting)-Verfahrens mit dem berührungslosen Erzeugen dünner Strukturen

Fig. 3a und 3b zeigen als Beispiel einen Tiegel zur direkten Herstellung von Halbleiter scheiben. Der Tiegel verjüngt sich in einer Dimension nach unten (1), so daß die Schmelze (2) beim Austreten aus dem Tiegel in dünnen Scheiben erstarrt. Die Heizung der Schmelze erfolgt durch eine HF-Spule (4). Um die Abschwächung des HF-Feldes durch den Tiegel klein zu halten, ist der Tiegel mit Schlitzen (7) versehen, die die Ausbildung weitreichen der Wirbelströme verhindern. Das HF-Feld induziert in der Schmelze entgegengesetzte Wirbelströme wie im Tiegel, die die Schmelze vom Tiegel abstoßen und eine Verunrei nigung durch Tiegelmaterial verhindern. Die Abstoßung der Schmelze vom Tiegel durch induzierte Ströme erfolgt dabei im oberen (9) wie auch im unteren formgebenden Teil des Tiegels (1).

Durch ständiges Nachfüllen von Material (6) kann ein kontinuierlicher Durchsatz erzielt werden. Im oberen, relativ großvolumigen Schmelzbereich wird dieses aufgeschmolzen und im unteren Teil des verjüngten Tiegels erhält das Material seine gewünschte Form. Nach dem Abkühlen und Erstarren des Materials sorgt ein Transportsystem für einen kontinu ierlichen Prozeßfluß. Die Ziehgeschwindigkeit wird durch die Geschwindigkeit der erstarr ten Platte bestimmt. Schließlich können beispielsweise mittels Laserschneidens Platten der gewünschten Länge aus der möglichen Endlosplatte geschnitten werden.

Das Gewicht der Schmelze wird beim erfindungsgemäßen Verfahren von den induzierten abstoßenden Kräften im verjüngten Teil des Tiegels getragen - wie auf einem magnetischen Kissen. Zu Beginn des Schmelzprozesses kann ein Keimkristall der gewünschten Form von unten in den Tiegel eingeschoben werden. Durch diesen wird eine geordnete Kristallisation aus der Schmelze ermöglicht sowie das Austreten des Materials bei Prozeßbeginn aus dem Tiegel gesteuert.

Die HF-Spule kann den unteren formgebenden Teil des Tiegels wie in Fig. 3b gezeigt umgeben. An den vier Außenseiten des Tiegels sind Ringspulen (4) angeordnet, die un abhängig von der Heizspule des oberen Teils des Tiegels betrieben werden können. Dies hat einerseits den Vorteil, daß die in der Schmelze induzierten Ströme in der Substratebe ne fließen, andererseits ergibt sich die Möglichkeit, die HF-Heizleistung unabhängig von der Heizleistung im oberen Teil des Tiegels zu regeln. Dies hat den Vorteil, daß sich der Erstarrungspunkt der Schmelze kontrollieren läßt.

Beispiel 4 Horizontale Herstellung dünner Strukturen, insbesondere durch Kombination mit dem sogenannten RGS (Ribbon-Growth on Substrate)-Verfahren

Fig. 4a zeigt einen horizontalen Aufbau des EMR-Tiegels. Hierdurch ergeben sich mögli cherweise eine Reihe praktischer Vorteile bei der Auslegung einer solchen Anlage, da der Abkühlbereich entsprechend einfach relativ groß dimensioniert werden kann, was bei einem angestrebten hohen Materialdurchsatz prinzipiell eine kleine Abkühlrate und da mit wenig Kristalldefekte im Material möglich macht. Die Heizung der Schmelze (2) er folgt durch eine HF-Spule (4), die Formgebung sowie Heizung der geformten Teile durch Ringspulen (4). Diese Spulenanordnung induziert Ringströme in Tiegel und Schmelze parallel zur Substratebene, welche die Schmelze auf einem magnetischen Kissen - ähnlich dem Prinzip der Magnetschwebebahn - schweben lassen. Durch Regelung der Heizleistung in den unabhängig voneinander betriebenen Ringspulen kann der Erstarrungspunkt der Schmelze leicht beeinflußt werden.

Im Vergleich zum RGS-Verfahren [3] ermöglicht die beschriebene Anordnung die Ver wendung eines Tiegels, der gleichzeitig als Gießrahmen, Formgeber und Substratunterlage dient. Durch die elektromagnetische Abstoßung zwischen Schmelze und Tiegel im HF-Feld der Heizspulen kommt die Schmelze nicht mit dem Tiegel in Berührung. Somit kann eine bessere Materialqualität erzielt werden, als dies mit herkömmlichen Verfahren möglich ist.

Denkbar ist auch eine Kombination der RGS-Methode und der erfindungsgemäßen "cold crucible"-Formgebung zur direkten Plattenherstellung. In dieser in Fig. 4b gezeigten Va riante wird die Schmelze in einem induktiv geheizten "cold crucible" gehalten und kon ventionell durch Benetzung eines Substrats (5) horizontal aus demselben entfernt. Die in Transportrichtung liegende Austrittsöffnung ist ebenfalls nach dem "cold crucible"-Prinzip ausgebildet, sinnvollerweise durch parallel zur Transportrichtung angeordnete formgeben de Ringspulen (4). In diesem Fall wird die Ziehgeschwindigkeit durch die Transportge schwindigkeit des Substrats und die Formgebung der erstarrenden Platten durch abstoßen de induktive Kräfte, zumindest von einer Seite, festgelegt. Von diesem Verfahren wird eine deutliche Verbesserung der Qualität der Oberflächenbeschaffenheit der dem Gießrahmen zugewandten Seite der Platten aber auch eine Verringerung der Verunreinigungskonzen tration im so hergestellten Material erwartet.

Beispiel 5 Berührungsfreie Herstellung dünner geschlossener Strukturen, in Anlehnung an das sogenannte EFG (Edge defined Film fed Growth)-Verfahren

Fig. 5a und 5b zeigen die Anwendung der Erfindung auf eine Verbesserung des EFG-Prozesses. Es können geschlossene Körper - z. B. polygonale, kreisförmige oder elliptische Röhren - produziert werden, die in Scheiben getrennt werden können. Bei Ausnutzung der induzierten Abstoßung zwischen Tiegel und Schmelze kommt die Schmelze nicht mit dem Tiegel in Kontakt, es können reinere Kristalle gezogen werden als dies mit dem konventionellen EFG-Verfahren möglich ist.

Im Vergleich zu den oben dargestellten Beispielen können durch das Auftreten einer ge schlossenen geschmolzenen Zone bei diesem Verfahren prinzipiell Einkristalle hoher Qua lität produziert werden, die im Vergleich zum EFG-Prozeß keine Verunreinigungen durch den Kontakt mit Formgebern aufweisen. Der Schnitt in Fig. 5b zeigt einen EMR-Tiegel (1) mit einem Kern (8). Dieser ist so angepaßt, daß ein achteckiger Spalt zwischen äuße rem und innerem Teil des Tiegels entsteht. In diesem Zwischenraum erstarrt die Schmelze (2) zu einem oktogonalen Rohr dünner Wandstärke. Beim in Fig. 5a und 5b dargestellten Aufbau ist nur eine HF-Spule (4) nötig, um die gewünschte elektrisch induzierte Abstoßung der Schmelze vom Tiegel zu erreichen. Durch Anbringen einer weiteren inneren HF-Spule im Kern sind noch weitere Substratgeometrien denkbar. So könnte der innere Tiegel statt von unten an einem Halter befestigt zu sein, auch durch Streben mit dem äußeren Tiegel verbunden werden. Statt eines Substrat-Polygons, das zu Platten getrennt werden muß, könnte dann die Schmelze durch Formgebung solcher Stege an den Ecken des Polygons direkt in langen Platten erstarren. Hierdurch entfällt allerdings der Vorteil einer geschlos senen Schmelze, welcher zu einem in der Regel besseren Kristallwachstum führt.

Bezugszeichenliste

1 EMR-Formgeber
2 geschmolzene Zone
3 erstarrtes Material
4 HF-Spulen
5 Konventionelles Substrat
6 Ausgangsmaterial
7 Schlitze des Tiegels
8 Tiegelkern
9 herkömmlicher EMC-Tiegel

Literatur

[1] CISZEK, T. F. US-Patent 4.572.812 (1986).

[2] KANEKO, K., MJSAWA, T. UND K. TABATA. Proc. IEEE 1990. S. 674.

[3] LANGE, H. UND I. A. SCHWIRTLICH. J. of Crystal Growth 104, 108 (1990).

[4] BÖER, K. W. Survey of Semiconductor Physics Vol. II. S. 931. New York: Van Nostrand, 1992.

[5] Wald, F. V . . Solar Energy Mat. 23, 175 (1991).

Claims

1. Verfahren zur Herstellung dünner Strukturen eines Materials, d. h. solchen, die in einer Dimension viel kleiner sind als in den anderen beiden Dimensionen, dadurch gekenn zeichnet, daß eine elektrisch leitfähige geschmolzene Zone (2) aus gesagtem Material ver wendet wird, die durch induktiv erzeugte Abstoßungskräfte zwischen gesagter geschmol zener Zone und einem Formgeber (1) in ihrer Größe und Position fixiert ist dergestalt, daß gesagte geschmolzene Zone nicht mit gesagtem Formgeber in Berührung ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterplatten oder -bänder mittels induktiv erzeugter Abstoßungskräfte zwischen einer geschmolzenen Zone (2) aus dem verwendeten Halbleitermaterial und einem Formgeber (1) berührungsfrei in der gewünschten Form hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebung mindestens einer Seite einer dünnen Struktur aus einem im geschmolzenen Zustand elektrisch leitfähi gen Material durch induktiv erzeugte Abstoßungskräfte zwischen gesagter geschmolzener Zone (2) und einem Formgeber (1) berührungsfrei erfolgt.

4. Dünne Struktur, d. h. eine solche, die in einer Dimension wesentlich kleiner ist als in den anderen beiden Dimensionen, eines in geschmolzenem Zustand elektrisch leitfähigen Materials dadurch gekennzeichnet, daß sie nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1-3 her gestellt ist, wobei induktiv erzeugte Abstoßungskräfte zwischen einer geschmolzenen Zone (2) aus gesagtem Material und einem Formgeber (1) zu einer berührungsfreien Formge bung gesagter dünner Struktur führen.

5. Vorrichtung zur Herstellung dünner Strukturen, d. h. solchen, die in einer Dimension wesentlich kleiner sind als in den anderen beiden Dimensionen, eines in geschmolzenem Zustand elektrisch leitfähigen Materials nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1-3, wobei induktiv erzeugte Abstoßungskräfte zwischen einer geschmolzenen Zone (2) aus gesagtem Material und einem Formgeber (1) zu einer berührungsfreien Formgebung gesagter dünner Struktur führen.

6. Verfahren zur Herstellung dünner Strukturen eines Materials nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial (6) durch eine Kombination des erfin dungsgemäßen Verfahrens mit einem konventionellen Blockguß- oder Stranggußverfahren, insbesondere dem sogenannten EMC-Verfahren, hergestellt wird.

7. Vorrichtung zur Herstellung dünner Strukturen eines Materials nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial (6) durch eine Kombination des erfin dungsgemäßen Verfahrens mit einem konventionellen Blockguß- oder Stranggußverfahren, insbesondere dem sogenannten EMC-Verfahren, hergestellt wird.

8. Verfahren zur Formgebung dünner Strukturen nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine flache oder texturierte Oberfläche hergestellt wird, ohne daß diese mit dem formgebenden Element (1) in Berührung kommt.

9. Vorrichtung zur Formgebung dünner Strukturen nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß mindestens eine flache oder texturierte Oberfläche hergestellt wird, ohne daß diese mit dem formgebenden Element (1) in Berührung kommt.

10. Verfahren zur Formgebung dünner Strukturen nach Anspruch 1-3, dadurch gekenn zeichnet, daß durch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit konventio nellen Verfahren zur Herstellung dünner Strukturen aus der Schmelze, insbesondere dem RGS-Verfahren, mindestens eine Seite der dünnen Struktur berührungsfrei mit einem Formgeber (1) hergestellt wird.

11. Vorrichtung zur Formgebung dünner Strukturen nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß durch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit konventio nellen Verfahren zur Herstellung dünner Strukturen aus der Schmelze, insbesondere dem RGS-Verfahren, mindestens eine Seite der dünnen Struktur berührungsfrei mit einem Formgeber (1) hergestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß geschlossene dünne Struk turen, insbesondere Röhren mit rundem oder polygonalem Querschnitt, berührungsfrei mit einem Formgeber (1) hergestellt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß geschlossene dünne Strukturen, insbesondere Röhren mit rundem oder polygonalem Querschnitt, berührungs frei mit einem Formgeber (1) hergestellt werden.