用于由半導(dǎo)體材料制造晶體的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的主題是一種用于由半導(dǎo)體材料制造晶體的裝置和方法。該裝置包括一坩 堝和一感應(yīng)加熱線圈，該感應(yīng)加熱線圈設(shè)置用于使半導(dǎo)體材料的儲(chǔ)備量熔融和用于使半導(dǎo) 體材料構(gòu)成的熔液穩(wěn)定，該熔液覆蓋半導(dǎo)體材料構(gòu)成的正在生長(zhǎng)的晶體。
【背景技術(shù)】
[0002] 以晶體形式需要大量半導(dǎo)體材料、尤其是硅，以便由此來(lái)制造電子結(jié)構(gòu)元件或太 陽(yáng)能電池。這些晶體以單晶品質(zhì)或多晶品質(zhì)來(lái)提供并且具有圓形或矩形或正方形橫截面。 尤其在US2005/0188918A1中和在EP2692908A1中描述了如何能夠制造具有這樣的橫 截面的晶體，該橫截面不是圓形。
[0003] 為了以工業(yè)尺度制造具有圓形橫截面的單晶尤其使用CZ方法和FZ方法。在CZ 方法的情況下，單晶在種晶上懸掛地從熔液中拉出，該熔液包含在坩堝中。為了產(chǎn)生熔液， 用半導(dǎo)體材料構(gòu)成的碎片填充坩堝并且使碎片在使用布置在坩堝周?chē)碾娮杓訜嵫b置的 情況下熔融。
[0004] 在FZ方法中，在使用感應(yīng)加熱線圈的情況下，在種晶和儲(chǔ)備棒之間產(chǎn)生熔融的半 導(dǎo)體材料區(qū)段。所述感應(yīng)加熱線圈是具有線圈本體的扁平線圈，該線圈本體在中部?jī)?nèi)構(gòu)成 具有確定直徑的孔。在種晶和儲(chǔ)備棒下降時(shí)，熔融區(qū)段運(yùn)動(dòng)到儲(chǔ)備棒中，并且從儲(chǔ)備棒熔融 的半導(dǎo)體材料在種晶上結(jié)晶。首先可以讓頸部區(qū)段結(jié)晶，以便獲得無(wú)錯(cuò)位的半導(dǎo)體材料。接 下來(lái)，半導(dǎo)體材料構(gòu)成的單晶生長(zhǎng)成直徑增加的錐形區(qū)段并最后生長(zhǎng)成具有近似不變的直 徑的柱體區(qū)段。FZ方法的細(xì)節(jié)例如在EP2 679 706A1中描述。
[0005] 也存在這樣的方法的描述，這些方法類(lèi)似于FZ方法，但是不同的是：由半導(dǎo)體 材料構(gòu)成的顆粒代替固態(tài)棒被應(yīng)用作為儲(chǔ)備量。代替于這樣的方法例如可以提到US 5, 367, 981，其中描述了單晶體和多晶體的制造。迄今為止尚未成功的是將這些方法中的任 一個(gè)用在工業(yè)尺度上。對(duì)此的原因是控制熔液輸送出坩堝的困難性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的任務(wù)是提供修正方案并且提出一種裝置和一種方法，它們更多地具有潛 力能夠在工業(yè)尺度上被使用于從半導(dǎo)體材料制造晶體。
[0007] 該任務(wù)通過(guò)用于由半導(dǎo)體材料制造晶體的裝置來(lái)解決，其包括一坩堝和一感應(yīng)加 熱線圈，所述坩堝具有坩堝底和坩堝壁，其中，所述坩堝底具有上側(cè)和下側(cè)和多個(gè)貫通開(kāi) 口，所述多個(gè)貫通開(kāi)口布置在所述坩堝壁和坩堝底的中心之間，并且其中，在所述坩堝底的 所述上側(cè)和所述下側(cè)上有拱曲部，所述感應(yīng)加熱線圈布置在所述坩堝下面并設(shè)置用于使半 導(dǎo)體材料熔融和使半導(dǎo)體材料構(gòu)成的熔液穩(wěn)定，所述熔液覆蓋半導(dǎo)體材料構(gòu)成的正在生長(zhǎng) 的晶體。
[0008] 此外，該任務(wù)通過(guò)用于由半導(dǎo)體材料制造晶體的方法來(lái)解決，所述方法包括：提供 已提到的裝置；在所述坩堝底的所述上側(cè)上產(chǎn)生由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的儲(chǔ)備量的散裝部；在 使用所述感應(yīng)加熱線圈的情況下熔融所述散裝部的半導(dǎo)體材料并使熔融的半導(dǎo)體材料從 所述坩堝底的所述上側(cè)通過(guò)所述坩堝底中的所述貫通開(kāi)口導(dǎo)向所述坩堝底的所述下側(cè)并 在所述坩堝底下側(cè)上的所述拱曲部下面經(jīng)過(guò)地導(dǎo)引成這樣的熔液，該熔液覆蓋半導(dǎo)體材料 構(gòu)成的正在生長(zhǎng)的晶體并且是熔融區(qū)段的一個(gè)區(qū)域。
[0009] 該方法以如下方式設(shè)計(jì)，S卩，其特別類(lèi)似于FZ方法。由于與FZ方法不同所引起的 困難性因此是微不足道的。尤其地，坩堝的形狀和特性有助于此。因此，坩堝的組成部件不 伸入到感應(yīng)加熱線圈中部?jī)?nèi)的孔中并且不伸入到熔融區(qū)段的這樣的區(qū)域中，該區(qū)域處在感 應(yīng)加熱線圈之下并覆蓋正在生長(zhǎng)的晶體。來(lái)自所述儲(chǔ)備量的并且熔融的半導(dǎo)體材料以類(lèi)似 的方式流向相界，晶體在所述相界上生長(zhǎng)，就像當(dāng)儲(chǔ)備棒被用作儲(chǔ)備量時(shí)的情況那樣。此 外，所述儲(chǔ)備量以如下方式提供，即，抑制塵產(chǎn)生并避免搖動(dòng)熔融區(qū)段和避免被熔融的半導(dǎo) 體材料的噴射。所使用的坩堝可以重復(fù)使用，而不必事先耗費(fèi)地維修。
[0010] 尤其考慮硅或鍺或它們的混合物作為半導(dǎo)體材料。特別優(yōu)選的是硅作為半導(dǎo)體材 料。半導(dǎo)體材料優(yōu)選以顆粒形式或以碎片形式來(lái)使用或以顆粒和碎片混合物的形式使用。 所述顆粒優(yōu)選具有不小于〇. 2mm且不大于30mm的平均直徑。盡管如此，半導(dǎo)體材料的較小 的微粒、例如半導(dǎo)體材料塵也可以與顆?；蛩槠黄鹑廴?。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明制造的晶體優(yōu)選是單晶體或多晶晶體（多晶體）。特別優(yōu)選的是由硅 構(gòu)成的單晶體。根據(jù)本發(fā)明制造的晶體具有圓形或正方形或矩形的橫截面。橫截面的形狀 基本上與正在生長(zhǎng)的晶體轉(zhuǎn)動(dòng)還是不轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)。如果正在生長(zhǎng)的晶體就像在FZ方法中常 見(jiàn)那樣被轉(zhuǎn)動(dòng)，那么產(chǎn)生具有圓形橫截面的晶體，該晶體可以是單晶的或是多晶的。不發(fā)生 轉(zhuǎn)動(dòng)的話也可以制造具有矩形或正方形橫截面的晶體，例如其方式是，熔融的半導(dǎo)體材料 就像US2005/0188918A1或EP2692908A1中描述的那樣進(jìn)行結(jié)晶。
[0012] 所述坩堝具有帶優(yōu)選圓形周邊的坩堝底和限界該坩堝底的坩堝壁。所述坩堝底的 直徑優(yōu)選大于在感應(yīng)加熱線圈中部?jī)?nèi)的孔的直徑。在坩堝底中設(shè)置有多個(gè)貫通開(kāi)口。這些 貫通開(kāi)口具有優(yōu)選圓形的橫截面。這些貫通開(kāi)口可以豎直或傾斜地導(dǎo)向穿過(guò)所述坩堝底。 在傾斜導(dǎo)向的情況下，這樣的傾斜位置是優(yōu)選的，其中，貫通開(kāi)口的縱向軸線隨著與坩堝底 的距離增加向下具有相對(duì)于正在生長(zhǎng)的晶體的縱向軸線的增加的間距。如果這些貫通開(kāi)口 具有圓形橫截面，那么貫通開(kāi)口的直徑優(yōu)選不小于〇.5_且不大于15_、特別優(yōu)選不小于 2mm且不大于15mm〇
[0013] 坩堝底具有上側(cè)和下側(cè)并且在上側(cè)和下側(cè)上有多個(gè)拱曲部（高地）。這些拱曲部 是材料升高部，這些材料升高部在所述上側(cè)上向上伸出并且在所述下側(cè)上向下伸出。因?yàn)?這些拱曲部，坩堝的上側(cè)和下側(cè)不是平的，而是被結(jié)構(gòu)化。貫通開(kāi)口優(yōu)選處在這些拱曲部之 間。這些拱曲部?jī)?yōu)選沿著這樣的軌道延伸，這些軌道不交叉并且形成圓形或螺線形圖案。特 別優(yōu)選的是拱曲部沿著這樣的軌道，這些軌道形成多個(gè)圓的圖案，這些圓同中心地圍繞坩 堝底的中心。但是也合適的是這樣的軌道，這些軌道交叉并例如形成菱形或棋盤(pán)形的圖案。 還優(yōu)選的是：在沿著不交叉的軌道的相鄰拱曲部的中部之間存在這樣的間距，該間距優(yōu)選 不小于2mm且不大于15mm、特別優(yōu)選不小于3mm且不大于6mm。在一拱曲部的最高點(diǎn)與鄰 接的貫通開(kāi)口的邊緣之間的高度差優(yōu)選不小于〇. 1mm且不大于5mm、特別優(yōu)選不小于0. 5mm 且不大于3謹(jǐn)。
[0014] 在所述坩堝底的上側(cè)和下側(cè)上的外邊緣上的拱曲部與沿徑向更靠近坩堝底中心 的那些相應(yīng)拱曲部之間優(yōu)選存在落差。該落差具有優(yōu)選不小于Γ且不大于45°、特別優(yōu) 選不小于Γ且不大于5°的傾斜角度。
[0015] 優(yōu)選地，在所述坩堝底的所述下側(cè)上，在所述坩堝底的中心內(nèi)有一突出部，所述突 出部向下伸出并且處于所述感應(yīng)加熱線圈中部?jī)?nèi)的孔之上。突出部例如具有珠子形形狀。
[0016] 坩堝底的上側(cè)和下側(cè)和坩堝的優(yōu)選所有其余表面由一種陶瓷材料制成，該陶瓷材 料在與液態(tài)半導(dǎo)體材料接觸時(shí)是耐溫的并且所述液態(tài)半導(dǎo)體材料盡可能少地被雜物弄臟。 坩堝可以包括一基體，該基體以陶瓷材料覆層。坩堝也可以完全由所述陶瓷材料制成。用于 基體的可能的材料是不易斷裂的并且耐高溫的材料，這些材料可以以陶瓷材料覆層，例如 是金屬和碳。特別優(yōu)選的是由碳制成的基體。陶瓷材料優(yōu)選是這樣的材料，氧化鋁（Α1203)、 碳化硼（ΒΝ)、六硼化鑭（LaB6)、碳化硅（SiC)、氮化硅（Si3N4)、氧化釔（Υ203)、氧化鋯（Zr02) 或石英（Si02)。特別優(yōu)選的是碳化硅。
[0017] 隨后，本發(fā)明例如詳細(xì)描述由硅制造單晶體，其具有圓形橫截面。
[0018] 作為儲(chǔ)備量，硅以顆粒形式或以碎片形式使用或以顆粒和碎片混合物的形式使 用。顆粒尤其是由多晶硅構(gòu)成的粒，這些粒在一漩渦層中產(chǎn)生。所述顆粒優(yōu)選具有不小于 0.2mm且不大于30mm的平均直徑。碎片可以通過(guò)粉碎例如由多晶硅構(gòu)成的棒來(lái)獲得。所述 碎片優(yōu)選具有不小于〇. 2_且不大于30_的最大長(zhǎng)度伸長(zhǎng)。儲(chǔ)備量以坩堝中的散裝部的 形式提供。散裝部?jī)?yōu)選以另外的儲(chǔ)備量的量來(lái)補(bǔ)充。該補(bǔ)充的量?jī)?yōu)選相應(yīng)于這樣的量，這 些量由所述散裝部被熔融，以便維持單晶體的生長(zhǎng)。待補(bǔ)充的量?jī)?yōu)選以如下方式提供，即， 另外的儲(chǔ)備量可以補(bǔ)充滑動(dòng)至散裝部。儲(chǔ)備量和另外的儲(chǔ)備量可以除了硅之外也包含一種 或多種電活性的添加材料。
[0019] 本發(fā)明已發(fā)