DE2700994A1

DE2700994A1 - Vorrichtung und verfahren zum ziehen von kristallinen siliciumkoerpern

Info

Publication number: DE2700994A1
Application number: DE19772700994
Authority: DE
Inventors: Theodore Frank Ciszek; Guenter Herbert Schwuttke
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-04-16
Filing date: 1977-01-12
Publication date: 1977-10-27
Also published as: DE2700994C2; FR2347974A1; FR2347974B1

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: FI 976 020

Vorrichtung und Verfahren zum Ziehen von kristallinen Siliciumkörpern

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von langgestreckten, kristallinen Siliciumkörpern aus der Schmelze in einer Inertgasatmosphäre mit einem Siehstück, das in die in einem Tiegel befindliche Schmelze eintaucht und bei festgelegten Temperaturen unter Ausnutzung der Kapillarwirkung durch in seinem Innern vorhandene Kanäle kontinuierlich Schmelze auf seine obere Oberfläche zu befördern vermag, so daß dort ständig eine dünne geschmolzene Zone des Schmelzenmaterials vorhanden ist, und mit einer mit einem Keimkristall versehenen Ziehvorrichtung, mittels welcher die SiIiciumkörper sich aus der geschmolzenen Zone heraus ziehen lassen, und ein Verfahren zum Herstellen von langgestreckten, kristallinen Siliciumkörpern mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Zum Züchten von einkristallinem Silicium werden üblicherweise die Czochralski- oder Zonenschmelzverfahren angewandt, welche zylindrische Einkristalle erzeugen. Bandförmiges Silicium ist mittels verschiedener Techniken erzeugt worden. Das dendritische Gespinst-Züchtungsverfahren hat die Verfestigung einer Siliciumplatte aus einer Schmelzkuppe (melt meniscus) zur Folge, welche an den Enden durch dünne Dendrite, welche abwärts in einen stark gekühlten Schmelzenbereich (super-cooled melt region) wachsen und am oberen Ende durch eine Grenzschicht zwischen dem Band und der Schmelze begrenzt sind. Diese dendritische Gespinst-Technik ist ausführlicher in den Publikationen von S. N. Dermatris u. a. in IEEE Trans. Coiomun. and Electronics, Band 82, Seite 94 (1963) und

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von D. L. Barrett u. a. in J. Elec. Chem. Soc, Band 118, Seite 952 (1971) beschrieben. Die Stepanov-Methode benützt ein nicht benetzbares Ziehstück, welches sich im Kontakt mit der Schmelze befindet, um dem Meniskus (meniscus) die richtige Form für das Bandwachstum zu geben. Dieses Verfahren wurde ausführlich beschrieben von A. V. Stepanov in Zh, Tekh, Fiz. Band 29, Seite 381 (1959) und von J. Boatman u. a. in Elec. Chem. Tech., Band 5, Seite 98 (1967).

Neuer ist die Erfindung einer Technik zum Züchten von Kristallen mit komplex geformten Querschnitten, bei der die Kapillarwirkung zur Formgebung ausgenutzt wird. Diese Technik wurde zunächst beim Züchten von Saphirkristallen angewandt und wurde kantendefiniertes filmzugeführtes Wachsen (Edge-defined, Film-fed Growth (EFG)) genannt. Dieses Verfahren ist seitdem auf viele andere Materialien einschließlich Silicium angewandt worden. Bei der EFG-Technik wird der Kristall aus einer dünnen geschmolzenen Zone, welche sich auf der oberen Oberfläche eines Ziehstücks, das mit der Kapillarwirkung arbeitet, befindet, gezogen. Wenn der Kristall wächst, wird frische Flüssigkeit aus dem Schmelzenreservoir in dem Tiegel durch Kanäle in dem Ziehstück mittels Kapillarwirkung nachgeliefert. Die äußeren Kanten oder Enden des Oberteils des Ziehstücks begrenzen den unteren Bereich des Meniskus, von dem aus der Kristall wächst, und bestimmen infolgedessen seine Form. Zwar sind zahllose Formen gewachsen worden, die meisten Arbeiten konzentrieren sich jedoch auf Bänder, Stäbe und Röhren, wobei der Schwerpunkt eindeutig auf Bändern liegt. Das Verfahren ist ausführlicher in den Publikationen von H. E. LaBeIIe, Jr. in Materials Research Bulletin, Band 6, Seite 581 (1971), von H. E. LaBeIIe, Jr., T. F. Ciszek in Materials Research Bulletin, Band 7, Seite 731 (1972), T. F. Ciszek u. a. in Physical Stat. Sol., Band 27, Seite 231 (1975) und von J. C. Swartz u. a. in Journal Electron Materials, Band 4, Seite 255 (1975) und im US-Patent 3 591 348 beschrieben.

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Zu den Vorteilen dieser Methode gehören die Eliminierung der Plättchenherstellung nach dem Züchten bzw. irgendeiner anderen Formung, die Möglichkeit kontinuierlich zu wachsen, eine minimale Trennung (segregation) der Lösung und eine hohe lineare Wachstumsgeschwindigkeit. Jedoch hat diese Technik auch Nachteile. Zu diesen gehören die Erfordernis eines Ziehstücks, welches nicht reaktiv, unlöslich, dauerhaft und benetzbar ist, kritische isotherme Kontrollerfordernisse, am oberen Teil des Ziehstücks, eine im allgemeinen schlechte kristalline Struktur (dies trifft für Silicium zu) und eine geringe Materialdurchsatzrate (low material through-put rate).

Während des Wachsens von langgestreckten Siliciumkristallen unter Verwendung von Ziehstücken aus Kohlenstoff, bilden sich kleine Siliciumcarbidkristallite an der Ausmündung des Ziehstücks. Solche Kristallite werden auch schwimmend auf dem Meniskus auf der oberen Oberfläche des Ziehstücks gefunden. Mehr oder weniger häufig verbindet sich solch ein Teilchen mit dem Siliciumkristall und zerstört auf diese Weise die Perfektion des Kristalls. Ähnliche Beobachtungen werden gemacht an der Außenseite eines Ziehstücks aus Kohlenstoff, welcher sich im Kontakt mit dem geschmolzenen Silicium befindet. Kristallite häufen sich an der Ausfluß-Öffnung (orifice) des Ziehstücks aus Kohlenstoff an, welches zum Kristallziehen benutzt wird. Mikrophotographien von solchen kleinen Kristallen, welche mit dem Rastermikroskop aufgenommen worden sind, deuten darauf hin, daß diese Kristalle gleichachsig (equi-axed) sind und hauptsächlich die (111)- und die (100)-Oberflächen zeigen. Die Morphologie dieser Kristalle, ist in Übereinstimmung mit dem Wachstum aus der flüssigen Phase durch Ausfällung. Einige dieser Kristalle werden in Nestform (clusters) gefunden, wobei sie aneinandergebunden sind mit einem sehr begrenzten Bereich, wo ihre Orientierungen identisch sind. Es scheint so, daß diese kleinen Kristalle, welche mittels dieser Technik gezüchtet werden, ein unerwünschtes Nebenprodukt des Ziehens von Siliciumbändern sind.
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Ein Problem beim Wachsen von langgestreckten Siliciumkristallen ist die Zwillingsbildung. Zwillingsbildung bedeutet eine abrupte Rotation um 180° der kristallinen Atomstruktur auf einer {111}-Kristallebene. Dieser Effekt unterbricht das Kristallwachstum von einem Keimkristall aus während der Kristallkernbildungsphase und hat zur Folge/ daß nicht ein einkristalliner langgestreckter Siliciumkörper, sondern ein Körper aus polykristallinem Silicium entsteht.

Die Zwillingsbildung ist ein dominierender Mechanismus während des Kristallwachstums von Siliciumbändern und hat einen großen Einfluß auf die Perfektion des Bandes. Die Kristallkernbildungsfrequenz von Zwillingen ist sehr hoch während der anfänglichen Keimbildungsoperation und ganz wesentlich geringer im späteren Stadium, wenn der Kristall mit unverändertem Querschnitt wächst. Die Kristallkernbildungsereignisse, welche zur Zwillingsbildung führen, können eingeteilt werden in Zwillingsbildung während der Keimbildung und Zwillingsbildung an Oberflächeneinlagerungen (surface inclusions).

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Züchten von langgestreckten, bevorzugt bandförmigen Siliciumkristallen anzugeben, welche sich durch eine glatte Oberfläche, eine geringe Defektdichte und definierte Abmessungen auszeichnen.

Der Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit dem Merkmal des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 14.

Die glatte Oberfläche und die geringe Defektdichte beruht zum Teil darauf, daß durch die Orientierung des Keimkristalls die

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Ansammlung von Kristalliten in der Ausmündung (orifice) des Ziehstücks v/ährend des Wachsens reduziert v/ird. Außerdem wird durch die Erfindung die durch Zwillingsbildung verursachte Unterbrechung des Einkristallwachstums während der Kristallkernbildungsphase überwunden. Wird als ursprüngliche Wachstumsebene eine iiio}-Ebene verwendet, so wiederholt sich, wenn Zwillingsbildung auftritt, die ursprüngliche <110>-Kristallorientierung. Dies erlaubt die Fortsetzung des Kristallwachstums ohne Unterbrechung und ohne die unerwünschte Bildung von polykristallinem Silicium. V/erden Zwillingsebenen erzeugt, so sind diese parallel zu der <11O>-Wachstumsrichtung.

Es ist vorteilhaft, wenn der Keimkristall eine <11O> {211}-Orientierung hat und, wenn bandförmige Siliciuiakörper hergestellt werden sollen außerdem eine (111}-Kantenflache aufweist. {211!-Orientierung bedeutet in diesem Zusammenhang die Orientierung der Hauptebene (major surface) des Keimkristalls. Die genannten Keimkristallorientierungen sind günstig bezüglich der epitaxialen Beziehung zwischen Silicium und Siliciumcarbid.

Das Ergebnis der Züchtung läßt sich bei der Erzeugung bandförmiger kristalliner Siliciumkörper noch verbessern und man erhält außerdem auch ohne Verwendung von Keimkristallorientierungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 bandförmige Siliciumkristallkörper mit günstigen Eigenschaften, wenn das Oberteil des Ziehstücks eine abgestumpfte keilförmige Gestalt hat und seine obere, im wesentlichen die abgestumpfte Schneide umfassende Oberfläche in der Mitte der Schneide am breitesten ist und ihren tiefsten Punkt hat und an den beiden Enden der Schneide am schmälsten ist und ihre höchsten Punkte hat. Das so ausgebildete Ziehstück trägt zu einer glatteren Oberfläche des gezüchteten Kristalls dadurch bei, daß gegenüber den bekannten Vorrichtungen, in denen auch ein mit Kapillarwirkung arbeitendes Ziehstück vorgesehen sind, die Aufnahme von

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Siliciumcarbidteilchen, welche sich unter Mitv/irkung des normalerweise aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid bestehenden Ziehstücks bilden, geringer ist. Dieser, insbesondere in der Nähe des mittleren Bereichs des bandförmigen Kristallkörpers, d. h. in dem von den Seitenkanten am v/ei testen entfernten Bereich, erwünschte Effekt, ergibt sich daraus, daß der Abstand zwischen der festflüssigen Grenzfläche, bei der normalerv/eise ein ebener Verlauf angestrebt wird und der oberen Oberfläche des Ziehstücks im mittleren Teil des wachsenden Kristalls größer ist als an den Seitenkanten. Dadurch, daß der mittlere Bereich der oberen Oberfläche des Ziehstücks breiter ist als die Enden, wird verhindert, daß sich die unterschiedlichen Abstände zwischen Grenzfläche und Ziehstück so auswirken, daß der wachsende Kristall im mittleren Bereich dünner ist als an den Seitenkanten.

Um den Uuerschnitt des wachsenden Kristalls zu steuern, beispielsweise, um einen bandförmigen Kristallkörper einheitlicher Dicke zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Ziehstücks in einer sanften (smooth) Kurve vom tiefsten Punkt zu den höchsten Punkten verläuft oder wenn die Oberfläche in der Umgebung der Schneidenmitte eben ist und erst in der Nähe der Enden ansteigt.

Es ist vorteilhaft, wenn das Ziehstück auf Kohlenstoff und/oder die Oberfläche des Ziehstücks aus Siliciumcarbid besteht.

Zur Sicherstellung des kontinuierlichen Zuflusses von Schmelze durch die Kanäle in dem Ziehstück, zur Herstellung einer homogenen Temperaturverteilung an der flüssigfesten Grenzfläche, zur Beeinflussung der Dicke des wachsenden Kristalles und zur Herstellung eines Temperaturgradienten in dem v/achsenden Kristall oder auch nur zur Ausführung einzelner dieser Aufgaben ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung Mittel zur Temperaturbeeinflussung im Ziehstück und/oder in dessen Umgebung enthält.

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Dabei ist es vorteilhaft, wenn wenigstens einzelne dieser Mittel zur Temperaturbeeinflussung unabhängig voneinander in ihrer Heizleistung regelbar sind. Speziell für die Dickenbeeinflussung ist ein Hitzeschild geeignet, welcher sich von einem Punkt in der Nähe der Oberfläche des Ziehstücks eine Strecke entlang des wachsenden Siliciumkörpers erstreckt. Für die Herstellung eines dünnen bandförmigen Siliciumkörpers einheitlicher Dicke ist es vorteilhaft, wenn dieser Hitzeschild im wesentlichen aus zwei parallelen Platten besteht, zwischen denen der Körper derart wächst, daß nur ein geringer Abstand zwischen den Platten und dem Siliciumkörper vorhanden ist.

Zur Temperaturbeeinflussung kann es auch günstig sein, Mittel zum Anblasen der einzelnen Bereiche der fest-flüssigen Grenzfläche mit unterschiedlichen, kontrollierten Inertgasmengen vorzusehen.

Eine homogene Temperatur längs der fest-flüssigen Grenzfläche und einen kontrollierten Temperaturgradienten entlang dem wachsenden Kristall durch entsprechende Regelung der Mittel zur Temperaturbeeinflussung aufrechtzuerhalten ist günstig, weil dadurch mechanische Spannungen in dem Kristall reduziert werden können. Außerdem hat es sich als günstig erwiesen, die Mittel zur Temperaturbeeinflussung so zu regeln, daß eine im wesentlichen planare fest-flüssige Grenzfläche aufrechterhalten wird.

Beim Arbeiten mit dem oben erwähnten aus zwei parallelen Platten bestehenden Hitzeschild lassen sich in vorteilhafter Weise bandförmige langgestreckte Siliciumkörper mit einer Dicke & 10 um herstellen.

Unerwünschte mit dem Schmelzenmaterial reagierende Gase im Züchtungsbereich lassen sich in vorteilhafter Weise durch Spülen mit einem Inertgasstrom entfernen.

Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.

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Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht - im wesentlichen im Querschnitt - der Kristallziehvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht im Querschnitt der Schmelze, des

Ziehstücks und des Teils der Kristallziehvorrichtung mit den thermischen Modifiziermitteln/

Fign. 3A, 3B Detailzeichnungen einer Form des Ziehstücks und Fig. 3C gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Form einer

Vorrichtung zum Wachsen eines kontinuierlichen Siliciumbandes,

Fig. 5A und 5B eine Zeichnung eines thermischen Modifiziermittels bzw. eines Hitzeschildes, welcher beim Wachsen von dünnen Bändern von kristallinem Silicium nützlich ist,

Fign. 6, 7, 8 schematische Darstellungen des Verfahrens zum und 9 Wachsen langgestreckter Kristalle gemäß der vor

liegenden Erfindung,

Fig. 10 eine 21mal vergrößerte Mikrophotographie einer

Bandoberfläche, so wie sie gewachsen ist unter Anwendung eines Ziehstücks mit konstantem Meniskus gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 11 eine 21fache Vergrößerung einer Mikrophotographie

der Bandoberfläche, so wie sie gewachsen ist unter Anwendung des Ziehstücks mit dem variablen Meniskus gemäß der vorliegenden Erfindung,

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Fign. 12 und 13 Trans;nissions-Rüntgenstrahl-Topographien der

Zwischenschicht zv/i sehen Keimkristall und aufwachsendem Kristall bzw. eines Bereichs 15 cm unterhalb der Zwischenschicht bei einer Keimorientierung gemäß dem Stand der Technik und

Fign. 14 und 15 Transmissions-Röntgenstrahl-Topographien der

Zwischenschicht zwischen Keim- und aufwachsendem Kristall bzw. eines Bereichs 15 cm unterhalb der Zwischenschicht bei einer Keimorientierung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung, um langgestreckte Siliciumkörper gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Zu dem Apparat gehören ein Quarzrohr 10, in v/elchem sich die heiße Zone des Ofens befindet. Die Uärmequelle für diesen Teil des Ofens ist die Induktionsspule 12, welche mit dem Hochfrequenzgenerator 14 verbunden ist. Innerhalb dieser heißen Zone befindet sich ein Isolator 16 und innerhalb des Isolators 16 befindet sich ein leitfähiges Aufnahmegefäß, welches den Tiegel 18, die Unterlage 20 des Aufnahmegefäßes und den Schaftstab 22, auf v/elchem der unterstützte Tiegel befestigt ist, enthält. Innerhalb des Tiegels befindet sich das geschmolzene Silicium 24 und das aus einem mit geschmolzenem Silicium benetzbaren Material bestehende Ziehstück 26. Das Ziehstück kann aus Kohle oder Siliciumcarbid bestehen. Hin (nicht gezeigter) wachsender Kristall wird durch die Mitte des Teils der Vorrichtung oberhalb des Ziehstücks gezogen, wobei er unten ständig nachwächst, und wird durch die Einspannvorrichtung 30 für den Keimkristall gehalten, welche ihrerseits von dem Schaftstab 22 gehalten wird. Gerade oberhalb der heißen Zone des Ofens befindet sich der wassergekühlte Röhrenaufbau 40 zum Spülen. Der Viassermantel wird gekühlt, indem Wasser in den Viassermantel 42 durch die Einlaßröhre 44 hinein und durch die Auslaßröhre 46 wieder hinaus fließt. Ilit diesem VJasserkühlungssystem ist

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auch eine wassergekühlte Struktur 50 zur Dichtung der Lnden verbunden, bei der Wasser durch die Linlaßröhre 54 in den Kühlmantel 52 hinein- und aus diesem durch die Auslaßrühre 56 wieder hinausfließt. Eine ähnliche nicht gezeigte Struktur befindet sich unterhalb des yuarzrohrs 10. Diese Strukturen zum Abdichten der Enden erlauben es, gasdichte Verbindungen zu dem yuarzrohr 10 herzustellen und auch die Enden des Rohrs zu kühlen. Zu dem Absperrventil 60 gehört ein System zum Spülen mit Inertgasen, wofür ein Einlaßrohr 64 und ein Auslaßrohr 66 vorgesehen sind. Der I3alg aus Kunststoff des Systems 68 ist teilweise unterbrochen gezeichnet und hat in Wirklichkeit eine große Länge, um es zu ermöglichen, lange kristalline Körper aus Silicium zu züchten. Am oberen iJnde des Balgs befindet sich ein Einlaßrohr 70 zum Einlassen von Inertgas.

Das geschlossene, gasdichte System, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, bewirkt, daß eine reinere Silicium-Schrnelze an der oberen Oberfläche des Ziehstücks vorhanden ist, v/as dann weiter einen reineren, langgestreckten kristallinen Körper aus Silicium zur Folge hat. Das Spülen mit Inertgas, wie z. E. Argon, hat die Eigenschaften der innerhalb der Vorrichtung gezüchteten Siliciumkörper weiter verbessert. Das Gas spült irgendwelche Siliciumoxide oder Dämpfe von Silciumcarbid weg, welche die Schmelze verunreinigen und die Perfektion der Kristallkörper, welche gezüchtet werden, begrenzen können. Das Spülen wird bewerkstelligt, indem das Vakuumabsperrventil 60 durch eine Bewegung seines Schiebers 6 2 über die Öffnung geschlossen wird, und in dem dann der Bereich unter dem Ventil evakuiert wird. Inertgas, wie z. B. Argon, wird dann durch das Einlaßrohr 64 in dem Absperrventil geleitet. Uenn die untere Kammer mit Argon gefüllt ist, wird ein Argon-Auslaß am Boden der Kammer zu einer llaschflache (bubbler) geöffnet. Gleichzeitig wird der Bereich 68 mit dem Balg eus Kunststoff oberhalb des Absperrventils mit Argon gereinigt, indem Argon durch das Einlaßrohr 70 und das Auslaßrohr 66 fließt. Ursprünglich befindet

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sich der Keimschaftstab 32 in diesem Bereich. Wenn beide Bereiche während einer adequaten Zeit gereinigt worden sind, und das Ziehstück sich auf Wachsturnstemperatur befindet, wird der Argon-Auslaß 66 oberhalb des Absperrventils geschlossen und das Absperrventil 60 wird geöffnet. Argon fließt dann von dem Einlaß 70 am oberen Ende des Balgbereichs und von dem Einlaß 64 am Absperrventil nach unten durch das wassergekühlte Spülrohr 40, welches den kristallinen Körper, welcher gezüchtet werden soll, umgibt. Vom Unterteil dieses Spülrohrs kann das Graphitziehrohr 41 gehalten werden. Die ovale Bohrung in dem Ziehrohr 41 veranlaßt das Spülgas auf dem Verfestigungsbereich am oberen Teil des Ziehstücks aufzuprallen. Das Gas fließt dann aus dem Boden des Ofens durch eine nicht gezeigte Waschflasche hinaus. Nach der Züchtung wird das Band in den Balgbereich 68 hinaufgezogen und das Absperrventil 60, 62 wird geschlossen. Der Balgbereich wird dann geöffnet, um den Siliciumkörper zu entfernen und um für die nächste Züchtung einen neuen Keimkristall einzusetzen.

Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht der heißen Zone der Vorrichtung zur Herstellung von langgestreckten kristallinen Körpern aus Silicium. Die aus Quarz bestehende Ofenaußenhaut 10, ist teilweise durch die Hochfrequenzspule 12, welche zum Heizen mit dem Hochfrequenzgenerator 14 verbunden ist, umgeben. Ein Isolator 16, innerhalb des Ziehrohrs umgibt den Tiegel 18, welcher das geschmolzene Silicium 24 enthält. Der Tiegel 18 steht innerhalb des Aufnahmegefäßes 19, welches seinerseits von der Unterlage 20 getragen ist, welche sich auf dem Schaftstab 22 befindet. Das Ziehstück 26, welches mindestens eine Kapillare enthält, ist so positioniert, daß es teilweise in das geschmolzene Silicium 24 eintaucht, und hat ein im allgemeinen (generally) abgestumpftes keilförmiges Oberteil. Das geschmolzene Silicium benetzt das Ziehstück, bewegt sich in die Kapillare hinein und bewegt sich dann durch Kapillarwirkung bis zur oberen Oberfläche des Ziehstücks 26.

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Das Ziehstück wird durch den Halter 27 gehalten. Drei thermische Modifiziermittel - auch als Mittel zur Temperaturbeeinflussung bezeichnet - sind in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt. Zu den thermischen Modifiziermitteln gehören ein unterer Hitzeschild 28, ein oberer Hitzeschild 29 und der oberste Hitzeschild 34, welcher im wesentlichen oberhalb seiner horizontalen Oberfläche vertikale Ausdehnungen hat, welche sich entlang des Wegs des wachsenden Siliciumkörpers erstrecken. Dieser oberste Hitzeschild wird nur benutzt, wenn es erwünscht ist, einen Siliciumkörper zu erzeugen, welcher eine Dicke in der Größenordnung von 10 um oder dünner hat. Unter anderen Umständen ist es nicht notwendig, diesen obersten Hitzeschild 34 zu benutzen.

Sehr dünne Siliciumkörper, mit z. B. Bänder aus Silicium, sind für einige Anwendungen, wie z. B. photoelektrische (photovoltaic) Silicium-Solarzellen, sehr erwünscht. Wenn eine ökonomische Erzeugung von elektrischer Energie mit solchen Bauteilen ermöglicht werden soll, muß die Siliciummenge, welche in einem solchen Bauteil verwendet wird, klein sein. Deshalb sind dünne Siliciumplatten erwünscht, wenn sie direkt in einer solchen Form erhalten werden können, ohne daß Material durchsägen oder Polieren vergeudet werden muß. Der oberste Hitzeschild 34 erlaubt die Herstellung von dünnen Siliciumplatten bis hinunter zu einer Dicke von weniger als 1 pn im mittleren Bereich der Siliciumbänder. Der Hitzeschild, welcher zwei parallele vertikale Platten sehr nahe an der mittleren Portion des wachsenden Siliciurabandes hat, erlaubt die Kristallisation und das Ziehen solch eines dünnen Bandes. Der Schild besteht typischerweise aus Molybdän. Die Struktur dieses Hitzeschildes 34 ist im Detail in den Fign. 5A und 5B gezeigt.

Wenn es erwünscht ist, Bänder herzustellen, mit einer Breite, welche 1 cm überschreitet, so ist es notwendig, auf die Einheitlichkeit der Temperatur über die Breite des wachsenden

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Kristalls zu achten. Für den Fall, daß Bänder gezüchtet werden sollen, deren Breite 4 cm überschreitet, so sind unterstützende Ileizungs- oder Kühlungstechniken erforderlich, uir. die gewünschte Teraperaturvertexlung senkrecht zur Kristallwachstumsrichtung an der fest-flüssigen Grenzfläche während des Züchtens sicherzustellen. Eine Möglichkeit, um dies sicherzustellen, ist der Einsatz von segmentierten (segmented) rieizungsmitteln 36, welche die Anwendung von unterschiedlichen Hitzemengen an verschiedenen Stellen der oberen Oberfläche des Ziehstücks ermöglichen. Lin zweites Verfahren besteht darin, den Inertgasfluü in unterschiedlichen kontrollierten Mengen zu unterschiedlichen Segmenten der Flüssig-Fest-Kristallgrenze zu leiten, um auf diese VIeise die gewünschte Züchtungstemperatur über die Grenzfläche des wachsenden Körpers aufrechtzuerhalten. Dieses zweite Verfahren ist selbstverständlich ein Kühlungsverfahren.

Probleme, welche auftreten, wenn ein Ziehstück mit einer flachen oberen Oberfläche für das Kristallwachsen unter Ausnützung der Kapillarwirkung benutzt wird, beruhen hauptsächlich auf der Tatsache, daß das Ziehstück fast immer aus Graphit gemacht wird und sich deshalb langsam in dem flüssigen Silicium auflöst. Das Silicium ist dann mit Kohlenstoff gesättigt und das gesättigte Silicium steigt in dem Kapillarschlitz des Ziehstücks aufwärts und kommt dann zu dem oberen Bereich, wo das Kristallwachstum stattfindet. Dieser obere Bereich ist der kälteste Bereich in dem Wachstumssystem. Der überschüssige Kohlenstoff, welcher in dem gesättigten Silicium sich befindet, wird aus der Lösung ausgeschieden und tritt dabei in der Form von Siliciumcarbidkristalliten auf, welche dazu neigen, sich auf der oberen Oberfläche des Ziehstücks, wo die Temperatur niedriger ist als in der Schmelze, zu sammeln. Diese Kristallite in der Nähe der oberen Oberfläche tendieren dazu, den Schmelzenmeniskus zu stören und dadurch das Band in seiner Oberflächenglätte (smoothness) uneinheitlich zu

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machen. Ein anderes auftretendes Problem hängt mit der nahen Nachbarschaft der sich verfestigenden Grenzschicht zu der oberen Oberfläche des Ziehstücks zusammen. Die Siliciumcarbidteilchen an der Grenzschicht tendieren dazu, in das Band eingebaut zu werden, was die Erzeugung von Versetzungen und anderen Defekten zur Folge hat.

Es ist gefunden worden, daß es günstig ist, die Grenzschicht des sich verfestigenden Pandes soweit wie möglich von der oberen Fläche des Ziehstücks entfernt zu halten. Die Fign. 3Λ, 3B und 3C zeigen eine Ausführungsform einer Ziehstückstruktur, mit welcher dies erreicht wird. Die Fign. 3Λ, 3B und 3C zeigen die Kapillare 71 im Ziehstück 26 und das Mittelstück 72, welches das Ziehstück 26 zusammenhält. Die obere Oberfläche 73 des Ziehstücks ist so gekrümmt, daß sie an den Rändern - auch Enden genannt - 74 höher als in der Mitte ist. Auf diese Weise ist, wenn die Grenzschicht zwischen festem Kristallkörper und der Flüssigkeit in etwa planar gehalten werden kann, die Grenzschicht mindestens in ihren Mittelbereich weiter von Siehstück entfernt. Der Mittelbereich ist besonders kritisch für die Bildung von Defekten in dem Siliciumkörper. Wenn jedoch die Breite der oberen Oberfläche des Ziehstücks konstant gehalten wird, während diese obere Oberfläche gekrümmt ist, dann bedeutet die Tatsache, daß die Grenzschicht im mittleren Bereich höher ist, daß der Meniskus dort auch höher ist und daß folglich der Meniskus im Ilittelbereich ganz dünn sein würde. Dies würde verursachen, daß das Band in seiner Dicke von einem Rand zum anderen sehr unterschiedlich sein v/ürde. Es würde viel dünner in der Mitte als an den Rändern sein. So sollte sich die obere Oberfläche des Ziehstücks von den Rändern 74 zum Mittelbereich nicht nur hinunter krümmen, sondern die Oberfläche muß auch im mittleren Bereich breiter sein als an den Rändern 74. Der Meniskus hat dann im Mittelbereich eine breitere Basis. Die breitere Basis kombiniert mit der größeren Meniskushöhe im Mittelbereich bewirkt eine einheitliche Dicke an der fest-flüssigen Grenzschicht. Zusamraen-

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fassend kann man sagen, daß zwei Dinge für die Form des Ziehetücks wichtig sind, nämlich einmal die Krümmung und zum anderen die Verbreiterung der oberen Oberfläche des Ziehstücks im Mittelbereich.

Diese Struktur des Ziehstücks 26 unterscheidet sich von dem kanten-definierten filmzugeführten (EPG-technique) Wachsen gemäß dem Stand der Technik, weil bei dieser Technik der bandförmige oder auch anders geformte wachsende Körper mit der oberen Oberfläche des Ziehstücks konzentrisch (concentric) ist. Wird die in den Fign. 3A, 3B und 3C gezeigte Ziehstückstruktur verwendet, ist der Querschnitt des bandförmigen oder anders geformten wachsenden Körpers nicht konzentrisch mit der oberen Oberfläche des Ziehstücks. Die obere Oberfläche des Ziehstücks ist in der Mitte bei dem Mittelstück 72 beachtlich nach außen gewölbt und ist an den Rändern 74 dünn und trotzdem wird ein Band oder ein anders geformter Kristall mit einer einheitlichen Dicke gezüchtet.

Die Fig. 4 zeigt einen kontinuierlichen Züchtungsprozeß für ein Band, bei dem das Band, wenn es wächst, herausgezogen und dann auf einen Bandzieh- und Aufwickelraechanismus 76, welcher mittels eines Motors 77 angetrieben werden kann, aufgewickelt wird. Der eigentliche Bandzuchtofen 78 ist ähnlich demjenigen, welcher in den Fign. 1 und 2 gezeigt ist, bei dem die heiße Zone bzw. die Züchtungszone 79 typischerweise mit einer Hochfrequenzheizung 80, welche von einem geeigneten Hochfrequenzgenerator über die Leitungen 81 mit Hochfrequenzleistung versorgt wird, geheizt wird. Es können jedoch auch andere Heizungsarten verwendet werden. Die Inertgaseinlässe 82 sind auf die fest-flüssige Grenzschicht des Bandes, welches gezogen und gezüchtet wird, gerichtet. Das Band 83 wird durch die Kühldurchgangsöffnung und die Inertgasausgangsöffnung 84 gezogen und ist dann flexibel genug, um - wie gezeigt - auf den Aufwickelmechanismus 76 gewickelt zu

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werden. Der Argonstrom aus der Ausgangsöffnung 84 heraus verhindert die Diffusion von Luft in den Ofen hinein und ermöglicht gleichzeitig die Entfernung des Bandes. Andere Mittel, um das System abzudichten, wie z. B. ein flüssiges Dichtmittel, durch welches das Band hindurchgeht, könnten auch vervrendet werden.

Das Verfahren zur Herstellung langgestreckter Kristallkörper aus Silicium kann anhand der Fign. 6, 7, 8 und 9 noch verständlicher beschrieben werden. Bei der in der Fig. 6 gezeigten Fonaungstechnik unter Ausnützung der Kapillarwirkung, befindet sich geschmolzenes Silicium 85 in einem Tiegel 86 und darin ist ein für die Kapillartechnik geeignetes Ziehstück 87 teilweise eingetaucht. Die Flüssigkeit, welche kristallisieren soll, steigt in einem Kapillarschlitz 88 nach oben bis zur oberen Oberfläche des Ziehstücks 87. Wenn die Flüssigkeit das obere Ende des Schlitzes erreicht, setzt es seine Bewegung nicht wie in der Fig. 6 gezeigt, fort. Wird jedoch ein Kristall 90 in den dünnen Schlitz hineingetaucht und beginnt dieser die Flüssigkeit nach oben zu ziehen, dann ändert sich der Kontaktwinkel der Flüssigkeit mit dem Ziehstück. Der Kontaktwinkel ist derart, daß die Flüssigkeit sich lateral über die Oberfläche der oberen Oberfläche des Ziehstücks ausbreiten kann, bis sie die begrenzenden Bänder der oberen Oberfläche des Ziehstücks erreicht. Die Ränder bestimmen den Umfang des unteren Ansatzes des Schmelzenmeniskus.

Die Dicke des bandförmigen Kristalls, welcher wie in der Fig. 6 gezeigt, gezüchtet wird, ist im wesentlichen gleich der Dicke des oberen Teils des Ziehstücks in der Nähe von dessen Enden, sofern das Ziehstück mit der gekurvten und in ihrer Breite variierenden Oberfläche verwendet wird. Die Dicke des Bandes ist im wesentlichen einheitlich, obwohl geringe Dickenschwankungen möglich sind. In dem typischen Fall ist der mittlere Bereich

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des Bandes etwas dünner als die Ränder. Die Ränder des Bandes sind in etwa genauso dick, wie die Randdicke des oberen Teils des Ziehstücks.

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch die Fig. 6 in der Mitte des Ziehstücks, bevor der Keimkristall 90 angewandt wird. Die Kapillare ist nicht durchgehend gezeichnet, weil an dieser Stelle die zwei Hauptteile des Ziehstücks 87 zusammengehalten werden. Die Fig. 8 zeigt die Verhältnisse an den Rändern (edges) während das Band wächst und die Fig. 9 zeigt den mittleren Teil des Bandes, während das Band wächst. Man sieht, daß obwohl das obere Teil des Ziehstücks an den Enden eng und in der !litte relativ breit ist, die Banddicke im wesentlichen einheitlich ist, und zwar, weil die sich verfestigende Grenzschicht an den Enden des Ziehstücks nahe der oberen Oberfläche des Ziehstücks ist, aber in der Nähe der lütte sich weiter weg von der oberen Oberfläche des Ziehstücks befindet. Der obere Teil des Meniskus ist etwa ebenso breit v/ie der untere Teil des Meniskus in den Endbereichen. Jedoch verengt sich der Querschnitt des Meniskus im mittleren Bereich des Ziehstücks und des Bandes von einer breiten Basis zu einem schmalen oberen Teil. Durch richtige Wahl der Krümmung des oberen Teils des Ziehstücks und des Verjüngungswinkels (taper angle) der Seiten des Ziehstücks kann ein optimaler Wert für diese Variation der Breite des oberen Teil des Ziehstücks mit der Position entlang des oberen Teils des Ziehstücks erhalten v/erden. Ein wesentlicher Parameter, welcher in die Form des Ziehstücks eingeht, ist der Abstand, welchen die sich verfestigende Grenzschicht von dem oberen Ende des Ziehstücks in der Nähe des Mittelbereichs hat. Der Abstand der Grenzschicht von der oberen Oberfläche des Ziehstücks kann durch Variieren der Krümmung der oberen Oberfläche des Ziehstücks richtig eingestellt werden. Der andere Parameter, welcher dazu benutzt wird, um die Dickenvariation des Ziehstücks entlang seiner oberen Oberfläche zu bestimmen, ist der Verjüngungswinkel der Seiten des Ziehstücks.

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Um Bänder mit einer Breite bis zu etv;a 3 era zu züchten, können die äußeren Ränder der oberen Oberfläche des Ziehstücks, das sind diejenigen Ränder, welche den unteren Teil des Schmelzmeniskus von welchem das Band sich verfestigt, einfassen (bound), so betrachtet werden, als seien sie bestirmt durch den Schnitt eines vertikalen abgestumpften Keils mit dem eingeschlossenen Winkel 0, der abgestumpften Dicke X und der Breite VJ mit einem horizontalen Zylinder mit dem Radius R.

Der Schnitt wird im wesentlichen so gemacht, daß die Zylinderoberfläche die kurzen Ränder X des oberen Teils des Keils enthält. Das resultierende obere Teil des fciehstücks ist das in den Fign. 3A, 3D und 3C gezeigte, wobei X die Dicke der oberen Oberfläche an den Enden, X die Dicke der oberen Oberfläche in mittleren Teil, 0 der eingeschlossene Uinkel, R der Radius der Krümmung der oberen Oberfläche, VJ die Breite des Ziehstücks und δ die Höhendifferenz zwischen den Linden und dem mittleren Teil sind. Das Oberteil des Ziehstücks vergrößert auf diese V7eise allmählich seine Dicke von X zu X und nimmt um den Betrag 6 an Köha ab, wenn man vom Rand zu der Mitte des Ziehstücks geht.

Das Ziel dieser Form ist es, einerseits einen hohen Schmelzenmeniskus iia Mittelbereich zu erhalten, da eine nahe Nachbarschaft der sich verfestigenden Grenzschicht zu dem oberen Ende des Ziehstücks schädlich für die Bandperfektion und die Oberflächenglätte ist, und auf der anderen Seite eine nahe Nachbarschaft an den Enden des Ziehstücks aufrechtzuerhalten, um die Bandbreite zu stabilisieren. Darüber hinaus muß dies erreicht v/erden in einem sanften Übergang, um die frühen Stadien der Züchtung von den Abmessungen des Keims bis zur vollen Breite zu erleichtern.

Die Banddicke ist < X . R und 0 sind so gewählt, um die vierte von X_m - X und von δ für eine erfolgreiche Bandzüchtung zu optimieren. Diese Parameter sind durch die Gleichungen

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= _R und

2 tg (sin ' ~)

2R'

X₁, - X₀ » 2 6 tg 0/2

ill G

gegeben.

Experimentell wurde gefunden, daß Werte von δ = 0,8 mm und von

X - X - 0,6 mm nützlich sind, um glatte Siliciumbänder zu erm e

zeugen. So wurde beispielsweise ein 25,4 mm breites Ziehstück mit X - 0,51 inn, R = 101,6 mm und 0 = 40° benutzt. Ein solches Ziehstück produziert Bänder mit einer Dicke < 0,5 mm auch dann, wenn der Wert von X_1n etwa gleich 1,09 mm beträgt. So ist der Querschnitt des Bandes nicht durch die Ränder des oberen Teils des Ziehstücks definiert (edge-defined). Wenn die Breite des Ziehstücks größer ist als etwa 3 cm, wird der Mittelbereich von der Höhe-δ und der Breite X. etwas ausgedehnt^ bevor die Verengung und der Anstieg zu den Enden der oberen Oberfläche hin beginnt.

Bei der Verfestigung eines Kristallkörpers, ist es notwendig, eine einheitliche Temperatur über den Kristall an der wachsenden Grenzschicht aufrechtzuerhalten. Thermische Spannungen in dem Körper treten auf, wenn die Variation der Temperatur nicht richtig ist. Aus diesem Grund ist es üblich, thermische Modifizierini t te 1 bzw. Hitzeschilder mit einem Spalt, dessen Abmessungen sehr nahe der Größe des Kristallkörpers kommen, d. h. mit nur geringem Spiel an jeder Seite zu benutzen. Ein Schild dieser Art tendiert dazu, die Temperatur in der Nähe der sich verfestigenden Grenzschicht zu stabilisieren. Thermische Spannungen in dem Band können durch sauberes Kontrollieren des Temperaturgradienten entlang dem Kristall gemildert werden. Kleine Temperaturvariationen können auch Probleme dadurch verursachen, indem das Band bis zum Ziehstück sich verfestigt. Um das Profil in der Nähe der oberen Oberfläche des Ziehstücks sorgfältiger in einer

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kontinuierlich variablen Weise zu kontrollieren, kann eine segmentierte Heizquelle, welche sich in enger Wachbarschaft zu der oberen Oberfläche des Ziehstücks befindet und entlang der Länge des Ziehstücks verläuft, eingebaut werden. Die Heizquelle ist segmentiert und die Segmente v/erden durch elektrische Anschlüsse individuell kontrolliert. Es ist dabei möglich, dem thermischen Profil oben an dem Ziehstück die richtige Form zu geben.

In den Fig. 10 und 11 ist der mittlere Bereich von Oberflächen zweier Bänder mit 21 fächer Vergrößerung gezeigt. Beide Bänder wurden unter Verwendung von 25,4 mm breiten Ziehstücken gezogen. Das Band in der Fig. 10 wurde gewachsen unter Verwendung eines EFG-Ziehstücks mit einer flachen oberen Oberfläche und einer oberen Dicke von 0,5 mm. Das in der Fig. 11 gezeigte Band wurde gezüchtet unter Verwendung eines Ziehstücks, das entsprechend der vorliegenden Erfindung geformt war und wobei R = 101,6 nun, X = 0,5 mm und 0 = 40° waren. Die Wachstumsgeschwindigkeiten waren etwa 2 cm/min, und beide Ziehstücke wurden aus demselben Graphittyp hergestellt. Das in der Fig. 11 gezeigte Band hatte eine wesentlich glattere Oberfläche und auch eine viel geringere Dichte von in der Oberfläche eingebetteten Siliciuracarbidpartikeln. Auf diese VIeise wird die Perfektion verbessert und um das Band zu benutzen, muß die Oberfläche nicht so stark behandelt werden. Metall-Oxid-Halbleiterfeldeffekttransistoren (IK)SFET)- und Solarzellenbauteile sind erfolgreich in Oberflächen von glatten Bändern, wie sie in der Fig. 11 dargestellt sind, erzeugt worden, wobei die Oberflächen so wie sie gewachsen sind, verwendet wurden.

Eines der größeren Probleme beim Wachsen von Silic!umbändern unter Verwendung von Ziehstücken aus Kohlenstoff ist die Zwillingsbildung. Die Zwillingsbildung unterbricht (disrupts) das Einkristallwachstum während der Kristallkernbildungsphase. Ein Beispiel des Effekts ist in der Fig. 12 gezeigt. In der Fig.

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ist eine lCeimorientierung <1OO> {110} benutzt. Ähnliche Ergebnisse v/erden erzielt für <111> {110}, <11O> {100} und andere übliche Orientierungen. Für alle diese Orientierungen wurden einkristalline Bänder nicht erhalten. Der v/esentliche, das Einkristallwachstum verhindernde Mechanismus v/ar die unkontrollierte Zwillingsbildung an allen oktaedrischen {111}-Ebenen. Möglichkeiten der Zv/illingsbildung für verschiedene VJachs turns ebenen, wie z. B. (10O), (110) und (111) sind in der Tabelle I aufgelistet. Eine Erklärung der Millerschen Indizes kann beispielsweise in dem Buch "Introduction to Solid State Physics" von C. Kittel, zweite Ausgabe 1956, John Wiley & Sons, Inc. New York, Ii. Y. auf den Seiten 33 - 35 nachgelesen v/erden.

Ursprüngliche Fläche

(100)

TABELLE I	Neue Fläche
Zwillings- bildungs fläche	(122)
(111)	(122)
(111)	(122)
(111)	(122)
(ΪΪ1)

(110)

(111)

(114)

(111)

CiTi)

(110) (110)

(111)

(114)

(111)

(1	1	D	(1	11)
(T	1	D	(5	11)
(1	i"	D	(1	51)
(ϊ	ΐ	D	(1	15)
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Die Zwillingsbildung erfolgt an den oktaedrischen Flächen. Vier der acht oktaedrischen Flüchen sind aufgelistet. Zv/ei dieser Flächen sind immer parallel zueinander und deshalb gleichwertig. Kontinuierliche Zwillingsbildung an diesen Flächen wird sofort zu einem Zusammenbruch (breakdown) in der einkristallinen Struktur, welche sich von dem Keimkristall ausgebreitet hat, führen. Die Möglichkeiten sind in der Tabelle I aufgelistet. Es ist gefunden worden, daß die v/ich tigs te Fläche, welche als fest/flüssige Grenzfläche benutzt werden kann, die {100} ist, weil die Zwillingsbildung die Orientierung <100> wiederholt. iJenn die ursprüngliche Keimgrenzfläche (110) ist, dann folgt der Swillingsbildung an (111) eine Uiederholung der ursprünglichen Kristallorientierung, welche z. B. [110] ist, wie es in der Tabelle I gezeigt ist.

Um Bänder mit einem Minimum an Defekten zu züchten, muß die epitaxiale Beziehung zwischen Silicium und Siliciumcarbid beachtet werden. Es ist gefunden worden, daß Silicium und Siliciumcarbid eine perfekte epitaxiale Beziehung für die <11O> {112} Keimorientierung haben. Nur für diese Orientierung <11O> sind die Siliciumcarbidflachen parallel zu den {1Io}-Silieiumebenen, während konzentrisch (concentrically) die {111}-Siliciumcarbidflachen auch parallel zu den {111}-Siliciumflachen sind. Für jede andere Keimorientierung ist die epitaxiale Beziehung zwischen Silicium und Siliciumcarbid derart, daß eine Zv/i llingsbi ldung an allen oktaedrischen Ebenen aktiviert wird. Die verschiedenen epitaxialen Beziehungen sind in der Tabelle II aufgelistet.

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	TABELLE II	Orientierung	(10O)Si (11O)Si
Fläche des Si-Substrats	Fläche der SiC-Schicht	(100)3 M (001)3 M (110)3 M	(IiI)₈I
(001)	(001)3 (110)3	(iTi)3 M	(11O)Si
(110)	(110)3	(no)ß Μ
(111)	(111)3

(110)3

(11O)Si

(111)

(0001)

(1120) H

(11O)Si

Man nehme beispielsweise eine (001)-Siliciumflache. Es gibt dann zwei mögliche epitaxiale Beziehungen. Siliciumcarbidschichten können auf einer (OO1)-Siliciumflache in der [001!-Orientierung und auch in der [11O]-OrIentierung aufwachsen. Wenn sie in der [001!-Orientierung wachsen, gibt es eine Orientierungsbeziehung» in welcher (100)-Siliciumcarbidflachen parallel zu den (100)-Siliciumflachen sind. Im zweiten Fall, ist, wenn die Siliciumcarbidschicht in die [110]-Orientierung fällt, die Orientierungsbeziehung derart, daß (001)-Siliciumcarbid parallel zu der (110)-Siliciumflache und auch das (110)-Siliciumcarbid parallel zu dem (110)-Silicium ist. Betrachtet man die [111]-Siliciumorientierung, dann kann Siliciumcarbid auch in der [111!-Richtung wachsen und es gibt, wie in der Tabelle II gezeigt ist, zwei Möglichkeiten für die SiIiciumcarbidbeZiehung. Jedoch kann in einem (11I)-SiIieiumsubstrat die Möglichkeit auftreten, bei der das Siliciumcarbid nicht in der kubischen Form 3, sondern in der hexagonalen Form

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H aufwächst. Die kubische Form ist in der Tabelle II mit fs und die hexagonale Form mit H bezeichnet. Die bevorzugte Keimorientierung zum Züchten von Siliciumbändern ist <11O> {112}, was in den Fign. 14 und 15 der Fall ist. Die Fig. 14 zeigt die Grenzschicht zwischen Keim und Kristall für diese Orientierung und zeigt an, daß einkristallines Viachstum mit paralleler Zwillingsbildung erreicht worden ist. Die optimalste Keimkristallorientierung ist in der Ziehrichtung [θϊΐ] in der Richtung des Ziehstücks [011]_f senkrecht zu der Hauptoberfläche (major surface) des Keims [Ϊ12] und senkrecht zu der Kantenfläche (edge face) des Keims [111]. Die einzigen sichtbaren Defekte sind auf die parallele Zwillingsbildung auf den (111)-Flächen zurückzuführen. Dies ist in der obigen Tabelle I beschrieben. Die parallelen Zwillinge sind sehr niedriger Energie und haben keinen Einfluß auf die Ladungsträgererzeugungslebensdauer (charge carrier generation lifetime). Deshalb wird eine gute Solarzellenwirksamkeit erreicht, selbst dann, wenn solche Zwillingsflächen vorhanden sind. Andere Zwillingsflächen sind von höherer Ordnung und haben deshalb einen Einfluß auf die Erzeugungslebensdauer. Die Fig. 15 zeigt einen Kristallausschnitt, nachdem ein 15 cm langes Stück gewachsen ist. Auch dieser Ausschnitt enthält nur parallele Zwillingsbildung. Die Solarzellenwirksamkeit in Gegenwart von paralleler Zwillingsbildung liegt zv/ischen 8 und 10 Prozent.

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Claims

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- «At -

handen ist, und mit einer mit einem Keimkristall versehenen Ziehvorrichtung, mittels vrelcher sich die Siliciumkörper aus der geschmolzenen Zone herausziehen lassen, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil des Ziehstücks (26, 87) eine abgestumpfte, keilförmige Gestalt hat und seine obere, im wesentlichen die abgestumpfte Schneide umfassende Oberfläche (73) in der tlittc der Schneide am breitesten ist und ihren tiefsten Punkt hat und an den beiden Dnden (74) der Schneide am schmälsten ist und ihre höchsten Punkte hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (73) in einer sanften (siaooth) Kurve vom tiefsten Punkt zu den höchsten Punkten verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflüche (73) in der Umgebung der Schneidennitte eben ist und arst in der Nähe der Enden (74) ansteigt.

7. Vorrichtung nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 Lis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ziehstück (26, 37) aus Kohlenstoff besteht.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren dor Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (73) des Ziehstücks (26, 87) aus Siliciumcarbid besteht.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel zur Temperaturbeeinflussung im Ziehstück (26) und/oder in dessen Umgebung enthält.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zUiti Ziehen von langgestreckten, kristallinen Liiliciuriikört.ern aus der Schmelze in einer Inertgasatnosp iulrc init einem Ziehstück, das in die in einem Tiegel befindliche ochnelze eintaucht und bei Γιην/endung festgelegter x'enperaturen unter Ausnutzung der Kapillarwirkung durca in seinem Innern vorhandene Kanäle kontinuierlich Schmelze auf seine obere Oberfläche zu befördern vermag, so daß dort ständig eine dünne geschmolzene Lone des Cchirelzenmaterials vorhanden ist, und mit einer mit einen .,einkristall verschonen Ziehvorrichtung, mittels 'reicher sich die Siliciur.ikcrper aus der geschmolzenen Zone herausziehen lassen, dadurch gekennzeichnet,

daß der Keimkristall (9C) eine <11O>-Orientierung in der Ziehrichtung hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keimkristall (90) eine <110> {211}-Orientierung hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von bandförmigen Siliciumkörpern der Keimkristall (90) {111}-Kantenflachen hat.

4. Vorrichtung zum Ziehen von langgestreckten, kristallinen Siliciumkörpern aus der Schmelze in einer Inertgasatmosphäre mit einem Siehstück, das in die in einem Tiegel befindliche Schmelze eintaucht und bei Anwendung festgelegter Temperaturen unter Ausnutzung der Kapillarwirkung durch in seinen Innern vorhandene Kanäle kontinuierlich Schmelze auf seine obere Oberfläche zu befördern vermag, so daß dort ständig eine dünne geschmolzene Zone des Schmelzenmaterials vor-

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ORIGINAL INSPECTED

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daC die Mittel (28/ 29, 34, 36) zur Temj, eraturbeeinf lussung unabhängig voneinander in ihrer Heizleistung regelbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hitzeschild (34) vorhanden ist, welcher sich von einem Punkt in der Nähe der Oberfläche (73) des Ziehstücks (26) eine Strecke entlang des wachsenden Siliciumkörpers erstreckt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die herstellung eines dünnen, bandförmigen Siliciumkürpers einheitlicher Dicke der Hitzeschild (34) im wesentlichen aus. zwei parallelen Platten besteht, zwischen denen der Körper derart wächst, daß nur ein geringer Abstand zwischen den Platten und dem Siliciumkörper vorhanden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Temperaturbeeinflussung aus Mitteln zum Anblasen der einzelnen Bereiche der fest-flüssigen Grenzfläche mit unterschiedlichen, kontrollierten Inertgasmengen bestehen.

14. Verfahren zum Ziehen von langgestreckten, kristallinen Siliciumkörpern mittels einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß dafür gesorgt wird, daß sich auf der oberen Oberfläche (73) des Ziehstücks (26, 87) ständig eine festgelegte Menge des geschmolzenen Schmelzenmaterials befindet, daß der Keimkristall (90) in die

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Schmelze eingetaucht wird und daß unter Einhaltung festgelegter Temperaturen die Ziehvorrichtung dann mit kontrollierter Geschwindigkeit nach oben gezogen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Regelung der nittel zur Temperaturbeeinflussung längs der fest-flüssigen Grenzfläche im wachsenden Kristall eine homogene Temperatur und entlang dem wachsenden Kristall ein kontrollierter Temperaturgradient aufrechterhalten wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Temperaturbeeinflussung so geregelt werden, daß eine im wesentlichen planare fest-flüssige Grenzfläche aufrechterhalten wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Vorrichtung insbesondere eine Ausgestaltung gemäß Anspruch 11 oder 12 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Regelung der Temperatur des Hitzeschildes (34) sehr dünne bandförmige SiliciumkÖrper gezogen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß bandförmige SiliciumkÖrper mit einer Dicke < 10 pm gezogen werden.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß unerwünschte Gase im Züchtungsbereich durch Spülen mit einem Inertgasstrcm entfernt werden.

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