CN101463497A - 制造单晶或多晶半导体材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经由定向凝固、具体来说使用垂直梯度冷冻法来制造单晶或多晶半导体材料的方法，其中将块状半导体原材料引入熔化坩埚中并且使其在所述坩埚中熔化，且定向凝固。为防止污染和损坏，从熔化坩埚的上端熔化半导体原材料。熔融材料向下滴，使得尚未熔化的半导体原材料在熔化坩埚中逐渐坍落。在这种情况下，将附加的半导体原材料从上方补充到熔化坩埚中尚未熔化或未完全熔化的半导体原材料区上，从而至少部分地补偿所述半导体原材料的体积收缩并增加坩埚的填料料位。为减少熔化时间且尽可能少地影响系统中的热条件，通过有目的地引入热来将欲补充的半导体原材料加热到低于所述半导体原材料的熔化温度的温度，且将处于加热状态的所述原材料引入容器中。

Description

制造单晶或多晶半导体材料的方法

本申请案主张2007年12月19日申请的德国专利申请案第10 2007 061 704.8号“制造单晶或多晶材料的方法(Method for Producing a Monocrystalline or PolycrystallineMaterial)”以及2008年5月8日申请的德国专利申请案第10 2008 022 882.6号“使半导体材料、尤其硅结晶的方法(Method for Crystallization of a Semiconductor Material，inparticular of Silicon)”的优先权，所述专利的完整内容是以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及经由定向凝固、尤其使用称为垂直梯度冷冻法(在下文中称为VGF法)的方法来制造单晶或多晶材料的方法和装置，并且具体来说，涉及制造用于光电应用的多晶硅的方法和装置。

背景技术

一般来说，用于光电的太阳能电池可由单晶硅或多晶硅制成。而高质量太阳能电池则是由硅单晶体制成，其在技术上更为复杂且因此更为昂贵；不太昂贵的太阳能电池通常是由多晶硅制成，其不太复杂且因此较具成本效益。因此，具体来说，在多晶硅的制造中，使成本降低且使技术复杂性降低的特征起到重要作用。

通常，用块状硅填充熔化坩埚。在这种情况下，在后续的熔化形成液体硅的过程中，由于与先前存在的原料相比，熔融硅的密度显著不同，因而发生相当大的体积收缩。因此，在常规方法的情况下，仅可有效使用一小部分熔化坩埚体积。根据现有技术，已知多种措施来补偿所述体积收缩。

US 6,743,293 B2揭示一种制造多晶硅的方法，其中将具有相应轮廓的环形附件附接于熔化坩埚的上缘，以便整体形成具有较大体积的容器构造。将硅原料引入所述容器构造中。在将硅熔化后，将硅熔融物填入整个熔化坩埚，但未达到由环形附件所封闭的体积。然而，所述容器构造需要具有较大体积、尤其较大高度的结晶系统；出于涉及能量的原因，这是不合需要的。此外，难以提供尺寸合适的稳定环形附件以供再使用。

作为上述方法的替代方法，已知在使用丘克拉斯基法(Czochralski method)操作的结晶系统中，应连续或不连续地补充块状原材料以至少部分地补偿由熔化坩埚中的原材料熔化所引起的体积收缩。

EP 0 315 156 B1揭示一种此类型的结晶系统，其中经由供应管将结晶材料供应到熔化坩埚中。在供应管中提供横截面缩窄或轮廓弯曲形式的减速构件，以便降低结晶材料的下落速度。并未揭示主动预热结晶材料。

EP 1 338 682 A2揭示一种使用丘克拉斯基法的结晶系统，其中结晶材料经由倾斜管滑入熔化坩埚中。JP 01-148780 A揭示一种相应的构造。然而，在这种情况下，须采取复杂的措施以在无喷溅的情况下将结晶原材料引入熔化坩埚中。这是因为结晶系统中的热熔融物的喷溅会导致元件损坏并产生难以再去除的杂质。并未揭示主动预热结晶材料。

US 2004/0226504 A1揭示一种复杂的翼板机构，其用于在将结晶材料倒入熔化坩埚中的过程中，降低所述材料的下落速度。US 2006/0060133 A1揭示一种结晶系统，其中结晶硅从垂直管下落到熔化坩埚中。所述管的下端是由圆锥形切断体(conical shut-offbody)密封，所述切断体赋予结晶材料以径向移动分量。并未揭示主动预热结晶材料。

上述机械解决方案的替代方式为适当选择过程参数，以便部分地使熔融物表面在补充结晶材料的时间点时凝固。这揭示于(例如)JP 11/236290 A或JP 62/260791 A中。然而，熔融物表面在熔化坩埚中凝固会导致过程中不合需要的减速。

EP 1 337 697 B1揭示一种使用丘克拉斯基法的结晶系统，其中仅将结晶硅沉积于仍是固体硅的岛状物上。这些岛状物需借助视频系统和复杂的影像评估来测定。为撞击这些岛状物，需以适当方式将用于输送结晶硅的输送构件移到熔化坩埚中，而这极为复杂。

在使用丘克拉斯基法操作的所有结晶系统中，熔化坩埚都是从底部加热。在使用VGF法制造结晶材料时，原材料是从上方熔化。

在上述方法的情况下，一方面，首先经由热传导和热辐射，将用于加热并熔化硅原材料的能量引入熔化坩埚中，以便随后能将其经由热传导和辐射传送到待熔化的材料。另一方面，直接由加热器经由热辐射来主要加热待熔化材料的上部。热量也是经由热传导和热辐射输送到填充有待熔化材料的熔化坩埚内。在这种情况下，材料特性、导热性和熄灭起到重要作用。此外，由于热传导在界面处被阻止，因此传热特性是由原材料的物理特性来决定。

为尽可能具成本效益和能量效益地操作，需要制造尽可能大的熔化坩埚体积，以便也相应地获得大的硅晶体。由于引入坩埚中的热量受表面尺寸的限制，因此通过较长的熔化时间来实现大的坩埚体积，这对于待熔化材料的热吸收是有效的。由于坩埚材料无法经受高温，并且待熔化的敏感材料无法在不与坩埚发生接触反应的情况下经历高于熔点的强烈过热而保持不受损坏，故另一个限制是源于坩埚温度的限制。

经由引入交变电磁场可加热吸收剂材料。在这种情况下，适当的选择频率会允许适合所选择的坩埚尺寸的穿透深度，从而也能加热所述体积的待熔化材料。然而，在高温依赖性和熔化坩埚具有相对较高的高度的情况下，电磁加热局限于接近表面的区域。

为了能更快地熔化原材料，根据现有技术已知在再装填熔化坩埚的过程中，将原材料预热。

DE 32 17 414 C1揭示在再装填玻璃冶炼厂的熔化槽的过程中预热碎玻璃。这一目的是使用板式换热器达到的，其中在各间隔中不断补充碎玻璃。在操作过程中，将相同量的碎玻璃供应到所述间隔中，并且在其下端通过振动(振荡)输送机来去除所述碎玻璃。使在熔化过程中积聚的废气在约420℃的温度下通过板式换热器，因此需将碎玻璃预热到约245℃的温度。板式换热器的垂直移动性防止碎玻璃结块，且也防止板式换热器的间隙桥接。然而，所述构造比较复杂。

DE 42 13 481 C1揭示一种相应的板式换热器，其中干燥步骤是在预热碎玻璃之前进行。出于此目的，经由单独供应已冷却的热气流中的热加热气体，在待熔化材料的进料区中的干燥区中蒸发待熔化材料中的水分。

根据美国专利4,353,726已知经由换热器管进行的相应预热，其也用于玻璃制造过程中粉末状材料的再装填。

JP 07-277874 A揭示在使用丘克拉斯基法制造单晶硅时液体硅的再装填。为此，直接在熔化坩埚上方借助熔化加热器来熔化硅原材料杆。熔融的硅直接且连续地流入熔化坩埚中。

JP 2006-188376 A揭示使用丘克拉斯基法来制造单晶材料，其中，由于杆状多晶原材料熔化而再装填多晶原材料。为此，将杆状原材料固持于固持体中且浸入熔化坩埚中的原材料熔融物中。

JP 07-118089 A揭示一种使用丘克拉斯基法来制造硅单晶体的方法，其中将粒状多晶原材料经由供应管引入熔化晶体中。为了防止在再装填过程中形成SiO，将还原气体(即，氢气或氢气/插入气体混合物)吹到硅熔融物的表面上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种经由定向凝固来制造单晶或多晶材料的方法，其使得能在实质上无喷溅的情况下将固体、块状半导体原材料补充(添加)到熔化坩埚中，以便至少部分地抵消熔化坩埚中半导体原材料熔化期间的体积收缩且获得较高的坩埚填料料位。优选在此情况下获得较短的熔化时间和较为均匀的加热。

这一目的将通过具有根据权利要求1所述的特征的方法来实现。关于实施例的其它优势将形成附属权利要求的标的内容。

根据本发明，在VGF法的情况下，将附加半导体原材料从上方补充到熔化坩埚中尚未熔化或未完全熔化的半导体原材料区上，从而至少部分地补偿熔化坩埚中半导体材料的体积收缩。在根据本发明的方法的情况下，例如通过实质上延伸到熔化坩埚的整个横截面上且布置于其上的上部加热器，从上方加热熔化坩埚中的半导体原材料。因此，熔化坩埚中的半导体原材料从上方熔化，以致未促进在上部坩埚区中形成岛状物。相反，在熔化坩埚上缘形成的熔融物向下滴，其中所述熔融物、尤其半导体原材料表面上的熔融物填入位于其下的半导体原材料中的间隔，或改变位于其下的半导体原材料的结构。总的说来，即使在达到熔化温度后，熔化坩埚中的半导体原材料的表面上也是固体比液体多，因此另外引入的块状或结晶半导体原材料不会或几乎不会在熔化坩埚中引起任何喷溅。这一区域优选延伸到熔化坩埚的整个横截面上。总的说来，本发明因此允许获得较短的熔化时间和较为均匀的加热。

根据另一实施例，在接收熔融物的坩埚外侧，通过有目的地引入热来将另外引入的半导体原材料加热到低于所述半导体原材料的熔化温度的温度，且随后将处于加热状态的所述材料引入容器中。本发明允许较为有效地控制熔化坩埚的温度条件。这是因为，所引入的几乎加热到熔化温度的半导体原材料随后仅略微地影响熔化坩埚的温度条件。因此，可利用任何所需的加热方法，尤其包括从上方将电磁辐射引到熔融物上。同时，可以受控方式加热所引入的半导体原材料，且这将进一步改进较为精确的过程参数定义。本发明允许获得较为迅速的熔化，其中根据本发明，熔化坩埚是否含有已熔化或尚未熔化的半导体材料并不重要。

根据另一实施例，便利地在将半导体原材料运送到熔化坩埚中的过程中，对所述材料加热，但在熔化坩埚外侧加热。出于此目的，优选使用输送构件将待引入的半导体原材料移过热源。因此，改变输送速度和/或加热强度会使得半导体原材料的加热易于受到控制。

根据另一实施例，当有目的地将热引入待引入的半导体原材料中是在容纳熔化坩埚的熔化炉的热绝缘内侧发生时，会损失较少能量。然而，原则上，热引入也可在热绝缘区中或其外侧发生。

根据另一实施例，优选在电磁辐射的作用下发生热引入。为此，将待引入的原材料铺平或将其以适当的方式分布，以形成比较薄的半导体原材料层，其厚度允许足够的电磁辐射作用。出于此目的，热辐射或来自光辐射源、尤其激光或者微波辐射或高频或中频辐射的辐射可作用于待引入的半导体原材料。

根据另一实施例，为运送半导体材料，优选利用设计成将固体、块状半导体原材料铺平或分布所述原材料的输送构件。出于此目的，尤其可利用振动(振荡)输送机，其具有预定宽度且经配置以致能将半导体原材料铺平，优选铺成单一层或双层。

根据另一实施例，在通过输送构件运送期间，在与输送方向相对的方向上，使冲洗气体扫过半导体原材料，以便使经加热的半导体原材料不含所吸附的H₂O等。所使用的冲洗气体优选为经适当加热的惰性气体，诸如N₂或Ar，其也可含有还原气体，诸如氢气。

根据另一实施例，最尤其优选将半导体原材料不连续地引入坩埚中，或根据熔化坩埚的个别填料料位将其加热并引入坩埚中。优选将材料补充到熔化坩埚中，直到熔融物向上延伸到接近熔化坩埚的上缘。

附图说明

本发明将在下文中以例示性方式且参考随附图式加以描述，其中：

图1为根据本发明第一实施例的结晶系统的示意性横截面图；

图2a到2c绘示在根据图1的熔化坩埚中熔化结晶半导体材料期间的三个不同阶段；

图3为根据本发明另一实施例的用于制造单晶或多晶硅的装置的示意性截面图；

图4为根据本发明另一实施例的用于制造单晶或多晶硅的装置的示意性截面图；

图5为根据本发明另一实施例的用于制造单晶或多晶硅的装置的示意性截面图；且

图6为根据本发明另一实施例的用于制造单晶或多晶硅的装置的示意性图。

具体实施方式

根据图1，结晶系统(其整体是以参考数字1表示)包含石英坩埚3，所述石英坩埚是完全且以紧密邻近的方式容纳于向上开口的盒状支撑系统4中，以便为已在硅的熔化温度下软化的石英坩埚3提供足够的机械支撑。石英坩埚3向上达到支撑系统4的上缘，因此排除硅熔融物与石墨或其它污染材料的直接接触。石英坩埚3为市面上有售的石英坩埚，其具有例如550×550mm²、720×720mm²或880×880mm²的底面积，且具有内涂层作为坩埚SiO₂与硅之间的分隔层。上部加热器5是提供于坩埚上方，其底面积大于或等于坩埚的底面积。在坩埚侧面上布置有包围所述坩埚的夹套加热器6。在这种情况下，夹套加热器6与坩埚壁之间的距离恒定越过坩埚的整个外围。

坩埚下方布置有冷却板8，冷却剂可流过所述冷却板。绝缘板或坩埚安装板7是布置于坩埚与冷却板8之间。在这种情况下，以使支撑坩埚的坩埚安装板7与冷却板8之间形成间隙的方式来配备上述坩埚的实际安装。在VGF结晶方法的情况下，所有加热器5、6都是温度控制的。为此，通过高温计在适当位置处检测加热器5、6的表面温度，且将其输入控制或调控施加于加热器5、6的电压的控制单元。更确切地说，在VGF法的情况下，使用固定式坩埚来建立轴向温度梯度。经由加热器温度的电子变化，以使液相与结晶析出的硅分离的相界从坩埚底部逐渐向坩埚上缘迁移的方式来移位温度分布。这使得液体硅定向凝固，从而形成多晶硅。在这种情况下，温度控制以在熔化坩埚中形成尽可能平坦的等温线的方式发生。

在这种情况下，可配置夹套加热器以建立(确立)从熔化坩埚上缘到下缘的温度梯度。为此，也可将夹套加热器6分成两个或两个以上区段，其是以一个区段在另一个区段上方的方式垂直布置且显示从熔化坩埚上缘向下缘降低的加热功率。布置于相同层面上的区段导致形成平坦、水平的等温线，且因此导致形成平坦、水平的相界。

坩埚优选具有多边形横截面、尤其矩形或方形横截面。这使得制造用于光电应用的常规多边形、尤其矩形或方形太阳能电池的损耗减到最小。

整个结晶系统1是由优选耐压、气密性外壳9包围，由此使得能在内部建立惰性或还原保护气体氛围。

根据图1，在结晶系统的侧面，将补充固体硅的补充容器14耦接于结晶系统1。固体硅为可倾倒(自由流动)的块状硅，其具有适当形状和堆积密度。所述硅优选为晶体硅。在容器14的下端提供有补充漏斗13，其导向第二输送构件，以便将硅材料从容器14滑出并到达第二输送构件12上。计量机构(例如翼板或阀门)是提供于漏斗13的下端。第二输送构件优选完全位于结晶系统1的外侧，尤其结晶系统的加热区的外侧。根据图1，第二输送构件12是与图1的图式平面平行地输送半导体原材料。第一输送构件11紧接着第二输送构件12。第一输送构件11(例如)的总长度的约1/3伸到结晶系统1的加热区中，且其前端大致最长伸到熔化坩埚的中心。

输送构件11、12为经由热稳定的振动输送机输送半导体原材料的常规振动输送机，其例如是由碳化硅制成。根据本发明，已证实，使用诸如CFC或CSiC(碳纤维增强的碳或碳化硅)等纤维复合陶瓷为用于振动输送机的特别有益的材料。因此，结晶系统1具有两个独立的输送构件11、12，其是以一个在另一个上方的方式经布置，由此使由第一输送构件11输送的半导体原材料能完全的排放到熔化坩埚中。可易于实现预定批料的重复补充，并且不会出现因预热半导体原材料所引起的局部过热而导致欲补充的半导体原材料熔化且粘附于输送构件11的振动槽上的风险(其将在下文中较为详细地描述)。

所属领域的技术人员应易于了解，在根据本发明的结晶系统的情况下，也可利用对热足够稳定并且能够将可倾倒或自由流动的半导体原材料输送到熔化坩埚中的任何其它所需的输送构件。

可检测所流出的半导体原材料的量的传感器16是与补充容器14相连。此检测尤其可以机械方式、优选通过检测第二输送构件12的当前重量来进行，或可以声学方式、光学方式或以另一不接触的方式进行。此外，温度传感器17是布置于熔化坩埚的上方，以检测坩埚填料10的表面温度。传感器17可为高温计。目视检查系统18也位于坩锅上方，其检测或监测、尤其借助摄影机(未绘示)来检测或监测坩埚填料10的整个表面，所述摄影机的影像是在中央控制构件(CPU)中读出且加以评估。为此，如下文中较为详细地描述，可利用适当的影像评估算法。根据图1，测量坩埚填料10表而到传感器19的距离的距离传感器19也是布置于坩埚的上方。优选使用测量激光距离的器件来实现这一目的。因此，如果已知坩埚底部上方距离传感器19的高度，那么能连续检测熔化坩埚中的当前填料料位。

整个结晶系统1是在中央开环和闭环控制构件(CPU)的控制下操作，所述CPU不仅负责加热器5、6和冷却板8的适当开环或闭环控制，而且还负责经由计量分配来控制补充容器14对硅半导体原材料的补充并控制输送构件11、12，并且还负责评估传感器16到19。

首先，将在下文中参考图2a到2c来描述用于制造多晶硅的本发明VGF方法的原理。根据图2a，在过程开始时，利用适当硅原料20将熔化坩埚2填充到其上缘。为熔化硅，结晶系统的上部加热器从上方将硅原料加热到高于硅的熔化温度的温度。此外，还可经由侧面夹套加热器6(参看图1)且适当时经由底部加热器来供应能量。因此，硅原料20首先在熔化坩埚2的上缘处熔化。如箭头所示，熔化的液体硅随后经由位于其下的硅原料滴落或下滴。在下滴期间，位于其下的硅原料部分地熔化，以使所述硅原料的形状和堆积密度也因部分再凝固而改变。总的说来，如图2b所示，这导致在坩埚填料的上缘处形成称为“残渣带”的区带21。所述区带21以一个或一个以上薄条带的形式延伸越过熔化坩埚2的整个横截面，且其是由尚未熔化或未完全熔化的半导体原材料组成。在此状态下，熔化坩埚2中的坩埚填料已坍落或收缩一定距离；这可通过距离传感器19检测到。还可借助目视检查系统18和适当的影像评估来辨识坍落。在所述过程中，温度传感器17连续地检测坩埚填料表面的温度。具体来说，使用温度传感器17来检测坩埚填料的表而温度是否达到或超过半导体原材料的熔化温度，且检测坩埚填料的表面温度达到或超过半导体原材料的熔化温度的时间点。如下文中较为详细地描述，在通过传感器17到19检测到残渣带21适当形成的情况下，中央控制构件引发硅原材料20的补充。如上文所述，出于此目的的引发为补充容器14(参看图1)中硅原材料的流出和输送构件12、11的启动。实际馈送入熔化坩埚2中的硅原材料20的量是借助于与补充容器14相连的输送传感器16来检测。中央控制构件确保不添加或补充过多的硅原材料20，尤其确保所述硅原材料不会突出于熔化坩埚2的上缘。如下文中较为详细地描述，硅原材料20的补充(添加)可连续发生或在多个时间延迟的过程步骤中发生。在这种情况下，如下文将参考图3到6较为详细地描述，输送传感器16可与阻塞元件(未绘示)(例如阻塞滑块)相互作用，且/或阻塞元件(未绘示)的位置可受中央CPU1控制，以便选择性地阻塞或控制半导体原材料至输送构件12的流入。

最终获得图2c的状态，其中硅熔融物22正好填充到熔化坩埚2的上缘。在这种状态下，使用已知VGF法使硅熔融物22发生进一步冷却和凝固以形成多晶硅。在所述过程后，留下硅锭，其横截面与熔化坩埚2的横截面对应。为了使光电元件制造过程中的损耗减到最小，根据本发明，熔化坩埚2为多边形，尤其矩形或方形。

下文将参考图3到6来描述根据本发明的结晶系统的其它优选实施例。原则上，所述结晶系统具有与根据第一实施例相同的构造。因此，将在下文中提供其与根据第一实施例的结晶系统的主要差异，其中应特别注意，如本文件中所描述和揭示的各个实施例的特征原则上可以任何需要的方式相互组合。

根据图3，输送构件32穿过热绝缘36伸到熔化炉内部，以便将待补充的固体、块状半导体原材料33从供应和计量容器31的下端输送到熔化坩埚38中。根据下文所述的实施例，在将固体、块状原材料33由供应和计量容器31运送到熔化坩埚38中的过程中，通过有目的地引入热来将所述原材料加热到低于所述原材料的熔化温度的温度。随后，经加热的原材料从输送构件32的前端遵循重力落入熔化坩埚38中。经加热的原材料的温度一方面应尽可能小地低于实际熔化温度，以便尽可能小地影响熔化坩埚38和热绝缘36内的热条件，而另一方面，通过以不会出现原材料33不合需要地粘着或粘附于输送构件32上的方式(总的来说，无论如何不会达到干扰所述过程的程度)控制与输送构件32相连的加热构件的加热功率，来确定所述温度。

根据图3，利用管式炉来加热原材料33，所述管式炉是由布置于热绝缘36区中且包围输送构件32某部分的加热元件34形成。由振动器和振动槽的组合构成的输送构件32包含振动槽32。用于振动槽的特别有益的材料也为CFC或碳化硅(SiC)。也是在这种情况下，已证实，使用诸如CFC或CSiC(碳纤维增强的碳或碳化硅)等纤维复合陶瓷为用于所述槽的特别有益的材料(如上文关于第一实施例所述)。同时，振动槽将待引入的原材料铺平，以便能在管式炉34的区域中将热引入已经铺平的原材料中。在这种情况下，优选将所输送的原材料铺平为单一层或双层，所述单一层或双层的厚度优选小于电磁辐射穿透待引入的原材料的深度。根据图3，在加热构件34后，冲洗气体43沿逆流方向扫过振动槽32上所运送的固体、块状原材料，以便使经预热的原材料不含所吸附的H₂O和其它残余气体。在这种情况下，冲洗气体43也可含有还原气体，例如适当浓度的氢气。

在根据图4的例示性实施例的情况下，通过利用CO₂激光束10的照射引入热(结晶系统的构造另外相同)，所述射束经由窗口41和光束导向器耦接到输送构件32中。适当的成像光学确保激光束适当扩展或成像于在输送构件32上铺平的原材料上。输送构件32是由振动器和振动槽构成并且能在水平方向上移位。

在根据图5的实施例的情况下，经由波导管41，通过由磁控管42产生的与通过输送构件32输送的原材料耦接的微波辐射引入热，结晶系统的构造另外相同。

在第四实施例的变体的情况下，如图6所示，可在引入原材料的过程中，通过输送构件32的水平移位来缩短熔化坩埚8的中心与输送构件输送构件32的前端之间的距离，结晶系统的构造另外相同。这有效地防止喷溅和对于熔化坩埚38的内涂层的机械损坏。根据图6，引入热以便经由上部加热器预热另外引入的原材料。

由于冲洗气体43的导向与待补充的原材料相反(所述导向也可视情况再次接入和关断)，因此在低输送流量或最大加热功率的情况下，可省却额外加热一段时间。

所属领域的技术人员应易于了解，在根据本发明的结晶系统的情况下，也可利用对热足够稳定并且能将可倾倒或自由流动的原材料输送到熔化坩埚中的任何其它所需的输送构件。在这种情况下，优选为具有低电导率并且不会污染硅的材料，例如，氮化硅(si₃N₄)、碳化硅(SiC)或上述纤维复合陶瓷，诸如CFC或CSiC(碳纤维增强的碳或碳化硅)。

如上文所述，为了输送半导体原材料，优选利用相继串联布置的两个振动槽(如上文参照图1所述)。所述串联布置具有的优势为：首先可关断上游振动器，以便在需要中断原材料馈料时，所述原材料仅靠第一振动槽维持。在中断原材料馈料的情况下，第二振动槽接着持续运转，直到再无任何原材料位于下游第二振动槽中为止。其次，可将第二振动槽抽出，具体来说，将其从结晶系统的热绝缘中完全取出。根据使设备成本进一步降低的另一优选实施例，使两个振动槽振动的共用振动器在这种情况下与第一和第二振动槽相连。为了中断原材料馈料，利用阻塞元件44，例如阻塞滑块等，其与计量和供应容器31相连且选择性地阻塞其出口；且随后使所述共用振动器运转直到两个振动槽都完全倒空为止。

在根据图3到6的实施例的情况下，振动槽的前部伸入上部加热器与熔融物表面之间的部分中，且原材料原料可位于其上，并且以此方式使其暴露于比较强烈的热辐射。为避免振动槽具有过强的热负荷，可将振动槽或在具有相继串联布置的两个振动槽的实施例的情况下可将下游振动槽以可移位方式布置，以便能以此方式将其从结晶系统中完全取出。因此，包含供应和计量容器31和输送构件32的完整单元或仅其组件随后可用于具有类似构造的相邻结晶系统中。因此，本发明另一方面涉及一种经由半导体原材料熔融物的定向凝固来制造单晶或多晶半导体材料的装置，其中所述装置包含至少两个结晶系统(如上文所述)，以及仅一个包含供应和计量容器和输送构件的单元。当然，也可以将至少两个结晶系统与至少两个输送构件及仅一个供应和计量容器组合，或者将至少两个结晶系统与至少两个供应和计量容器以及仅一个输送构件组合。

下文将根据优选的例示性实施例较为详细地描述根据图1和3到6的结晶系统的操作。

例示性实施例1

借助温度传感器连续检测熔化坩埚中硅原料的表面温度。因此，可能确定已达到硅的熔化温度以及何时达到硅的熔化温度。视用于加热熔化坩埚的加热功率而定，硅原料会较快或较慢地坍落。在这种情况下，硅原料是从表面熔化。在达到硅的熔化温度后一段预定时间，借助输送构件将附加硅原材料引入熔化坩埚中。在这种情况下，依据实际加热功率，以适当方式调节输送速率。借助传感器来检测实际引入熔化坩埚中的硅原材料的量。硅原料在熔化坩埚中连续坍落。在各情况下，根据实际加热功率，可连续或以预定间隔及计量的量引入附加硅原材料。通过有目的地引入热来将附加硅原材料加热到恰低于硅的熔化温度的温度，以致熔化坩埚中的熔融物仅略微冷却，并且能迅速恢复规定的操作温度。

例示性实施例2

借助温度传感器连续检测熔化坩埚中硅原料的表面温度。中央控制构件先前已检测已引入熔化坩埚中的硅原料的量。或者，可将此量输入中央控制构件中。依据当前加热功率和目前位于熔化坩埚中的原材料的量，将预定量的附加原材料补充到熔化坩埚中。所述补充可连续发生或在多个时间延迟的步骤中发生，在每一所述步骤时，引入预定量的附加原材料。通过有目的地引入热来将附加硅原材料加热到恰低于硅的熔化温度的温度，以致熔化坩埚中的熔融物仅略微冷却，并且能迅速恢复规定的操作温度。

例示性实施例3

使用传感器连续检测坩埚填料的表面温度，且因此测定达到硅的熔化温度的时间点。在达到熔化点后的预定时间时，依据实际加热功率，将预定量的附加原材料补充到熔化坩埚中。在预定时间间隔后，根据当前加热功率重复此步骤，直到达到熔化坩埚的预定填料料位。通过有目的地引入热来将附加硅原材料加热到恰低于硅的熔化温度的温度，以致熔化坩埚中的熔融物仅略微冷却，且能迅速恢复规定的操作温度。

例示性实施例4

借助温度传感器连续监测坩埚填料的表面温度。此外，借助目视检查系统和/或距离传感器连续监测熔化坩埚的填料料位。在由硅原料的体积收缩所引起的填料料位下降预定高度后，将预定量的附加原材料补充到熔化坩埚中。当补充后，熔化坩埚的填料料位再下降第二预定高度时，重复此步骤。由于熔化坩埚的填料增加，因此使得个别补充步骤之间填料料位下降的高度有所降低。或者，也可在熔化坩埚的预定填料料位未达预定点时，引发原材料的补充，以此替代以不连续的预定步骤操作。通过有目的地引入热来将附加硅原材料加热到恰低于硅的熔化温度的温度，以致熔化坩埚中的熔融物仅略微冷却，且能迅速恢复规定的操作温度。

指定硅的熔点在极为狭窄的限定的温度范围内。然而，其它材料的相图可在熔点范围内明显不同。因此，目视检查系统也可提供有关坩埚填料组成和称为“残渣带”的区带的存在的进一步信息。具体来说，可以与EP 1 337 697 B1中所揭示的方式类似的方式进行目视检查系统的影像评估，所述专利的完整内容是以引用的方式明确地包括在本文中以达到揭示的目的。也可特别援引所述影像评估以确定尚未熔化的坩埚填料的表面区域。

根据另一实施例，也可通过调节第一输送构件的前端(尤其包括根据目视检查系统的信息的评估)来改变由第一输送构件所引入的半导体原材料进入熔化坩埚的位置。根据另一实施例，还可将第一输送构件的前端前后移动，以便使将原材料引入熔化坩埚中并越过坩埚填料的整个表面合乎标准。所属领域的技术人员应易于了解，根据本发明的方法不仅适于使用VGF法制造多晶硅，而且还适于制造任何所需单晶体、尤其氟化锗和氟化钙单晶体。

参考数字列表

1     结晶系统

2     熔化坩埚(通用名)

3     石英坩埚

4     坩埚支撑系统

5     上部加热器

6     夹套加热器

7     坩埚安装板

8     冷却板

9     外壳

10    坩埚填料

11    第一输送构件

12    第二输送构件

13    补充漏斗

14    补充容器

15    凸缘

16    用于感测待输送的产物的传感器

17    高温计/温度传感器

18    目视检查系统

19    距离传感器

20    块状硅/原材料

21    “残渣带”/包含部分熔融的材料的区带

22    熔融物

31    供应容器

32    输送构件

33    粒状原材料

34    加热元件

35    熔融物或固体原材料

36    热绝缘

37a   上部加热器

37b   夹套加热器

38      熔化坩埚

39      冷却板

40      激光束

41      激光束的导通/波导管

42      磁控管

43      冲洗气体。

Claims (25)

1.一种使用垂直梯度冷冻法来制造单晶或多晶半导体材料的方法，其中将块状半导体原材料(20)引入熔化坩埚(2；38)中且使其在所述坩埚中熔化，并定向凝固，在所述方法中，温度分布是由所述熔化坩埚(2；38)的上端到底部来建立，所述温度分布以使分开液相与结晶析出材料的相界从所述熔化坩埚的底部开始逐渐向所述熔化坩埚的上端迁移的方式轴向移位，在所述方法中，

从所述熔化坩埚的上端熔化所述半导体原材料(20)，使得熔融材料向下滴且尚未熔化的半导体原材料(20)在所述熔化坩埚(2；38)中逐渐坍落；且

将附加半导体原材料(20)从上方补充到所述熔化坩埚中尚未熔化或未完全熔化的半导体原材料区(21)上，以便至少部分地补偿所述半导体原材料的体积收缩。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过有目的地引入热来将待补充的所述半导体原材料加热到低于所述半导体原材料的熔化温度的温度，并且将处于加热状态的所述半导体原材料引入所述容器中。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述有目的地引入热是在容纳所述熔化坩埚(38)的熔化炉的热绝缘(36)内侧发生。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述有目的地引入热是在电磁辐射作用下发生。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述电磁辐射通过使热辐射或来自光辐射源(40)、尤其激光的辐射成像，或通过将微波辐射或高频或中频辐射施用到所述半导体原材料(33)上以便加热所述材料而选择性地起作用。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体、块状半导体原材料(33)在运送过程中经输送构件(32)铺平，且所述有目的地引入热是在所述已经铺平的半导体原材料中发生。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述固体、块状半导体原材料是在运送过程中铺平，以形成单层或双层，优选形成单层。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述输送构件(32)将所述半导体原材料(33)从半导体原材料供应和计量容器(31)的下端输送到容纳所述熔化坩埚(2；38)的熔化炉中。

9.根据权利要求8所述的方法，其中在引入所述半导体原材料(33)之前，使所述输送构件(32)的前端移过所述熔化炉的热绝缘(36)，从而移入所述熔化炉的内部。

10.根据权利要求6所述的方法，其中在通过所述输送构件(32)运送的过程中，冲洗气体(43)沿相对方向扫过所述半导体原材料(33)，以除去所述经加热的半导体原材料所吸附的H₂O。

11.根据权利要求6所述的方法，其中在引入所述半导体原材料时，通过所述输送构件(32)的水平移位将所述输送构件(32)的前端移向所述熔化坩埚(2；38)的中心，以使所述半导体原材料经上部加热器预热。

12.根据权利要求1所述的方法，其中从所述熔化坩埚(2；38)的上端熔化其中的所述半导体原材料以使区带(21)以尚未熔化或未完全熔化的半导体原材料条带形式延伸越过所述熔化坩埚(2；38)的整个横截面。

13.根据权利要求1所述的方法，其中连续检测所述熔化坩埚(2；38)中的所述半导体原材料(20)的表面温度，且依据所检测的表面温度引入所述附加半导体原材料。

14.根据权利要求13所述的方法，其中在达到所述半导体原材料的熔化温度后预定时间段后或立即以与加热所述熔化坩埚的加热功率相对应的速率将所述附加半导体原材料连续引入所述熔化坩埚中。

15.根据权利要求13所述的方法，其中依据加热所述熔化坩埚的加热功率和当前位于所述熔化坩埚中的半导体原材料的量，将预定量的所述附加半导体原材料补充到所述熔化坩埚中。

16.根据权利要求13所述的方法，其中根据所述熔化坩埚(2；38)中的所述半导体原材料(20)的所检测的表面温度，测定已达到所述半导体原材料的熔化温度的时间点，且其中在所述时间点后预定时间段后，依据所述加热功率，将预定量的所述附加半导体原材料补充到所述熔化坩埚中。

17.根据权利要求1所述的方法，其中连续监测所述熔化坩埚(2；38)的填料料位，且在所述填料料位降低视所述当前填料料位而定的预定高度后，将预定量的所述附加半导体原材料补充到所述熔化坩埚中。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述填料料位是通过距离测量、尤其激光距离测量来监测。

19.根据权利要求15所述的方法，其中重复所述补充步骤，直到所述熔化坩埚(2；38)经熔融物填充到接近其上缘。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述附加半导体原材料经均质化或铺平，以在补充期间在所述熔化坩埚的横截面上形成一层具有均匀厚度的层。

21.根据权利要求1所述的方法，其中所述附加半导体原材料是借助至少两个输送构件(11、12)引入，其中一个输送构件(12)位于加热区上游且在其外侧，且另一输送构件布置于所述一个输送构件的下游且至少部分在所述加热区内。

22.根据权利要求1所述的方法，其中附加半导体原材料是借助一个具有振动构件的输送构件而引入，其中在补充所述附加半导体原材料时，释放半导体原材料从供应容器的流出且启动所述振动构件，并使所述振动构件在所述半导体原材料从所述供应容器的流出完成后继续运转至少一段预定时间，以使所述输送构件的至少输送槽完全不含所述半导体原材料。

23.根据权利要求1所述的方法，其中连续监测所述熔化坩埚(2；38)的填料料位且在过度填充所述熔化坩埚之前中断所述附加半导体原材料的补充。

24.根据权利要求1所述的方法，其中所述半导体原材料为固体、块状硅，尤其是可倾倒或自由流动的多晶硅，所述半导体原材料(33)经不连续加热且引入所述容器中。

25.一种使用根据权利要求1至24中任一权利要求所述的方法结晶的硅的用途，其用于光电应用。

Images