DE19742653A1 - Method and device for manufacturing a wafer from semiconducting material - Google Patents

Method and device for manufacturing a wafer from semiconducting material

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Abstract

The invention relates to a method for producing a wafer from a semiconducting material, especially a silicon wafer, for a solar cell. According to the inventive method, a melt of the semiconducting material (8) sets to form the wafer. The invention is characterised in that said melt is exposed to an electric and/or magnetic field at least during the start of the setting process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbesondere einer Siliciumscheibe, für eine Solarzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.The invention relates to a method and a device for producing a pane made of semiconducting material, in particular a silicon wafer, for a solar cell the preamble of claim 1 and claim 4.

Aus der DE-PS 30 35 563 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen einer polykristallinen So­ larzelle bekannt, bei dem ein Silicium-Substrat auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt und anschließend die aktive Siliciumschicht der Solarzelle auf das Silicium-Substrat aufge­ bracht wird. Das Silicium-Substrat wird dabei durch Sintern oder Schmelzen eines aus Sili­ ciumpulver gebildeten Preßkörpers mit Hilfe eines elektrischen Stromes durch den Pul­ ver-Preßkörper hindurch erzeugt. Die Siliciumschicht wird auf das Silicium-Substrat durch Aufschleudern von flüssigem Silicium, durch Aufdampfen oder durch Plasmaspritzen auf­ gebracht. Alternativ kann die Siliciumschicht auch in Pulverform auf das Silicium-Substrat aufgebracht und danach aufgeschmolzen werden.From DE-PS 30 35 563 C2 is a method for producing a polycrystalline So lar cell known in which a silicon substrate is produced by powder metallurgy and then the active silicon layer of the solar cell on the silicon substrate is brought. The silicon substrate is made by sintering or melting one of sili cium powder formed compact with the help of an electric current through the pul ver pressed body generated. The silicon layer is applied to the silicon substrate Spin on liquid silicon, by vapor deposition or by plasma spraying brought. Alternatively, the silicon layer can also be in powder form on the silicon substrate applied and then melted.

Das vorbekannte Verfahren ist verhältnismäßig kompliziert, da zunächst das Silicium-Sub­ strat hergestellt werden muß und anschließend die Siliciumschicht darauf aufgebracht wer­ den muß.The previously known method is relatively complicated since the silicon sub Strat must be produced and then applied the silicon layer on it that must.

Aus der DE 35 36 743 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von großflächigen Silicium­ kristallkörpern für Solarzellen bekannt, bei dem als Ausgangsmaterial Siliciumpulver ver­ wendet wird, das durch Sintern in Folienform übergeführt wird. Die Folie wird anschlie­ ßend in einer Temperaturbehandlung durch einseitige Energieeinstrahlung bis mindestens zur Hälfte ihrer Schichtdicke geschmolzen und wieder rekristallisiert. Anschließend wird die Restschichtdicke in einer weiteren Temperaturbehandlung so aufgeschmolzen und re­ kristallisiert, daß die nach der zweiten Temperaturbehandlung bei der Restkristallisation entstandenen vergrößerten Kristallkörner über die ganze Schichtdicke des Siliciumkörpers weiter wachsen. Auch dieses Verfahren ist durch die mehrfache Temperaturbehandlung verhältnismäßig kompliziert.DE 35 36 743 A1 describes a method for producing large-area silicon known crystal bodies for solar cells, in which ver as the starting material silicon powder is used, which is converted into foil form by sintering. The film is then ß in a temperature treatment by one-sided energy radiation up to at least melted to half their layer thickness and recrystallized again. Then will  the remaining layer thickness is melted in a further temperature treatment and re crystallizes that after the second temperature treatment in the residual crystallization resulting enlarged crystal grains over the entire layer thickness of the silicon body continue to grow. This process is also due to the multiple temperature treatment relatively complicated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach und kostengünstig durchführbares Verfahren zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbesondere einer Si­ liciumscheibe, für eine Solarzelle, anzugeben. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zu­ grunde, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens anzugeben.The invention has for its object a simple and inexpensive to perform Method for producing a wafer made of semiconducting material, in particular an Si licium disc, for a solar cell. The invention has the further object reasons to provide a device for performing the method.

Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsgemäß wird die Schmelze zumindest während des Be­ ginns des Erstarrens einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausgesetzt. Die Wechselwirkung des Feldes mit dem aus der Schmelze auskristallisierendem Material führt zu einem gerichteten Kristallwachstum, das zur Ausbildung großer Kristallkörner oder einer fast monokristallinen Scheibe führt.The part of the object of the invention relating to the method is characterized by the features of Main claim solved. According to the invention, the melt is at least during loading exposed to an electric and / or magnetic field at the start of solidification. The Interaction of the field with the material crystallizing out of the melt directional crystal growth, which leads to the formation of large crystal grains or an almost monocrystalline disc.

Mit Vorteil ist das Feld gemäß Anspruch 2 ein Gleichfeld, das besonders wirksam ist, wenn es gemäß Anspruch 3 um eine mittlere Richtung schwankt.The field according to claim 2 is advantageously a constant field, which is particularly effective, if it fluctuates according to claim 3 about a central direction.

Der Anspruch 4 kennzeichnet den Grundaufbau einer Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material.The claim 4 characterizes the basic structure of a device for producing a Disc made of semiconducting material.

Mit den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 8 wird diese Vorrichtung in vorteilhafter Weise weitergebildet.With the features of claims 5 to 8, this device is advantageous trained.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert. The invention is described below with reference to schematic drawings, for example and explained with further details.  

Es stellen dar:They represent:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halblei­ tendem Material, Fig. 1 shows a section through an apparatus for producing a disc of semiconducting material tendem,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Ausführungsform der Fig. 1, geschnitten längs der Li­ nie II-II der Fig. 1, Fig. 2 shows a section through the embodiment of Fig. 1, taken along the Li never II-II of Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der Fig. 2 mit einem zusätzlichen Kondensator, Fig. 3 is a view similar to FIG. 2 with an additional capacitor,

Fig. 4 eine Detailansicht der Oberfläche eines Formteils der Fig. 1 im Schnitt und Fig. 4 is a detailed view of the surface of a molding of Fig. 1 in section and

Fig. 5 eine Aufsicht auf die in Fig. 4 dargestellte Oberfläche. Fig. 5 is a plan view of the surface shown in Fig. 4.

Gemäß Fig. 1 weist eine Form zur Herstellung einer Siliciumscheibe, die zu einer Solar­ zelle weiterverarbeitet wird, ein Unterteil 2 und ein Oberteil 4 auf, die zwischen sich einen Hohlraum mit einem Entgasungsauslaß 5 bilden. Die Formteile 2 und 4 bestehen beispiels­ weise aus Quarz, das zum Hohlraum hin mit Wolfram beschichtet ist oder aus Siliciumcar­ bid oder anderen geeigneten Materialien.According to Fig. 1 comprises a mold for producing a silicon wafer, which is further processed to a solar cell, a lower part 2 and an upper part 4 which a cavity formed between a Entgasungsauslaß. 5 The molded parts 2 and 4 consist, for example, of quartz, which is coated with tungsten towards the cavity or of silicon carbide or other suitable materials.

Auf dem Boden des Unterteils 2 ist ein Metallplättchen 6 angeordnet, das aus Wolfram oder einem anderen, möglichst hochtemperaturbeständigen Material besteht. Bei entspre­ chender Temperaturführung des Unterteils ist jedoch auch Stahl oder sogar Kupfer geeig­ net.On the bottom of the lower part 2 , a metal plate 6 is arranged, which consists of tungsten or another material that is as resistant to high temperatures as possible. With appropriate temperature control of the lower part, however, steel or even copper is also suitable.

In den Hohlraum wird feines, hochreines Siliciumpulver 8 eingebracht, das durch Zusam­ menpressen von Unterteil 2 und Oberteil 4 verdichtet wird.In the cavity fine, high-purity silicon powder 8 is introduced, which is compressed by pressing together the lower part 2 and upper part 4 .

Zur Beheizung des Siliciumpulvers 8 sind in das Oberteil 4 elektrische Leiter 10 integriert, die zueinander parallel und parallel zur Unterseite des Oberteils 4 verlaufen. Durch Be­ schickung der elektrischen Leiter 10 mit Strom wird die Unterseite des Oberteils 4 elek­ trisch beheizt, wobei unter Steuerung eines nicht dargestellten Steuergerätes soviel Heiz­ leistung geführt wird, daß das Siliciumpulver 8 schmilzt. Wenn alle Leiter 10 (Fig. 2) gleichsinnig stromdurchflossen sind, addieren sich die durch das Siliciumpulver 8 verlau­ fenden, von den einzelnen Leitern 10 erzeugten Magnetfelder zu einem innerhalb des Siliciumpulvers 8 bzw. der Schmelze gleichgerichteten Magnetfeld, das parallel zur Unterseite des Oberteils 4 verläuft.To heat the silicon powder 8 , electrical conductors 10 are integrated in the upper part 4 and run parallel to one another and parallel to the underside of the upper part 4 . By loading the electrical conductor 10 with electricity, the underside of the upper part 4 is heated electrically, with so much heating power being performed under the control of a control unit (not shown) that the silicon powder 8 melts. If all conductors 10 ( FIG. 2) flow through in the same direction, the magnetic fields generated by the silicon powder 8 add up, generated by the individual conductors 10 to a magnetic field rectified within the silicon powder 8 or the melt, which is parallel to the underside of the upper part 4 runs.

Wird der Prozeß nun so geführt, daß die aufgebrachte Heizleistung nicht mehr reicht, um die Schmelze flüssig zu halten, so beginnt deren Auskristallisation unter Wirkung des Magnetfeldes. Das Magnetfeld führte dazu, daß die Auskristallisation homogen und in gleicher Weise erfolgt, so daß sich große Kristallkörper oder sogar ein Monokristall aus­ bildet. Die aus dem Siliciumpulver 8 entstehende, erstarrte Scheibe ist unmittelbar mit dem Metallplättchen 6 verbunden, so daß die Dicke des Silicium unter 100 µ betragen kann, ohne daß die Scheibe gefährdet ist. Das Metallplättchen 6 dient gleichzeitig zum Kontaktie­ ren des Siliciummaterials. Die Dotierung und Kontaktierung und damit die Herstellung der fertigen Solarzelle geschieht dann in üblicher Weise, beispielsweise durch Eindiffundieren des Dotierungsmaterials und durch Aufdampfen der Kontaktbahnen.If the process is carried out in such a way that the heating power applied is no longer sufficient to keep the melt liquid, its crystallization begins under the action of the magnetic field. The magnetic field led to the crystallization taking place homogeneously and in the same way, so that large crystal bodies or even a monocrystal formed. The solidified wafer resulting from the silicon powder 8 is directly connected to the metal plate 6 , so that the thickness of the silicon can be less than 100 μm without the wafer being endangered. The metal plate 6 is also used for Kontaktie ren of the silicon material. The doping and contacting and thus the production of the finished solar cell then takes place in the usual way, for example by diffusing in the doping material and by vapor deposition of the contact tracks.

Die beschriebene Vorrichtung kann in vielfältiger Weise abgewandelt werden:
Beispielsweise kann das Metallplättchen 6 fehlen. In das Unterteil 2 kann unmittelbar eine Siliciumschmelze eingebracht werden, wobei die elektrischen Leiter 10 dann vorteilhafter­ weise im Unterteil 2 oder zusätzlich im Oberteil 4 verlaufen. In Sonderfällen kann gänzlich ohne Oberteil 4 gearbeitet werden.The device described can be modified in a variety of ways:
For example, the metal plate 6 may be missing. A silicon melt can be introduced directly into the lower part 2 , the electrical conductors 10 then advantageously running in the lower part 2 or additionally in the upper part 4 . In special cases it is possible to work without top 4 .

Anstelle des Magnetfeldes oder zusätzlich zum Magnetfeld kann die erstarrende Schmelze gemäß Fig. 3 mit einem elektrischen Feld beaufschlagt werden, indem die Form zwischen den Platten 12 und 14 eines Kondensators angeordnet wird, der mit Gleichspannung beauf­ schlagt ist. Besonders wirksam ist, die Kondensatorplatten 12 und 14 im Sinne der Doppel­ pfeile um eine waagrechte Achse zu verschwenken, so daß die Schmelze bzw. die auskris­ tallisierende Siliciumscheibe von einem elektrischen Feld durchdrungen wird, das um eine mittlere Richtung schwingt.Instead of the magnetic field or in addition to the magnetic field, the solidifying melt according to FIG. 3 can be subjected to an electrical field by arranging the shape between the plates 12 and 14 of a capacitor which is subjected to direct voltage. It is particularly effective to pivot the capacitor plates 12 and 14 in the sense of the double arrows about a horizontal axis, so that the melt or the crystallizing silicon wafer is penetrated by an electric field which oscillates about a central direction.

Das durch die elektrischen Leiter 10 hervorgerufene Magnetfeld kann neutralisiert werden, in dem benachbarte Leiter jeweils gegensinnig stromdurchflossen sind und entsprechend an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen sind. Es versteht sich, daß eine Umschal­ tung von gleichsinnigem Stromfluß zu gegensinnigen Stromfluß möglich ist.The magnetic field caused by the electrical conductors 10 can be neutralized, in which neighboring conductors each have current flowing through them in opposite directions and are accordingly connected to a current source (not shown). It is understood that a switching device from current flow in the same direction to current flow in the opposite direction is possible.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch die Unterseite 18 des Oberteils 4, die die Oberflä­ chengestalt der entstehenden Siliciumscheibe bestimmt. Die Unterseite 18 ist geriffelt und besteht aus einzelnen, nebeneinander angeordneten Pyramiden, deren dem Betrachter zuge­ ordneten Spitzen in Fig. 5 mit 20 bezeichnet sind. Die entstehende Siliciumscheibe weist auf diese Weise an ihrer Oberseite eine aus nebeneinander angeordneten Pyramiden beste­ hende Oberfläche auf, was den Wirkungsgrad der späteren Solarzelle verbessert. Fig. 4 shows a cross section through the underside 18 of the upper part 4 , which determines the surface shape of the resulting silicon wafer. The underside 18 is corrugated and consists of individual pyramids arranged next to one another, the peaks assigned to the viewer in FIG. 5 being designated by 20 . The resulting silicon wafer has in this way on its top a pyramid consisting of juxtaposed existing surface, which improves the efficiency of the future solar cell.

Mit der Erfindung lassen sich auf einfache Weise großflächige Siliciumscheiben mit gutem Wirkungsgrad bei der Umsetzung einfallenden Sonnenlichts in elektrischen Strom herstel­ len. Die Dicke der fertigen Siliciumscheiben kann sehr dünn gewählt werden, so daß der Verbrauch an halbleitendem Material vermindert ist. Als halbleitendes Material kann jed­ welches, zur Herstellung einer Solarzelle geeignetes Material verwendet werden, beispiels­ weise Germanium, Selen oder Galliumarsenid.With the invention, large-area silicon wafers can be easily with good Manufacture efficiency when converting incoming sunlight into electrical power len. The thickness of the finished silicon wafers can be chosen to be very thin, so that the Consumption of semiconducting material is reduced. Anyone can use it as a semiconducting material which, suitable for the production of a solar cell material used, for example wise germanium, selenium or gallium arsenide.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbeson­ dere einer Si-Scheibe, für eine Solarzelle bei welchem Verfahren eine Schmelze des Halb­ leitermaterials (8) zu der Scheibe erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze zumindest während des Beginns des Erstarrens einem elektrischen und/oder magnetischen Feld ausgesetzt wird.1. A method for producing a wafer made of semiconducting material, in particular a Si wafer, for a solar cell in which method a melt of the semiconductor material ( 8 ) solidifies to the wafer, characterized in that the melt at least during the start of solidification electrical and / or magnetic field is exposed. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld ein Gleich­ feld ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the field is an equal field is. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld um eine mittlere Richtung schwankt.3. The method according to claim 1, characterized in that the field by one middle direction fluctuates. 4. Vorrichtung zum Herstellen einer Scheibe aus halbleitendem Material, insbe­ sondere einer Si-Scheibe für eine Solarzelle, mit einer Form (2, 4) zur Aufnahme des halb­ leitenden Materials (8) und einer Heizeinrichtung (10) zum Beheizen der Form derart, daß das in der Form aufgenommene halbleitende Material aus einer Schmelze zu der Scheibe erstarrt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (10; 12, 14) zum Erzeugen eines die in der Form (2, 4) aufge­ nommene Schmelze beaufschlagenden elektrischen und/oder magnetischen Feldes vorgese­ hen ist.4. Device for producing a wafer made of semiconducting material, in particular a Si wafer for a solar cell, with a mold ( 2 , 4 ) for receiving the semiconducting material ( 8 ) and a heating device ( 10 ) for heating the mold in such a way, that the semiconducting material received in the mold solidifies from a melt to the disk, characterized in that a device ( 10 ; 12 , 14 ) for producing an electrical and / or magnetic charge acting on the melt received in the mold ( 2 , 4 ) Field is provided. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrich­ tung durch längs des halbleitenden Materials (8) parallel zueinander verlaufende, elek­ trische Leiter (10) gebildet ist, die zumindest während der Anfangsphase des Erstarrens der in der Form (2, 4) aufgenommenen Schmelze gleichsinnig stromdurchflossen sind und dadurch ein die Schmelze beaufschlagendes, magnetisches Feld erzeugen.5. The device according to claim 4, characterized in that the Heizeinrich device by parallel to the semiconducting material ( 8 ) parallel to each other, electrical conductor ( 10 ) is formed, which at least during the initial phase of solidification in the form ( 2 , 4th ) received melt flow through in the same direction and thereby generate a magnetic field acting on the melt. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (12, 14) vorgesehen ist, zwischen dessen Platten die Schmelze angeordnet ist.6. The device according to claim 4, characterized in that a capacitor ( 12 , 14 ) is provided, between the plates of which the melt is arranged. 7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der der Schmelze zugewandten Oberfläche (18) der Form (2, 4) geriffelt ist.7. The device according to claim 4, characterized in that at least part of the surface facing the melt ( 18 ) of the mold ( 2 , 4 ) is corrugated. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Form ein Metallplättchen (6) eingelegt ist, das eine Kontaktierung und eine Tragstruktur für die er­ starrte Halbleiterscheibe bildet.8. The device according to claim 4, characterized in that in the form a metal plate ( 6 ) is inserted, which forms a contact and a support structure for which he stares semiconductor wafer.
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