專利名稱：制造單晶或多晶半導體材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及經(jīng)由定向凝間、尤其使用稱為垂直梯度冷凍法(在下文中稱為VGF法) 的方法來制造單晶或多晶材料的方法和裝置，并且具體來說，涉及制造用于光電應用的 多品硅的方法和裝置。
背景技水
一般來說，用于光電的太陽能電池可由單晶硅或多品硅制成。而高質量太陽能電池 則是由硅單晶體制成，其在技術上更為復雜且因此更為昂貴；不太昂貴的太陽能電池通 常是由多晶硅制成，其不太復雜且因此較具成本效益。岡此，具體來說，在多晶硅的制 造中，使成本降低且使技術復雜性降低的特征起到重要作用。
通常，用塊狀硅填充熔化坩堝。在這種情況下，在后續(xù)的熔化形成液體硅的過程中， 由于與先前存在的原料相比，熔融硅的密度顯著不同，因而發(fā)生相當大的體積收縮。因 此，在常規(guī)方法的情況下，僅可有效使用一小部分熔化坩堝體積。根據(jù)現(xiàn)有技術，已知 多種措施來補償所述體積收縮。
US 6,743,293 B2揭示一種制造多晶硅的方法，其中將具有相應輪廓的環(huán)形附件附接 于熔化坩堝的上緣，以便整體形成具有較大體積的容器構造。將硅原料引入所述容器構 造中。在將硅熔化后，將硅熔融物鎮(zhèn)入整個熔化坩堝，但未達到由環(huán)形附件所封閉的體 積。然而，所述容器構造需要具有較大體積、尤其較大高度的結晶系統(tǒng)；出于涉及能量 的原因，這是不合需要的。此外，難以提供尺寸合適的穩(wěn)定環(huán)形附件以供再使用。
作為上述方法的替代方法，已知在使用丘克拉斯基法(Czochralski method)操作的 結晶系統(tǒng)中，應連續(xù)或不連續(xù)地補充塊狀原材料以至少部分地補償由熔化坩堝中的原材 料熔化所引起的體積收縮。
EP 0 315 156 Bl揭示一種此類型的結晶系統(tǒng)，其中經(jīng)由供應管將結晶材料供應到熔
5化坩堝中。在供應管中提供橫截面縮窄或輪廓彎曲形式的減速構件，以便降低結晶材料 的下落速度。并未揭示主動預熱結晶材料。
EP 1 338 682 A2揭示一種使用丘克拉斯基法的結晶系統(tǒng)，其中結晶材料經(jīng)由傾斜管 滑入熔化坩堝中。JP 01-148780 A揭示一種相應的構造。然而，在這種情況下，須采取復 雜的措施以在無噴濺的情況下將結晶原材料引入熔化坩堝中。這是因為結晶系統(tǒng)中的熱 熔融物的噴濺會導致元件損壞并產(chǎn)生難以再去除的雜質。并未揭示主動預熱結晶材料。
US 2004/0226504 Al揭示一種復雜的翼板機構，其用于在將結晶材料倒入熔化坩堝 中的過程中，降低所述材料的下落速度。US 2006/0060133 Al揭不一種結晶系統(tǒng)，其中 結晶硅從垂宵管下落到熔化坩堝中。所述管的下端是由圓錐形切斷體(conical shut-off body)密封，所述切斷體賦予結晶材料以徑向移動分量。并未揭示主動預熱結晶材料。
上述機械解決方案的替代方式為適當選擇過程參數(shù)，以便部分地使熔融物表面在補 充結晶材料的時問點時凝間。這揭示于(例如)JP 11/236290 A或JP 62/260791 A中。然 而，熔融物表面在熔化坩堝中凝固會導致過程中不合需要的減速。
EP 1 337 697 Bl揭示一種使用丘克拉斯基法的結晶系統(tǒng)，其中僅將結晶硅沉積于仍 是固體硅的島狀物上。這些島狀物需借助視頻系統(tǒng)和復雜的影像評估來測定。為撞擊這 些島狀物，需以適當方式將用于輸送結晶硅的輸送構件移到熔化坩堝中，而這極為復雜。
在使用丘克拉斯基法操作的所有結晶系統(tǒng)中，熔化坩堝都是從底部加熱。在使用VGF 法制造結晶材料時，原材料是從上方熔化。
在上述方法的情況下， 一方面，首先經(jīng)由熱傳導和熱輻射，將用于加熱并熔化硅原 材料的能量引入熔化坩堝中，以便隨后能將其經(jīng)由熱傳導和輻射傳送到待熔化的材料。 另一方面，直接由加熱器經(jīng)由熱輻射來主要加熱待熔化材料的上部。熱量也是經(jīng)由熱傳 導和熱輻射輸送到填充有待熔化材料的熔化坩堝內(nèi)。在這種情況下'材料特性、導熱性 和熄滅起到重要作用。此外，由于熱傳導在界面處被阻止，因此傳熱特性是由原材料的 物理特性來決定。
為盡可能具成本效益和能量效益地操作，需要制造盡可能大的熔化坩堝體積，以便 也相應地獲得大的硅晶體。由于引入坩堝中的熱量受表面尺寸的限制，因此通過較長的 熔化時問來實現(xiàn)大的坩堝體積，這對于待熔化材料的熱吸收是有效的。由于坩堝材料無 法經(jīng)受高溫，并且待熔化的敏感材料無法在不與坩堝發(fā)生接觸反應的情況下經(jīng)歷高于熔 點的強烈過熱而保持不受損壞，故另一個限制是源于坩堝溫度的限制。
經(jīng)由引入交變電磁場可加熱吸收劑材料。在這種情況下，適當?shù)倪x擇頻率會允許適合所選擇的坩堝尺寸的穿透深度，從而也能加熱所述體積的待熔化材料。然而，在高溫 依賴性和熔化坩堝具有相對較高的高度的情況下，電磁加熱局限于接近表面的區(qū)域。
為了能更快地熔化原材料，根據(jù)現(xiàn)有技術已知在再裝填熔化柑堝的過程中，將原材 料預熱。
DE 32 17 414 C1揭示在再裝填玻璃冶煉廠的熔化槽的過程中預熱碎玻璃。這一 目的 是使用板式換熱器達到的，其中在各間隔中不斷補充碎玻璃。在操作過程中，將相同量 的碎玻璃供應到所述間隔中，并且在其下端通過振動(振蕩)輸送機來去除所述碎玻璃。 使在熔化過程中積聚的廢氣在約42(TC的溫度下通過板式換熱器，因此蓋將碎玻璃預熱 到約245r的溫度。板式換熱器的垂直移動性防止碎玻璃結塊，且也防止板式換熱器的 間隙橋接。然而，所述構造比較復雜。
DE42 13 481 Cl揭示一種相應的板式換熱器，其中T燥步驟是在預熱碎玻璃之前進 行。出于此3的，經(jīng)由單獨供應己冷卻的熱氣流中的熱加熱氣體，在待熔化材料的進料 區(qū)中的千燥區(qū)中蒸發(fā)待熔化材料中的水分。
根據(jù)美國專利4,353,726已知經(jīng)由換熱器管進行的相應預熱，其也用于玻璃制造過程 中粉末狀材料的再裝填。
JP07-277874A揭示在使用丘克拉斯基法制造單晶硅時液體硅的再裝填。為此，直接 在熔化坩堝上方借助熔化加熱器來熔化硅原材料桿。熔融的硅直接且連續(xù)地流入熔化坩 堝中。
JP 2006-188376 A揭示使用丘克拉斯基法來制造單晶材料，其中，由于桿狀多晶原材 料熔化而再裝填多晶原材料。為此，將桿狀原材料固持于固持體中且浸入熔化坩堝中的 原材料熔融物中。
JP 07-118089 A揭示一種使用丘克拉斯基法來制造硅單晶體的方法，其中將粒狀多晶 原材料經(jīng)由供應管引入熔化晶體中。為了防止在再裝填過程中形成SiO,將還原氣體(即， 氫氣或氫氣/插入氣體混合物)吹到硅熔融物的表面上。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供 一 種經(jīng)由定向凝固來制造單晶或多晶材料的方法，其使得能 在實質上無噴濺的情況下將固體、塊狀半導體原材料補充(添加)到熔化坩堝中'以便 至少部分地抵消熔化坩堝中半導體原材料熔化期間的體積收縮且獲得較高的坩堝填料料 位。優(yōu)選在此情況下獲得較短的熔化時間和較為均勻的加熱。
這一目的將通過具有根據(jù)權利要求1所述的特征的方法來實現(xiàn)。關于實施例的其它
7優(yōu)勢將形成附屬權利要求的標的內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明，在VGF法的情況下，將附加半導體原材料從上方補充到熔化坩堝中尚未熔化或未完全熔化的半導體原材料區(qū)上，從而至少部分地補償熔化坩堝中半導體材料的體積收縮。在根據(jù)本發(fā)明的方法的情況下，例如通過實質上延伸到熔化坩堝的整個橫截面上且布置于其上的上部加熱器，從上方加熱熔化柑堝中的半導體原材料。因此，熔化坩堝中的半導體原材料從上方熔化，以致未促進在上部坩堝區(qū)中形成島狀物。相反，在熔化坩堝上緣形成的熔融物向下滴，其中所述熔融物、尤其半導體原材料表面上的熔融物填入位于其下的半導體原材料中的間隔，或改變位于其下的半導體原材料的結構?？偟恼f來，即使在達到熔化溫度后，熔化坩堝中的半導體原材料的表面上也是固體比液體多，因此另外引入的塊狀或結晶平導體原材料不會或兒乎不會在熔化坩堝中引起任何噴濺。這一區(qū)域優(yōu)選延仲到熔化坩堝的整個橫截面上?？偟恼f來，本發(fā)明因此允許獲得較短的熔化時間和較為均勻的加熱。
根據(jù)另一實施例，在接收熔融物的坩堝外側，通過有目的地引入熱來將另外引入的半導體原材料加熱到低T所述半導體原材料的熔化溫度的溫度，且隨后將處于加熱狀態(tài)的所述材料引入容器中。本發(fā)明允許較為有效地控制熔化坩堝的溫度條件。這是因為，所引入的幾乎加熱到熔化溫度的半導體原材料隨后僅略微地影響熔化坩堝的溫度條件。因此，可利用任何所需的加熱方法，尤其包括從上方將電磁輻射引到熔融物上。同時，可以受控方式加熱所引入的半導體原材料，且這將進一步改進較為精確的過程參數(shù)定義。本發(fā)明允許獲得較為迅速的熔化，其中根據(jù)本發(fā)明，熔化坩堝是否含有已熔化或尚未熔化的平.導體材料并不重要。
根據(jù)另一實施例，便利地在將半導體原材料運送到熔化坩堝中的過程中，對所述材料加熱，但在熔化坩堝外側加熱。出于此R的，優(yōu)選使用輸送構件將待引入的半導體原材料移過熱源。因此，改變輸送速度和/或加熱強度會使得半導體原材料的加熱易于受到控制。
根據(jù)另 一 實施例，當有目的地將熱引入待引入的半導體原材料中是在容納熔化坩堝的熔化爐的熱絕緣內(nèi)側發(fā)生時，會損失較少能量。然而，原則上，熱引入也可在熱絕緣區(qū)中或其外側發(fā)生。
根據(jù)另一實施例，優(yōu)選在電磁輻射的作用下發(fā)生熱引入。為此，將待引入的原材料鋪平或將其以適當?shù)姆绞椒植?，以形成比較薄的半導體原材料層，其厚度允許足夠的電磁輻射作用。出于此目的，熱輻射或來自光輻射源、尤其激光或者微波輻射或高頻或中
8頻輻射的輻射可作用于待引入的半導體原材料。
根據(jù)另一實施例，為運送半導體材料，優(yōu)選利用設計成將固體、塊狀半導體原材料鋪平或分布所述原材料的輸送構件。出于此目的，尤其可利用振動(振蕩)輸送機，其具有預定寬度.目.經(jīng)配置以致能將半導體原材料鋪平，優(yōu)選鋪成單一層或雙層。
根據(jù)另一實施例，在通過輸送構件運送期間，在與輸送方向相對的方向上，使沖洗氣體掃過半導體原材料，以便使經(jīng)加熱的半導體原材料不含所吸附的H20等。所使用的沖洗氣體優(yōu)選為經(jīng)適當加熱的惰性氣體，諸如N2或Ar，其也可含有還原氣體，諸如氫氣。
根據(jù)另一實施例，最尤其優(yōu)選將半導體原材料不連續(xù)地引入坩堝中，或根據(jù)熔化坩堝的個別填料料位將其加熱并引入坩堝中。優(yōu)選將材料補充到熔化坩堝中，直到熔融物向上延伸到接近熔化坩堝的上緣。
本發(fā)明將在下文111以例示性方式且參考隨附圖式加以描述，其屮
圖1為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的結晶系統(tǒng)的示意性橫截面圖2a到2c繪示在根據(jù)圖1的熔化坩堝中熔化結晶半導體材料期間的三個不同階段；圖3為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于制造單晶或多晶硅的裝置的示意性截面圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于制造單晶或多晶硅的裝置的示意性截面圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明另'實施例的用于制造單晶或多晶硅的裝置的示意性截面圖；且圖6為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于制造單晶或多晶硅的裝置的示意性圖。
具體實施例方式
根據(jù)圖1，結晶系統(tǒng)(其整體是以參考數(shù)字1表示)包含石英坩堝3，所述石英坩堝是完全且以緊密鄰近的方式容納于向上開口的盒狀支撐系統(tǒng)4中，以便為已在硅的熔化溫度下軟化的石英坩堝3提供足夠的機械支撐。石英坩堝3向上達到支撐系統(tǒng)4的上緣，因此排除硅熔融物與石墨或其它污染材料的直接接觸。石英坩堝3為市面上有售的石英坩堝，其具有例如550 x 550 mm2、 720 x 720 mm2或880 x 880 mm2的底面積，且具有內(nèi)涂層作為坩堝Si02與硅之間的分隔層。上部加熱器5是提供于坩堝上方'其底面積大于或等于坩堝的底面積。在坩堝側面上布置有包圍所述坩堝的夾套加熱器6。在這種情況下，夾套加熱器6與坩堝壁之間的距離恒定越過坩堝的整個外圍。
坩堝下方布置有冷卻板8，冷卻劑可流過所述冷卻板。絕緣板或坩堝安裝板7是布置于坩堝與冷卻板8之間。在這種情況下，以使支撐坩堝的坩堝安裝板7與冷卻板8之間形成間隙的方式來配備上述坩堝的實際安裝。在VGF結晶方法的情況下，所有加熱器 5、 6都是溫度控制的。為此，通過高溫計在適當位置處檢測加熱器5、 6的表面溫度， 且將其輸入控制或調控施加于加熱器5、 6的屯壓的控制單元。更確切地說，在VGF法 的情況下，使用固定式坩堝來建立軸向溫度梯度。經(jīng)由加熱器溫度的電子變化，以使液 相與結晶析出的硅分離的相界從坩堝底部逐漸向坩堝上緣遷移的方式來移位溫度分布。 這使得液體硅定向凝固，從而形成多晶硅。在這種情況下，溫度控制以在熔化坩堝中形 成盡可能平坦的等溫線的方式發(fā)生。
在這種情況下，可配置夾套加熱器以建立(確立)從熔化坩堝上緣到下緣的溫度梯 度。為此，也可將夾套加熱器6分成兩個或兩個以上區(qū)段，其是以一個區(qū)段在另一個區(qū) 段上方的方式垂直布置且顯示從熔化坩堝上緣向下緣降低的加熱功率。布置于相同層面 上的區(qū)段導致形成平坦、水平的等溫線，且因此導致形成平坦、水平的相界。
柑堝優(yōu)選具有多邊形橫截面、尤其矩形或方形橫截面。這使得制造用于光電應用的 常規(guī)多邊形、尤其矩形或方形太陽能電池的損耗減到最小。
整個結品系統(tǒng)1是由優(yōu)選耐壓、氣密性外殼9包圍，由此使得能在內(nèi)部建立惰性或 還原保護氣體氛圍。
根據(jù)圖1，在結晶系統(tǒng)的側面，將補充固體硅的補充容器14耦接于結晶系統(tǒng)1。固 體硅為可傾倒(自由流動)的塊狀硅，其具有適當形狀和堆積密度。所述硅優(yōu)選為晶體 硅。在容器14的下端提供有補充漏斗13，其導向第二輸送構件，以便將硅材料從容器 14滑出并到達第二輸送構件12上。計量機構(例如翼板或閥門)是提供于漏斗13的下 端。第二輸送構件優(yōu)選完全位于結晶系統(tǒng)1的外側，尤其結晶系統(tǒng)的加熱R的外側。根 據(jù)圖1，第二輸送構件i2是與圖1的圖式平面平行地輸送半導體原材料。第一輸送構件 11緊接著第二輸送構件12。第一輸送構件11 (例如)的總長度的約1/3伸到結晶系統(tǒng)1 的加熱區(qū)中，且其前端大致最長伸到熔化坩堝的中心。
輸送構件11、 12為經(jīng)由熱穩(wěn)定的振動輸送機輸送半導體原材料的常規(guī)振動輸送機， 其例如是由碳化硅制成。根據(jù)本發(fā)明，已證實，使用諸如CFC或CSiC (碳纖維增強的 碳或碳化硅)等纖維復合陶瓷為用于振動輸送機的特別有益的材料。因此，結晶系統(tǒng)1 具有兩個獨立的輸送構件11、 12，其是以一個在另一個上方的方式經(jīng)布置'由此使由第 一輸送構件11輸送的半導體原材料能完全的排放到熔化坩堝中。可易于實現(xiàn)預定批料的 重復補充，并目.不會出現(xiàn)因預熱半導體原材料所引起的局部過熱而導致欲補充的半導體 原材料熔化且粘附于輸送構件11的振動槽上的風險(其將在下文中較為詳細地描述)。
10所屬領域的技術人員應易于了解，在根據(jù)本發(fā)明的結晶系統(tǒng)的情況下，也可利用對 熱足夠穩(wěn)定并且能夠將可傾倒或自由流動的半導體原材料輸送到熔化坩堝中的任何其它 所需的輸送構件。
可檢測所流出的半導體原材料的量的傳感器16是與補充容器14相連。此檢測尤其 可以機械方式、優(yōu)選通過檢測第一.輸送構件12的當前重量來進行，或可以聲學方式、光 學方式或以另一不接觸的方式進行。此外，溫度傳感器7是布置于熔化坩堝的上方，以 檢測坩堝填料10的表面溫度。傳感器17可為高溫計。目視檢查系統(tǒng)18也位于坩鍋上方， 其檢測或監(jiān)測、尤其借助攝影機(未繪示)來檢測或監(jiān)測坩堝填料10的整個表面，所述 攝影機的影像是在中央控制構件(CPU)中讀出且加以評估。為此，如下文中較為詳細 地描述，可利用適當?shù)挠跋裨u估算法。根據(jù)圖1，測量坩堝填料IO表而到傳感器19的 距離的距離傳感器19也是布置于坩堝的上方。優(yōu)選使用測量激光距離的器件來實現(xiàn)這一 冃的。因此，如果已知坩堝底部上方距離傳感器19的高度，那么能連續(xù)檢測熔化坩堝中 的當前填料料位。
整個結晶系統(tǒng)1是在中央開環(huán)和閉環(huán)控制構件(CPU)的控制下操作，所述CPU不 僅負責加熱器5、 6和冷卻板8的適當開環(huán)或閉環(huán)控制，而且還負責經(jīng)由計量分配來控制 補充容器14對硅半導體原材料的補充并控制輸送構件11、 12，并且還負責評估傳感器 16到19。
首先，將在下文中參考圖2a到2c來描述用于制造多晶硅的本發(fā)明VGF方法的原理。 根據(jù)圖2a，在過程開始時，利用適當硅原料20將熔化坩堝2填充到其上緣。為熔化硅， 結晶系統(tǒng)的上部加熱器從上方將硅原料加熱到高于硅的熔化溫度的溫度。此外，還可經(jīng) 由側面夾套加熱器6 (參看圖1)且適當時經(jīng)由底部加熱器來供應能量。因此'硅原料 20首先在熔化坩堝2的上緣處熔化。如箭頭所示，熔化的液體硅隨后經(jīng)由位于其下的硅 原料滴落或下滴。在下滴期間，位于其下的硅原料部分地熔化，以使所述硅原料的形狀 和堆積密度也因部分再凝固而改變。總的說來，如圖2b所示，這導致在坩堝填料的上緣 處形成稱為"殘渣帶"的區(qū)帶21。所述區(qū)帶21以一個或一個以上薄條帶的形式延伸越 過熔化坩堝2的整個橫截面，且其是由尚未熔化或未完全熔化的半導體原材料組成。在 此狀態(tài)下，熔化坩堝2中的坩堝填料已坍落或收縮一定距離；這可通過距離傳感器19檢 測到。還可借助目視檢査系統(tǒng)18和適當?shù)挠跋裨u估來辨識坍落。在所述過程中，溫度傳 感器17連續(xù)地檢測坩堝填料表面的溫度。具體來說，使用溫度傳感器17來檢測坩堝填 料的表而溫度是否達到或超過平.導體原材料的熔化溫度，且檢測坩堝填料的表而溫度達
11到或超過半導體原材料的熔化溫度的時間點。如下文中較為詳細地描述，在通過傳感器 17到19檢測到殘渣帶21適當形成的情況下，中央控制構件引發(fā)硅原材料20的補充。 如上文所述，出于此目的的引發(fā)為補充容器14 (參看圖1)中硅原材料的流出和輸送構 件12、 11的啟動。實際饋送入熔化坩堝2中的硅原材料20的量是借助于與補充容器14 相連的輸送傳感器16來檢測。中央控制構件確保不添加或補充過多的硅原材料20，尤 其確保所述硅原材料不會突出于熔化坩堝2的上緣。如下文中較為詳細地描述，硅原材 料20的補充(添加)可連續(xù)發(fā)生或在多個時間延遲的過程步驟中發(fā)生。在這種情況下， 如下文將參考圖3到6較為詳細地描述，輸送傳感器16可與阻塞元件(未繪示)(例如 阻塞滑塊)相互作用，且/或阻塞元件(未繪示)的位置可受中央CPU 1控制，以便選擇 性地阻塞或控制半導體原材料至輸送構件12的流入。
最終獲得圖2c的狀態(tài)，其中硅熔融物22正好填充到熔化坩堝2的上緣。在這種狀 態(tài)下，使用已知VGF法使硅熔融物22發(fā)生進一步冷卻和凝固以形成多晶硅。在所述過 程后，留下硅錠，其橫截面與熔化坩堝2的橫截面對應。為了使光屯元件制造過程中的 損耗減到最小，根據(jù)本發(fā)明，熔化坩堝2為多邊形，尤其矩形或方形。
下文將參考圖3到6來描述根據(jù)本發(fā)明的結晶系統(tǒng)的其它優(yōu)選實施例。原則上，所 述結晶系統(tǒng)具冇與根據(jù)第 一 實施例相同的構造。因此，將在下文中提供艽與根據(jù)第 一 實 施例的結晶系統(tǒng)的主要差異，其中應特別注意，如本文件中所描述和揭示的各個實施例 的特征原則上可以任何需要的方式相互組合。
根據(jù)圖3，輸送構件32穿過熱絕緣36伸到熔化爐內(nèi)部，以便將待補充的固體、塊 狀半導體原材料33從供應和計量容器31的下端輸送到熔化坩堝38中。根據(jù)下文所述的 實施例，在將固體、塊狀原材料33由供應和計量容器31運送到熔化坩堝38中的過程中， 通過有目的地引入熱來將所述原材料加熱到低于所述原材料的熔化溫度的溫度。隨后， 經(jīng)加熱的原材料從輸送構件32的前端遵循重力落入熔化坩堝38中。經(jīng)加熱的原材料的 溫度一方面應盡可能小地低于實際熔化溫度，以便盡可能小地影響熔化坩堝38和熱絕緣 36內(nèi)的熱條件，而另一方面，通過以不會出現(xiàn)原材料33不合需要地粘著或粘附于輸送 構件32上的方式(總的來說，無論如何不會達到干擾所述過程的程度)控制與輸送構件 32相連的加熱構件的加熱功率，來確定所述溫度。
根據(jù)圖3，利用管式爐來加熱原材料33,所述管式爐是由布置于熱絕緣36區(qū)中且包 圍輸送構件32某部分的加熱元件34形成。由振動器和振動槽的組合構成的輸送構件32 包含振動槽32。用于振動槽的特別有益的材料也為CFC或碳化硅(SiC)。也是在這種情況下，已證實，使用諸如CFC或CSiC (碳纖維增強的碳或碳化硅)等纖維復合陶瓷為 用于所述槽的特別有益的材料(如上文關于第一實施例所述)。同時，振動槽將待引入的 原材料鋪平，以便能在管式爐34的區(qū)域中將熱引入己經(jīng)鋪平的原材料中。在這種情況下， 優(yōu)選將所輸送的原材料鋪平為單一層或雙層，所述單一層或雙層的厚度優(yōu)選小于電磁輻 射穿透待引入的原材料的深度。根據(jù)圖3，在加熱構件34后，沖洗氣體43沿逆流方向 掃過振動槽32上所運送的固體、塊狀原材料，以便使經(jīng)預熱的原材料不含所吸附的H20 和其它殘余氣體。在這種情況下，沖洗氣體43也可含有還原氣體，例如適當濃度的氫氣。
在根據(jù)圖4的例示性實施例的情況下，通過利用C02激光朿IO的照射引入熱(結晶 系統(tǒng)的構造另外相同)，所述射束經(jīng)由窗口 41和光束導向器耦接到輸送構件32中。適當 的成像光學確保激光束適當擴展或成像于在輸送構件32上鋪平的原材料上。輸送構件 32是由振動器和振動槽構成并且能在水平方向上移位。
在根據(jù)圖5的實施例的情況下，經(jīng)由波導管41，通過由磁控管42產(chǎn)牛的與通過輸 送構件32輸送的原材料耦接的微波輻射引入熱，結晶系統(tǒng)的構造另外相同。
在第四實施例的變體的情況下，如圖6所示，可在引入原材料的過程中，通過輸送 構件32的水平移位來縮短熔化坩堝8的中心與輸送構件輸送構件32的前端之間的距離， 結晶系統(tǒng)的構造另外相同。這冇效地防止噴濺和對于熔化坩堝3 8的內(nèi)涂S的機械損壞。 根據(jù)圖6，引入熱以便經(jīng)由上部加熱器預熱另外引入的原材料。
由于沖洗氣體43的導向與待補充的原材料相反(所述導向也可視情況再次接入和關 斷)，因此在低輸送流量或最大加熱功率的情況下，可省卻額外加熱一段時間。
所屬領域的技術人員應易于了解，在根據(jù)本發(fā)明的結晶系統(tǒng)的情況下，也可利用對 熱足夠穩(wěn)定并且能將可傾倒或自由流動的原材料輸送到熔化坩堝中的任何其它所需的輸 送構件。在這種情況下，優(yōu)選為具有低電導率并且不會污染硅的材料，例如，氮化硅 (Si3N4)、碳化硅(SiC)或上述纖維復合陶瓷，諸如CFC或CSiC (碳纖維增強的碳或碳 化硅)。
如上文所述，為了輸送半導體原材料，優(yōu)選利用相繼串聯(lián)布置的兩個振動槽(如上 文參照圖1所述)。所述串聯(lián)布置具有的優(yōu)勢為首先可關斷上游振動器，以便在需要中 斷原材料饋料時，所述原材料僅靠第一振動槽維持。在中斷原材料饋料的情況下，第二 振動槽接著持續(xù)運轉，直到再無任何原材料位于下游第二振動槽中為止。其次，可將第 二振動槽抽出，具體來說，將其從結晶系統(tǒng)的熱絕緣中完全取出。根據(jù)使設備成本進一 步降低的另一優(yōu)選實施例，使兩個振動槽振動的共用振動器在這種情況下與第一和第二
13振動槽相連。為了中斷原材料饋料，利用阻塞元件44，例如阻塞滑塊等，其與計量和供 應容器31相連且選擇性地阻塞其出口；且隨后使所述共用振動器運轉直到兩個振動槽都 完全倒空為止。
在根據(jù)圖3到6的實施例的情況下，振動槽的前部伸入上部加熱器與熔融物表面之 間的部分中，且原材料原料可位于其上，并且以此方式使其暴露于比較強烈的熱輻射。 為避免振動槽具冇過強的熱負荷，可將振動槽或在具有相繼串聯(lián)布置的兩個振動槽的實 施例的情況下可將下游振動槽以可移位方式布置，以便能以此方式將其從結晶系統(tǒng)中完 全取出。因此，包含供應和計量容器31和輸送構件32的完整單元或僅其組件隨后可用 丁-具有類似構造的相鄰結晶系統(tǒng)中。因此，本發(fā)明另一方面涉及一種經(jīng)由半導體原材料 熔融物的定向凝固來制造單晶或多晶半導體材料的裝置，其中所述裝置包含至少兩個結 晶系統(tǒng)(如上文所述)，以及僅一個包含供應和計量容器和輸送構件的單元。當然，也可 以將至少兩個結晶系統(tǒng)與至少兩個輸送構件及僅一個供應和計量容器組合，或者將至少 兩個結晶系統(tǒng)與至少兩個供應和計量容器以及僅一個輸送構件組合。
下文將根據(jù)優(yōu)選的例示性實施例較為詳細地描述根據(jù)圖1和3到6的結晶系統(tǒng)的操作。
例示性實施例1
借助溫度傳感器連續(xù)檢測熔化坩堝中硅原料的表面溫度。因此，可能確定已達到硅 的熔化溫度以及何時達到硅的熔化溫度。視用于加熱熔化坩堝的加熱功率而定，硅原料 會較快或較慢地坍落。在這種情況下，硅原料是從表面熔化。在達到硅的熔化溫度后一 段預定時間，借助輸送構件將附加硅原材料引入熔化坩堝中。在這種情況下'依據(jù)實際 加熱功率，以適當方式調節(jié)輸送速率。借助傳感器來檢測實際引入熔化坩堝中的硅原材 料的量。硅原料在熔化坩堝中連續(xù)坍落。在各情況下，根據(jù)實際加熱功率'可連續(xù)或以 預定間隔及計量的量引入附加硅原材料。通過有目的地引入熱來將附加硅原材料加熱到 恰低于硅的熔化溫度的溫度，以致熔化坩堝中的熔融物僅略微冷卻，并且能迅速恢復規(guī) 定的操作溫度。
例示性實施例2
借助溫度傳感器連續(xù)檢測熔化坩堝中硅原料的表面溫度。中央控制構件先前已檢測 己引入熔化坩堝中的硅原料的量?；蛘?，可將此量輸入中央控制構件中。依據(jù)當前加熱 功率和目前位于熔化坩堝中的原材料的量，將預定量的附加原材料補充到熔化坩堝中。
所述補充可連續(xù)發(fā)生或在多個時間延遲的步驟中發(fā)生，在每一所述步驟時，引入預定量的附加原材料。通過有目的地引入熱來將附加硅原材料加熱到恰低于硅的熔化溫度的溫 度，以致熔化坩堝中的熔融物僅略微冷卻，并且能迅速恢復規(guī)定的操作溫度。 例示性實施例3
使用傳感器連續(xù)檢測坩堝填料的表面溫度，且因此測定達到硅的熔化溫度的時間點。 在達到熔化點后的預定時間時，依據(jù)實際加熱功率，將預定量的附加原材料補充到熔化 坩堝中。在預定時間間隔后，根據(jù)當前加熱功率重復此步驟，直到達到熔化坩堝的預定 填料料位。通過有目的地引入熱米將附加硅原材料加熱到恰低于硅的熔化溫度的溫度， 以致熔化坩堝中的熔融物僅略微冷卻，且能迅速恢復規(guī)定的操作溫度。
例示性實施例4
借助溫度傳感器連續(xù)監(jiān)測坩堝填料的表面溫度。此外，借助目視檢查系統(tǒng)和/或距離 傳感器連續(xù)監(jiān)測熔化坩堝的填料料位。在由硅原料的體積收縮所引起的填料料位下降預 定高度后，將預定量的附加原材料補充到熔化坩堝中。當補充后，熔化坩堝的填料料位 再下降第二預定高度時，重復此步驟。由于熔化坩堝的填料增加，因此使得個別補充步 驟之間填料料位下降的高度有所降低?；蛘撸部稍谌刍釄宓念A定填料料位未達預定 點時，引發(fā)原材料的補充，以此替代以不連續(xù)的預定步驟操作。通過有目的地引入熱來 將附加硅原材料加熱到恰低于硅的熔化溫度的溫度，以致熔化坩堝中的熔融物僅略微冷 卻，且能迅速恢復規(guī)定的操作溫度。
指定硅的熔點在極為狹窄的限定的溫度范圍內(nèi)。然而，其它材料的相圖可在熔點范 圍內(nèi)明顯不同。因此，目視檢査系統(tǒng)也可提供有關坩堝填料組成和稱為"殘渣帶"的區(qū) 帶的存在的進一步信息。具體來說，可以與EP 1 337 697 B1中所揭示的方式類似的方式 進行目視檢查系統(tǒng)的影像評估，所述專利的完整內(nèi)容是以引用的方式明確地包括在本文 中以達到揭示的冃的。也可特別援引所述影像評估以確定尚未熔化的坩堝填料的表面區(qū) 域。
根據(jù)另一實施例，也可通過調節(jié)第一輸送構件的前端(尤其包括根據(jù)目視檢查系統(tǒng) 的信息的評估)來改變由第一輸送構件所引入的平.導體原材料進入熔化坩堝的位置。根 據(jù)另一實施例，還可將第一輸送構件的前端前后移動，以便使將原材料引入熔化坩堝中
并越過坩堝填料的整個表面合乎標準。所屬領域的技術人員應易于了解，根據(jù)本發(fā)明的 方法不僅適于使用VGF法制造多晶硅，而且還適于制造任何所需單晶體、尤其氟化鍺和 氟化鈣單晶體。 參考數(shù)字列表1結晶系統(tǒng)
2熔化柑堝(通用名)
3石英柑堝
4坩堝支撐系統(tǒng)
上部加熱器
6夾套加熱器
7塒堝安裝板
8冷卻板
9外殼
10坩堝填料
11第一輸送構件
12第二輸送構件
13補充漏斗
14補充容器
15凸緣
16用于感測待輸送的產(chǎn)物的傳感器
17高溫計/溫度傳感器
18目視檢查系統(tǒng)
19距離傳感器
20塊狀硅/原材料
21"殘渣帶"/包含部分熔融的材料的區(qū)帶
22熔融物
31供應容器
32輸送構件
33粒狀原材料
34加熱元件
35熔融物或[司體原材料
36熱絕緣
37a上部加熱器
37b夾套加熱器38 熔化坩堝
39 冷卻板
40 激光束
41 激光束的導通/波導管
42 磁控管
43 沖洗氣體。
權利要求
1. 一種使用垂直梯度冷凍法來制造單晶或多晶半導體材料的方法，其中將塊狀半導體原材料(20)引入熔化坩堝(2；38)中且使其在所述坩堝中熔化，并定向凝固，在所述方法中，溫度分布是由所述熔化坩堝(2；38)的上端到底部來建立，所述溫度分布以使分開液相與結晶析出材料的相界從所述熔化坩堝的底部開始逐漸向所述熔化坩堝的上端遷移的方式軸向移位，在所述方法中，從所述熔化坩堝的上端熔化所述半導體原材料(20)，使得熔融材料向下滴且尚未熔化的半導體原材料(20)在所述熔化坩堝(2；38)中逐漸坍落；且將附加半導體原材料(20)從上方補充到所述熔化坩堝中尚未熔化或未完全熔化的半導體原材料區(qū)(21)上，以便至少部分地補償所述半導體原材料的體積收縮。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中通過有目的地引入熱來將待補充的所述半導體原 材料加熱到低于所述半導體原材料的熔化溫度的溫度，并且將處于加熱狀態(tài)的所述 半導體原材料引入所述容器中。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述有目的地引入熱是在容納所述熔化坩堝(38) 的熔化爐的熱絕緣(36)內(nèi)側發(fā)生。
4. 根據(jù)權利耍求3所述的方法，其中所述有目的地引入熱是在電磁輻射作用下發(fā)生。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述電磁輻射通過使熱輻射或來自光輻射源(40)、尤其激光的輻射成像，或通過將微波輻射或高頻或中頻輻射施用到所述半導體原材 料(33)上以便加熱所述材料而選擇性地起作用。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述固體、塊狀半導體原材料(33)在運送過程 中經(jīng)輸送構件(32)鋪平，且所述有目的地引入熱是在所述已經(jīng)鋪平的半導體原材 料中發(fā)生。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述固體、塊狀半導體原材料是在運送過程中鋪 平，以形成單層或雙層，優(yōu)選形成單層。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中所述輸送構件(32)將所述半導體原材料(33) 從半導體原材料供應和計量容器(31)的下端輸送到容納所述熔化坩堝(2; 38) 的熔化爐中。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其中在引入所述半導體原材料(33)之前，使所述輸 送構件(32)的前端移過所述熔化爐的熱絕緣(36)，從而移入所述熔化爐的內(nèi)部。
10. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中在通過所述輸送構件(32)運送的過程中，沖洗氣體(43)沿相對方向掃過所述半導體原材料(33)，以除去所述經(jīng)加熱的半導體 原材料所吸附的H20。
11. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其中在引入所述半導體原材料時，通過所述輸送構件 (32)的水平移位將所述輸送構件(32)的前端移向所述熔化坩堝(2; 38)的中心， 以使所述半導體原材料經(jīng)上部加熱器預熱。
12. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中從所述熔化坩堝(2; 38)的上端熔化其中的所 述半導體原材料以使區(qū)帶(21)以尚未熔化或未完全熔化的半導體原材料條帶形式 延伸越過所述熔化坩堝(2; 38)的整個橫截面。
13. 根據(jù)權利耍求1所述的方法，其中連續(xù)檢測所述熔化坩堝(2: 38)中的所述半導 體原材料(20)的表而溫度，且依據(jù)所檢測的表而溫度引入所述附加半導體原材料。
14. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中在達到所述半導體原材料的熔化溫度后預定時 間段后或立即以與加熱所述熔化柑堝的加熱功率相對應的速率將所述附加半導體 原材料連續(xù)引入所述熔化坩堝中。
15. 根據(jù)權利耍求13所述的方法，其中依據(jù)加熱所述熔化坩堝的加熱功率和當前位于 所述熔化坩堝中的十.導體原材料的量，將預定量的所述附加半導體原材料補 充到所 述熔化坩堝中。
16. 根據(jù)權利要求13所述的方法，其中根據(jù)所述熔化坩堝(2; 38)中的所述半導體原 材料(20)的所檢測的表面溫度，測定已達到所述半導體原材料的熔化溫度的時間 點，且其中在所述時間點后預定時間段后，依據(jù)所述加熱功率，將預定量的所述附 加半導體原材料補充到所述熔化坩堝中。
17. 根據(jù)權利要求1所述的方法'其中連續(xù)監(jiān)測所述熔化坩堝(2: 38)的填料料位， 且在所述填料料位降低視所述當前填料料位而定的預定高度后，將預定量的所述附 加半導體原材料補充到所述熔化坩堝中。
18. 根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述填料料位是通過距離測量、尤其激光距離 測量來監(jiān)測。
19. 根據(jù)權利要求15所述的方法，其中重復所述補充步驟，直到所述熔化坩堝(2; 38) 經(jīng)熔融物填充到接近其上緣。
20. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述附加半導體原材料經(jīng)均質化或鋪平，以在補 充期間在所述熔化坩堝的橫截面上形成一層具有均勻厚度的層。
21. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其中所述附加半導體原材料是借助至少兩個輸送構件(11、 12)引入，其中一個輸送構件(12)位于加熱區(qū)上游且在其外側，且另一輸送構件布置于所述一個輸送構件的下游且至少部分在所述加熱區(qū)內(nèi)。
22. 根據(jù)權利要求l所述的方法，其中附加半導體原材料是借助一個具有振動構件的輸送構件而引入，其中在補充所述附加半導體原材料時，釋放半導體原材料從供應容器的流出且啟動所述振動構件，并使所述振動構件在所述半導體原材料從所述供應容器的流出完成后繼續(xù)運轉至少一段預定時間，以使所述輸送構件的至少輸送槽完全不含所述半導體原材料。
23. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中連續(xù)監(jiān)測所述熔化坩堝(2; 38)的填料料位且在過度填充所述熔化坩堝之前中斷所述附加半導體原材料的補充。
24. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述半導體原材料為固體、塊狀硅，尤其是可傾倒或自由流動的多晶硅，所述半導體原材料(33)經(jīng)不連續(xù)加熱且引入所述容器中。
25. —種使用根據(jù)權利要求1至24中任一權利要求所述的方法結晶的硅的用途'其用于光電應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種經(jīng)由定向凝固、具體來說使用垂直梯度冷凍法來制造單晶或多晶半導體材料的方法，其中將塊狀半導體原材料引入熔化坩堝中并且使其在所述坩堝中熔化，且定向凝固。為防止污染和損壞，從熔化坩堝的上端熔化半導體原材料。熔融材料向下滴，使得尚未熔化的半導體原材料在熔化坩堝中逐漸坍落。在這種情況下，將附加的半導體原材料從上方補充到熔化坩堝中尚未熔化或未完全熔化的半導體原材料區(qū)上，從而至少部分地補償所述半導體原材料的體積收縮并增加坩堝的填料料位。為減少熔化時間且盡可能少地影響系統(tǒng)中的熱條件，通過有目的地引入熱來將欲補充的半導體原材料加熱到低于所述半導體原材料的熔化溫度的溫度，且將處于加熱狀態(tài)的所述原材料引入容器中。
文檔編號C30B11/00GK101463497SQ200810184099
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權日2007年12月19日
發(fā)明者烏韋·薩赫爾, 弗蘭克·比勒斯費爾德, 弗蘭克-托馬斯·倫特斯, 英戈·施維利希, 馬蒂亞斯·米勒 申請人:史考特公司