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DE2645374A1 - Polycrystalline doped silicon prodn. for semiconductors - e.g. solar cells, includes tempering to reduce grain boundaries - Google Patents

Polycrystalline doped silicon prodn. for semiconductors - e.g. solar cells, includes tempering to reduce grain boundaries

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DE2645374A1
DE2645374A1 DE19762645374 DE2645374A DE2645374A1 DE 2645374 A1 DE2645374 A1 DE 2645374A1 DE 19762645374 DE19762645374 DE 19762645374 DE 2645374 A DE2645374 A DE 2645374A DE 2645374 A1 DE2645374 A1 DE 2645374A1
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DE
Germany
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doping
polycrystalline silicon
silicon
solar cells
temperature treatment
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DE19762645374
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Wolfgang Dipl Chem Dr R Dietze
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Siemens Corp
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Siemens Corp
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Abstract

Method involves producing a doped polycrystalline Si body, then treating this at >1200 degrees C to reduce its particle size, the duration of heat treatment depending on the doping level and the desired degree of recrystallisation. The Si is pref. doped with is not 1015atoms/cm3 B or P. Heat treatment is carried out in an atmos. contg. hydrogen or inert gas for is not 1 hr. Grain boundaries are reduced to such an extent that the polycrystalline Si can be made into cheap semiconductor elements.

Description

Verfahren zum Herstellen von für Halbleiterbauelemente verwend-Process for the manufacture of semiconductor components used

barem polskristallinem Silicium.polar crystalline silicon.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von für Halbleiterbauelemente wie z. B. Solarzellen verwendbarem polykristallinem Silicium.The present patent application relates to a method of manufacturing of for semiconductor components such. B. Solar cells usable polycrystalline Silicon.

Zur Herstellung von aus Silicium bestehenden Halbleiterbauelementen wie Solarzellen läßt sich ein Siliciummaterial verwenden, an welches in Bezug auf seine Kristallqualität und Reinheit keine so großen Anforderungen gestellt werden müssen wie bei der Verwendung für integrierte Schaltkreise. Da diese Bauelemente im Vergleich zu den integrierten Schaltkreisen sehr billig sein müssen, soll auch die Herstellung der Siliciumkörper, welche als Ausgangsmaterial verwendet werden, möglichst einfach und billig sein.For the production of semiconductor components made of silicon like solar cells, a silicon material can be used to which, in relation to its crystal quality and purity are not so demanding must as when using for integrated circuits. Because these components Must be very cheap compared to the integrated circuits should also the production of the silicon bodies, which are used as starting material, be as simple and cheap as possible.

Wegen seiner im Kristallinnern auftretenden zahlreichen Korngrenzen (das sind Grenzlinien, die die einzelnen Kristallbereiche im Polykristall voneinander trennen und die besonders empfänglich für das Anlagern von Verunreinigungen sind) ist aber das polykristalline Silicium für den Einsatz für elektronische Bauelemente und auch für Solarzellen nicht oder nur bedingt anwendbar.Because of its numerous grain boundaries occurring in the crystal interior (These are boundary lines that separate the individual crystal areas in the polycrystalline from one another and which are particularly susceptible to the accumulation of impurities) but polycrystalline silicon is used for electronic components and also not or only conditionally applicable for solar cells.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die vorhandenen Korngrenzen so weit zu mindern, daß die Weiterverarbeitung des polykristallinen Siliciums zu billigen Halbleiterbauelementen wie z. B.The object of the invention is therefore the existing grain boundaries so to reduce far that the further processing of the polycrystalline silicon to cheap Semiconductor components such. B.

Solarzellen ermöglicht werden kann.Solar cells can be made possible.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß zunächst ein dotierter polykristalliner Siliciumkörper hergestellt wird, der zur Verminderung seiner Korngrenzen anschließend einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen größer 12000C unterzogen wird, wobei die Dauer der Temperaturbehandlung in Abhängigkeit von der Höhe der Dotierung und dem gewünschten Rekristallisationsgrad eingestellt wird.This object is achieved by the method according to the invention in that that first a doped polycrystalline silicon body is produced, which to reduce its grain boundaries, then undergo a temperature treatment Temperatures greater than 12000C is subjected, the duration of the temperature treatment depending on the level of doping and the desired degree of recrystallization is set.

Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß der Dotierprozeß so durchgeführt wird, daß im polykristallinen Silicium eine Dotierung von mindestens 1015 Atomen/cm) entsteht. Durch die eingebauten Dotierstoffatome wird der Kristallumlagerungsprozeß wesentlich begünstigt; an undotiertem polykristallinem Silicium konnte dieser Effekt nur schwach beobachtet werden.It is within the scope of the invention that the doping process is carried out in this way is that in polycrystalline silicon a doping of at least 1015 atoms / cm) arises. The crystal rearrangement process is triggered by the built-in dopant atoms substantially favored; on undoped polycrystalline silicon this effect could can only be observed weakly.

Als dotierende Stoffe werden wegen ihrer leichten Handhabung die Elemente Bor und auch Phosphor verwendet.The elements are used as doping substances because of their easy handling Boron and also phosphorus are used.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung erfolgt die Dotierung bei der Herstellung des polykristallinen Siliciums durch thermische Zersetzung und Abscheidung des Materials aus der Gasphase auf erhitzte Trägerkörper. Dabei können diese Trägerkörper aus Graphit- bzw. Keramikplatten oder aber auch aus den entsprechenden Bändern und natürlich auch aus Silicium selbst bestehen.According to an embodiment according to the teaching of the invention the doping in the production of polycrystalline silicon by thermal Decomposition and deposition of the material from the gas phase on heated support bodies. This support body can be made of graphite or ceramic plates or else consist of the corresponding strips and of course also of silicon itself.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird die Dotierung durch gleichzeitiges Aufdampfen von Silicium und Dotierstoff auf geeignete Trägerkörper durchgeführt, wobei die Trägerkörper gegebenenfalls nach dem Aufdampfprozeß auf chemischem oder mechanischem Wege wieder entfernt werden können.According to another embodiment according to the teaching of the invention the doping is done by simultaneous vapor deposition of silicon and dopant carried out on suitable carrier bodies, the carrier body optionally after the evaporation process can be removed again chemically or mechanically can.

Es ist aber auch möglich, den dotierten polykristallinen Siliciumkörper durch Gießen von schmelzflüssigem, mit Dotierstoff versetztem Silicium herzustellen. ß Die Temperaturbehandlung wird wegen der geforderten Reinheit in einer Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre oder in Inertgas durchgeführt, kann aber auch bei in Kauf nehmen einer geringen Oxidationsschicht auf dem Silicium an Luft durchgeführt werden.But it is also possible to use the doped polycrystalline silicon body by casting molten doped silicon. ß The temperature treatment is because of the required purity in carried out in a hydrogen-containing atmosphere or in inert gas, but can even if there is a slight oxidation layer on the silicon in air be performed.

Eine brauchbare Verminderung der Korngrenzen tritt bereits ein, wenn gemäß der Lehre der Erfindung die Dauer der Temperaturbehandlung auf eine Stunde eingestellt wird.A useful reduction in grain boundaries occurs when according to the teaching of the invention, the duration of the temperature treatment to one hour is set.

Eine gute Rekristallisation wird gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung erhalten, wenn bei einer Dotierung von etwa 1017 Atome Dotierung/cm3 Silicium eine Temperzeit von 50 Stunden bei einer Temperatur von 130000 eingestellt wird. Dabei wird eine Reduzierung der Zahl der Kristallite auf ca. 1/10 ihres ursprünglichen Wertes erreicht.A good recrystallization is achieved according to a particularly favorable embodiment obtained according to the teaching of the invention when with a doping of about 1017 atoms Doping / cm3 silicon an annealing time of 50 hours at a temperature of 130,000 is set. The number of crystallites is reduced to about 1/10 reached their original value.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist besonders gut geeignet für die Herstellung von Solarzellen aus polykristallinem Silicium, die z. Zt. noch wegen ihrer Kornstruktur nur ungenügende Energieausbeuten liefern. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein dotiertes polykristallines Silicium mit einem Gehalt an Kristalliten von kleiner als 10.000/cm3 hergestellt werden; bei entsprechend dünnen Siliciumschichten können sogar Werte von kleiner als 1000/cm2 erzielt werden. Dadurch können die durch das Tiegelziehverfahren oder Zonenschmelzverfahren zur Uberführung in den einkristallinen Zustand erforderlichen sehr aufwendigen Arbeitsgänge und die durch das Zerteilen der Stäbe in Scheiben bedingten Materialverluste weitestgehend umgangen bzw. vermieden werden.The method according to the teaching of the invention is particularly well suited for the production of solar cells made of polycrystalline silicon, which z. Currently still due to their grain structure only deliver inadequate energy yields. By the invention Method can be a doped polycrystalline silicon with a content of crystallites produced from less than 10,000 / cm3; with correspondingly thin silicon layers even values of less than 1000 / cm2 can be achieved. This allows the the crucible pulling process or zone melting process for conversion to the monocrystalline State required very complex work processes and those caused by the cutting The material losses caused by the rods in slices are largely avoided or avoided will.

12 Patentansprüche12 claims

Claims (12)

Patentansprüche 1.) Verfahren zum Herstellen von für Halbleiterbauelemente wie z. B. Solarzellen verwendbarem polykristallinem Silicium, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zunächst ein dotierter polykristalliner Siliciumkörper hergestellt wird, der zur Verminderung seiner Korngrenzen anschließend einer Temperaturbehandlung bei Temperaturen größer 120000 unterzogen wird, wobei die Dauer der Temperaturbehandlung in Abhängigkeit von der Höhe der Dotierung und dem gewünschten Rekristallisationsgrad eingestellt wird.Claims 1.) Method for producing for semiconductor components such as B. solar cells usable polycrystalline silicon, d a d u r c h g e it is not indicated that initially a doped polycrystalline silicon body which is then subjected to a temperature treatment to reduce its grain boundaries is subjected to temperatures greater than 120,000, the duration of the temperature treatment depending on the level of doping and the desired degree of recrystallization is set. 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 der Dotierprozeß so durchgeführt wird, daß im polykristallinen Silicium eine Dotierung von mindestens 1015 Ätome/cm3 entsteht.2.) The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the doping process is carried out so that in the polycrystalline silicon a doping of at least 1015 atoms / cm3 arises. 3.) Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als dotierende Stoffe Bor oder Phosphor verwendet werden.3.) The method according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n -z E i c h e t that boron or phosphorus are used as doping substances. 4.) Verfahren nach Anspruch 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 die Dotierung bei der Herstellung des polykristallinen Siliciums durch thermische Zersetzung und Abscheidung des Materials aus der Gasphase auf erhitzte Trägerkörper durchgeführt wird.4.) The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n -z E i c h n e t that the doping in the production of the polycrystalline silicon heated by thermal decomposition and deposition of the material from the gas phase Carrier body is carried out. 5.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß als Trägerkörper Graphitplatten oder -bänder verwendet werden.5.) The method according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c It should be noted that graphite plates or strips are used as the support body. 6.) Verfahren nach Anspruch 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 die Dotierung durch gleichzeitiges Aufdampfen von Silicium und Dotierstoff auf geeignete Trägerkörper, die gegebenenfalls nach dem Aufdampfprozeß wieder entfernt werden, erfolgt.6.) The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the doping by simultaneous vapor deposition of silicon and Dopant on suitable carrier bodies, optionally after the vapor deposition process are removed again, takes place. 7.) Verfahren nach Anspruch 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 der dotierte polykristalline Siliciumkörper durch Gießen von schmelzflüssigem, mit Dotierstoff versetztem Silicium hergestellt wird.7.) The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the doped polycrystalline silicon body by casting molten, doped silicon is produced. 8.) Verfahren nach Anspruch 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 Temperaturbehandlung in einer Wasserstoff enthaltenden oder Inertgas-Atmosphäre durchgeführt wird.8.) The method according to claim 1 to 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the temperature treatment in a hydrogen-containing or Inert gas atmosphere is carried out. 9.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Dauer der Temperaturbehandlung auf mindestens eine Stunde eingestellt wird.9.) The method according to claim 1 to 8, d a d u r c h g e k e n n -z E i c h n e t that the duration of the temperature treatment to at least one hour is set. 10.)Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Reduzierung der Zahl der Kristallite auf ca. 1/10 ihres ursprünglichen Wertes bei einer Dotierung von etwa 1017 Atome Dotierung/cm3 Silicium eine Temperzeit von 50 Stunden bei einer Temperatur von 13000C eingestellt wird.10.) The method according to claim 1 to 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that to reduce the number of crystallites to about 1/10 of theirs original value with a doping of about 1017 doping atoms / cm3 silicon a tempering time of 50 hours at a temperature of 13000C is set. 11.)Dotiertes polykristallines Silicium mit einem Gehalt an Kristalliten von kleiner als 10.000/cm3, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 10.11.) Doped polycrystalline silicon with a content of crystallites of less than 10,000 / cm3, produced by a process according to claims 1 to 10. 12.)Dotiertes polykristallines Silicium zur Weiterverarbeitung für Solarzellen in einer Schichtdicke < 1 mm mit einem Gehalt an Kristalliten von kleiner als 1000/cm2, hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 10.12.) Doped polycrystalline silicon for further processing for Solar cells with a layer thickness of <1 mm with a crystallite content of less than 1000 / cm2, produced by a method according to claims 1 to 10.
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