DE69832846T2

DE69832846T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung polykristalliner Halbleiter-blöcke

Info

Publication number: DE69832846T2
Application number: DE69832846T
Authority: DE
Inventors: Motoharu Minamikawachi-gun Yamazaki; Tetsuhiro Shiki-gun Okuno
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: DE69832846D1; JPH1111924A; JP3520957B2; CN1209472A; EP0887442B1; EP0887442A1; CN1107746C; US6136091A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, die in der Lage sind, einen polykristallinen Halbleiterblock eines derartigen Materials, wie Silicium, mit weniger Spannung herzustellen.
2. Beschreibung des diesbezüglichen Standes der Technik
Ein polykristalliner Halbleiter aus Silicium oder dergleichen hat Aufmerksamkeit als Material für eine Solarzelle oder dergleichen vom Gesichtspunkt der kommerziellen Herstellung und Resourcen gewonnen. Die meisten Solarzellen, die zur Zeit in der praktischen Verwendung für Solarkraftversorgung sind, sind Silicium-Solarzellen. Für die Solarzelle verbleibt jedoch das Problem hoher Produktionskosten. Zur Verwendung dieser Energiequelle in größerem Ausmaß ist es notwendig, die Kosten weiter zu reduzieren. Am meisten gängig verwendete Solarzellen für Energieversorgung basieren auf Einkristall- oder amorphem Silicium. So wird die weitere Entwicklung von Solarzellen, hergestellt aus polykristallinem Silicium, zur Kostenreduktion erwartet.
Als allgemeines Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Silicium-Halbleiters ist ein herkömmliches Verfahren bekannt, in dem festes Silicium in einen Tiegel aus Siliciumdioxid (SiO₂) oder dergleichen eingebracht wird, und nach Schmelzen des festen Siliciums durch Erwärmen das geschmolzene Halbleitermaterial in einen Graphittiegel gebracht wird. In der geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP-B2 57-21515 wird beispielsweise der Stand der Technik eines halbkontinuierlichen Gießofens, entwickelt durch Wacker-Chemitronie GmbH in Deutschland offenbart, worin Silicium in einem Vakuum oder in einem Inertgas in einem Silicium-Tiegel geschmolzen wird und dann in eine Form, hergestellt aus Graphit oder dergleichen, durch Neigen des Tiegels gegossen wird. In der geprüften japanischen Patentveröffentlichung JP-B2 8-54115 wird ein Stand der Technik eines Wärme-Austauschverfahrens, entwickelt von Crystal Systems, Inc. in den USA offenbart, worin Silicium im Vakuum in einem Siliciumdioxid-Tiegel geschmolzen wird und dann direkt verfestigt wird, wie es ist. In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP-A 62-260710 wird eine Verbesserung des Wacker-Verfahrens offenbart, worin eine wassergekühlte Stahllage als Silicium-Schmelztiegel verwendet wird.
Bei Herstellung eines polykristallinen Siliciumblocks übernehmen die meisten Fälle ein Verfahren der Kristallzüchtung in einem Tiegel. In diesem Verfahren ist es jedoch erforderlich, dass der Halbleiterpolykristall in einem geschlossenen Raum gezüchtet wird. Wenn eine Volumenexpansion aufgrund der Verfestigung von Kristallen auftritt, was eine Spannung eines kontaktierenden Teils zwischen dem verfestigten Halbleiterpolykristall und einer Innenwand des Tiegels hervorruft, bleibt eine Deformation aufgrund der unbeseitigten Spannung in einem derartigen hergestellten Block zurück. Die im Block zurückgelassene Deformation beeinflusst nachteilig die Qualität und verringert die optischen oder elektrischen Charakteristika des Halbleiters. Dies beeinträchtigt die Energieerzeugungseffizienz in derartigen Anwendungen als Solarzelle. Auch verursacht eine erhöhte Deformation einen mechanischen Bruch.
Weitere Informationen hinsichtlich des Standes der Technik können in Minister et al.: "Molding and directional solidification of solar cell grade silicon using an insulating molten salt", Journal of Crystal Growth, Bd. 82, Nr. 1–2, 1. März 1987, S. 155–161, XP 00 20 78 236, Amsterdam, Holland, gefunden werden, welche das Formen und direktes Verfestigen von quadratischen Blöcken und Lagen von polykristallinem Si von Solarqualität in wieder verwendbaren Formen durch ein Verfahren offenbart, das das Einschieben eines dünnen kontinuierlichen Films aus geschmolzenem Salz zwischen das Silicium und die Graphitform umfasst. Das Verfahren beruht auf den Kapillar- und Benetzungseigenschaften der Materialien. Die auf das flüssige Si ausgeübten Gravitationskräfte werden durch die Wahl eines Salzes nahezu gleicher Dichte vernachlässigbar. Ein eingesetzter Graphitkolben mit einem konstanten vorbestimmten Druck zwingt das flüssige Si in die Ecken der Form und nimmt die Volumenzunahme bei Verfestigung auf. Das Herausnehmen der Blöcke aus dem Tiegel kann ohne weiteres entweder bei Raumtemperatur mit auseinandernehmbaren Formen oder bei hoher Temperatur durch Herausziehen des Blocks aus dem noch geschmolzenen Salz durchgeführt werden.
Prakash et al. "Use of Silicon oxynitride as a Graphit Mold Releasing Coating for the Growth of shaped Multicrystalline Silicon Crystals", Journal of Crystal Growth, Bd. 144, Nr. 1/2, November 1994, S. 41–47, XP 00 484 426, Amsterdam, Holland, offenbaren ein Verfahren zur Herstellung geformter multikristalliner Siliciumblöcke in Graphitformen, basierend auf der direkten Verfestigungstechnik. Die Form hat eine Beschichtung von Siliciumoxynitrid anstelle des noch herkömmlicherweise verwendeten Siliciumnitrids auf der Innenseite ihrer Wände. Die Beschichtung wirkt als Formtrennschicht und macht die Form wiederverwendbar. Es ist ebenfalls möglich, auseinandernehmbare Formen, hergestellt durch Zusammenbauen von zwei oder mehreren Teilen, zu verwenden.
Die DE 32 26 440 A1 bezieht sich auf das technische Gebiet der Herstellung von Silicium für Solarzellen und insbesondere auf eine Form und ein Verfahren zum Gießen von polykristallinen Siliciumstangen größerer Dimensionen. Das zu lösende technische Problem ist die Bereitstellung einer Gießform, die nicht nur die Bildung von Kristallen in Säulenform ausreichender Dimensionen möglich, sondern ebenfalls die Phase des Vorheizens der Form überflüssig macht und Spannungen an den Silicium/Formgrenzflächen während der Kühlphase verhindert. Das Problem wird gelöst mit einer Form (1), die charakterisiert ist durch ein äußeres Tragegehäuse (2), einen inneren Behälter (3), hergestellt aus im wesentlichen weichem Material, einer Auskleidung (4) eines wärmeisolierenden Materials niedriger Wärmekapazität zwischen den Seitenwänden des Behälters (3) und dem Tragegehäuse (2), sowie einer Bodenschicht (5) aus Siliciumdioxid-Sand oder dergleichen zwischen dem Boden des Behälters und dem Boden des Tragegehäuses.
Die EP 0 748 884 A1 offenbart hochgradig wiederholbares Züchten von hochqualitativen Halbleiterpolykristallen mit ausgezeichneten kristallographischen Eigenschaften bei niedrigen Kosten, ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiters, umfassend Beladen eines rohen Halbleitermaterials in einen Tiegel (9) mit Halbleiter-Saatkristallen platziert auf dem Boden, in einer für den Halbleiter inerten Atmosphäre, Erhitzen, um das rohe Halbleitermaterial im Tiegel (9) durch Heizmittel (5) zu schmelzen, während der Boden des Tiegels (9) Hitze entzieht, um die Unterseitentemperatur T1 des Bodens unter dem Schmelzpunkt des rohen Halbleitermaterials zu halten, und dann Abkühlen des Tiegels (9), um das geschmolzene Material zu verfestigen, wobei die Unterseitentemperatur T1 des Bodens des Tiegels unter Erwärmen gemessen wird, und das Erwärmen durch die Heizmittel (5) ausgesetzt wird, wenn die Rate DELTA t der von der Zeit abhängigen Änderung der Temperatur über einen vorbestimmten Wert ansteigt, um hierdurch nur das rohe Halbleitermaterial zu schmelzen, im wesentlichen ohne Schmelzen der Saatkristalle, und das geschmolzene Rohmaterial wird dann verfestigt, um aus den Saatkristallen einen Polykristall zu züchten, genauso wie eine Herstellungsvorrichtung hierfür.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks bereitzustellen, die in der Lage sind, einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock herzustellen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks gemäß dem unabhängigen Anspruch 4. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
Die beanspruchte Erfindung kann im Hinblick auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen besser verstanden werden. Im allgemeinen beschreiben die beschriebenen Ausführungsformen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Der aufmerksame Leser wird feststellen, dass jedoch einige Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen über den Umfang der Ansprüche hinausgehen. Im Hinblick darauf, dass die beschriebenen Ausführungsformen tatsächlich über den Umfang der Ansprüche hinausgehen, sollen die beschriebenen Ausführungsformen als zusätzliche Hintergrundinformationen angesehen werden und sollen nicht Definitionen der Erfindung an sich darstellen. Dies trifft ebenfalls für die nachfolgende "Kurze Beschreibung der Zeichnungen" genauso wie die "Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen" zu.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks bereitgestellt, umfassend die Schritte:
Laden eines rohen Halbleitermaterials, das sich zum Zeitpunkt der Verfestigung ausdehnen wird, in einen Tiegel, und
Erhitzen eines oberen Teils des Tiegels, während ein unterer Teil desselben abgekühlt wird, wodurch man ermöglicht, dass das rohe Halbleitermaterial in einer Richtung verlaufend von einem unteren Teil zu einem oberen Teil hiervon im Tiegel verfestigt wird,
worin der verwendete Tiegel in der Lage ist, eine durch eine Expansion des rohen Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung verursachte Spannung zu entspannen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird ein rohes Halbleitermaterial, das in einen Tiegel beladen wurde, in einer Richtung verlaufend von einem unteren Teil zu einem oberen Teil hiervon durch Erhitzen des oberen Teils des Tiegels und Abkühlen des Bodens des Tiegels verfestigt, und zum Zeitpunkt der Verfestigung des Halbleitermaterials dehnt sich das Volumen aus. Da eine durch die Expansion hervorgerufene Spannung durch den Tiegel entspannt werden kann, kann ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock mit weniger Spannung hergestellt werden.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel als ein doppelstrukturierter Tiegel gebildet ist, indem ein Raum zwischen einem inneren Tiegel und einem äußeren Tiegel vorgesehen ist, und der innere Tiegel sich gemäß der Expansion des Halbleiters ausdehnt, um die Spannung im Halbleiter zu entspannen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird ein Raum zwischen dem inneren Tiegel und dem äußeren Tiegel des doppelstrukturierten Tiegels so vorgesehen, dass, selbst wenn das rohe Halbleitermaterial expandiert, um eine Verformung zum Zeitpunkt der Verfestigung zu erzeugen, die Spannung mit Hilfe des inneren Tiegels, der sich gemäß der Expansion des Halbleiters ausdehnt, entspannt wird. Daher kann ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock erhalten werden.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterteilung innerhalb einer peripheren Wand des Tiegels vorgesehen ist, und die Unterteilung angeordnet ist, um nach Außen beweglich zu sein.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird das rohe Halbleitermaterial in einem Raum, der durch die Unterteilung innerhalb der peripheren Wand des Tiegels definiert ist, geschmolzen und verfestigt. Die Unterteilung bewegt sich nach Außen, um die Expansion des Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung zu absorbieren, die Spannung zu entspannen und somit einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock herzustellen.
In einer vierten bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden kann, und die Abschnitte des Tiegels werden miteinander am Boden des Tiegels in einer Kammform kombiniert, um nach Außen gleitbar in einer Kammzinkenrichtung des Tiegels verschoben zu werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, da der Tiegel in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden kann, die miteinander in einer Kammform am Boden des Tiegels kombiniert werden, um in einer radialen Richtung des Tiegels nach Außen gleitbar verschoben zu werden, selbst wenn das rohe Halbleitermaterial, das im Tiegel geschmolzen wird, zum Zeitpunkt der Verfestigung expandiert, wobei die Abschnitte des Tiegels in der radialen Richtung nach Außen verschoben werden, um die Spannung zu entspannen, womit ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
In einer fünften bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin einen Schritt des Einbringens von Halbleiter-Saatkristallen auf dem Boden des Tiegels vor Beladen des rohen Halbleitermaterials und ist dadurch charakterisiert, dass ein Polykristall aus den Saatkristallen gezüchtet wird.
Da gemäß der bevorzugten Ausführungsform der polykristalline Halbleiterblock aus den Saatkristallen, die am Boden des Tiegels eingebracht wurden, gezüchtet wird, wird eine durch Expansion der Saatkristalle hervorgerufene Spannung während des Erhitzens durch den Tiegel entspannt, und die Verfestigung wird in einem Zustand geringerer Spannungen begonnen, wodurch es möglich wird, einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock herzustellen.
In einer sechsten bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das rohe Halbleitermaterial ein Polysilicium darstellt.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann ein hochqualitativer polykristalliner Block verfestigt in einer Richtung unter Verwendung von reichlich Silicium hergestellt werden.
In einer siebten bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks bereitgestellt, umfassend:
ein luftdichtes Gefäß, das in der Lage ist, das Innere hiervon als inerte Umgebung aufrecht zu erhalten;
einen Tiegel, angeordnet im luftdichten Gefäß, in den ein rohes Halbleitermaterial beladen wird;
Erhitzungsmittel zum Erhitzen eines oberen Teils des Tiegels, um das rohe Halbleitermaterial zu schmelzen;
ein Trägerbett, um den Boden des Tiegels darauf zu montieren, das in der Lage ist, zu rotieren und sich auf und ab zu bewegen; und
Abkühlmittel zum Abkühlen des Trägerbetts,
worin der Tiegel mit Entspannungsmitteln zum Entspannen einer Spannung, hervorgerufen durch die Expansion des Halbleiters zum Zeitpunkt dessen Verfestigung, vorgesehen ist.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann ein polykristalliner Halbleiterblock, gezüchtet in einer Richtung von einem unteren Teil zu einem oberen Teil, erhalten werden durch Anordnen eines Tiegels in einem luftdichten Gefäß, das in der Lage ist, das Innere hiervon als inerte Umgebung aufrechtzuerhalten, Laden eines rohen Halbleitermaterials in den Tiegel und Erhitzen des Tiegels vom oberen Teil, während der Tiegel vom Boden gekühlt wird. Die durch die Expansion des Halbleiters zum Zeitpunkt der Verfestigung hervorgerufene Spannung kann durch Entspannungsmittel, die in dem Tiegel enthalten sind, entspannt werden, und daher ist es möglich, einen hochqualitativen polykristallinen Halbleiterblock, der im wesentlichen nicht durch die Spannung beeinträchtigt wird, herzustellen.
In einer achten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel eine Doppelstruktur als Entspannungsmittel aufweist, und die Doppelstruktur umfasst einen äußeren Tiegel, einen inneren Tiegel und eine Lücke zwischen dem äußeren und inneren Tiegel.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, da eine Lücke zwischen dem inneren Tiegel und dem äußeren Tiegel des doppelstrukturierten Tiegels vorgesehen ist, deformiert sich der innere Tiegel gemäß der Expansion des Halbleiters zum Zeitpunkt dessen Verfestigung, um die durch die Expansion hervorgerufene Spannung zu entspannen, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
In einer neunten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der innere Tiegel aus einem Metallmaterial mit einem höheren Schmelzpunkt als demjenigen des rohen Halbleitermaterials und einer niedrigen Benetzbarkeit mit dem geschmolzenen rohen Halbleitermaterial hergestellt wird.
Da gemäß der bevorzugten Ausführungsform der innere Tiegel aus einem Metallmaterial mit einem höheren Schmelzpunkt als das rohe Halbleitermaterial hergestellt ist, ist es möglich, dass geschmolzene rohe Halbleitermaterial zu lagern, um das Material in einer Richtung vom unteren Teil zum oberen Teil zu verfestigen. Da das Material des Tiegels zusätzlich eine schlechte Benetzbarkeit mit geschmolzenem rohem Halbleitermaterial aufweist, ist es möglich, das geschmolzene rohe Halbleitermaterial während der Verfestigung des rohen Halbleitermaterials in die Nachbarschaft der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit zu bringen. Als Folge hiervon wird die Volumenexpansion zum Zeitpunkt der Verfestigung absorbiert, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
In einer zehnten bevorzugten Ausführungsform wird die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der innere Tiegel eine periphere Wand von gebogener Form aufweist.
Selbst wenn gemäß der bevorzugten Ausführungsform das rohe Halbleitermaterial im inneren Tiegel zum Zeitpunkt der Verfestigung expandiert, wird die periphere Wand von gebogener Form ohne weiteres deformiert, um die Spannung zu entspannen, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
In einer elften bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Tiegel eine Unterteilung innerhalb der peripheren Wand aufweist, die nach Außen beweglich ist.
Da das rohe Halbleitermaterial gemäß der bevorzugten Ausführungsform innerhalb eines Raums, der durch die Unterteilung definiert wird, geschmolzen wird, und die Unterteilung zum Zeitpunkt der Verfestigung des Halbleitermaterials nach Außen beweglich ist, wird die durch die Expansion des Materials hervorgerufene Spannung entspannt, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
In einer zwölften bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass Puffermittel zwischen dem Tiegel und der Unterteilung vorgesehen sind.
Da gemäß der bevorzugten Ausführungsform ein Bewegen der Unterteilung hinsichtlich der Expansion des Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung des geschmolzenen rohen Halbleitermaterials durch die Puffermittel eingestellt wird, kann ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock ohne Verursachen einer abrupten Änderung der Spannung hergestellt werden. Zusätzlich ist es möglich, die Saatkristalle in einer geeigneten Lage bei den anfänglichen Herstellungsschritten einzubringen.
In einer dreizehnten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass die Puffermittel ein granuliertes feuerfestes Material darstellen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird ein granuliertes feuerfestes Material, wie Sand oder Quarz, zwischen der Unterteilung und dem Tiegel als Puffermittel angeordnet, wobei die Bewegung der Unterteilung selbst unter Hochtemperatur-Umgebungsbedingungen reibungslos eingestellt wird, um die durch die Expansion des rohen Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung hervorgerufene Spannung zu entspannen, wodurch ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt wird.
In einer vierzehnten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Tiegel in eine Vielzahl von Abschnitten aufgeteilt werden kann, und die Abschnitte des Tiegels werden miteinander in einer Kammform am Boden des Tiegels kombiniert, um in einer radialen Richtung des Tiegels nach Außen gleitend verschoben zu werden.
Wenn das rohe Halbleitermaterial gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach dem Schmelzen verfestigt wird, wird der Tiegel in eine Vielzahl von Abschnitten aufgeteilt, um die Expansion des Halbleiters zu absorbieren und die Spannung zu entspannen, so dass ein hochqualitativer polykristalliner Halbleiterblock hergestellt werden kann.
In einer fünfzehnten bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch charakterisiert, dass der Tiegel aus Kohlenstoff hergestellt ist.
Da der Tiegel gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus Kohlenstoff hergestellt ist, sind die Abschnitte, die in Kammform am Boden des Tiegels kombiniert sind, gleitend reibungslos verschiebbar, so dass die Expansion des rohen Halbleitermaterials zum Zeitpunkt der Verfestigung entspannt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung anhand der Zeichnungen noch expliziter beschrieben, worin:
1 eine vereinfachte Schnittfrontansicht darstellt, die schematisch einen Aufbau gemäß einer bevorzugen Ausführungsform zeigt;
2 eine vereinfachte Schnittansicht darstellt, die eine Doppelstruktur, einschließlich eines äußeren Tiegels 1 und eines inneren Tiegels 2 von 1 zeigt;
3 eine vereinfachte Schnittansicht darstellt, die eine Art und Weise zeigt, in der eine Spannung durch Volumenexpansion von Silicium erzeugt wird, wenn das Silicium direkt im Tiegel 1, wie in herkömmlicher Art und Weise, verfestigt wird;
4 eine Schnittansicht darstellt, die schematisch einen Aufbau gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt;
5 eine Draufsicht auf eine Unterteilung 32, die in 4 gezeigt ist, darstellt;
6 eine vereinfachte Schnittansicht darstellt, die einen Zustand zeigt, in dem ein granuliertes feuerfestes Materia 36 als Puffermittel zwischen einem Tiegel 31 und die Unterteilungen 32 in 4 geladen wird;
7A eine Schnittfrontansicht und 7B eine Draufsicht auf einen Tiegel gemäß noch einer weiteren Ausführungsform darstellt;
8 ein Flussdiagramm darstellt, das die Herstellungsschritte eines polykristalinen Siliciumblocks gemäß der Ausführungsform von 1 zeigt;
9 ein Diagramm darstellt, das eine Art und Weise zeigt, mit der die 16 Blöcke aus einem Siliciumblock, hergestellt gemäß der Ausführungsform von 1, herausgeschnitten werden;
10A eine vereinfachte Draufsicht darstellt, die einen Zustand zeigt, in dem die 16 Blöcke wie in 9 gezeigt, herausgeschnitten und Seriennummern zugewiesen werden; und
10B eine perspektivische Ansicht darstellt, die einen Punkt zeigt, wo die Lebensdauer des zweiten Blocks gemessen wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr werden nachfolgend Bezug nehmend auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
1 ist ein Diagramm, das schematisch einen Aufbau einer polykristallinen Siliciumblock-Herstellungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt. Ein Tiegel 1 wird gebildet, um im wesentlichen radialsymmetrische oder rechteckig-zylindrische Form zu haben, und ist aus Siliciumdioxid hergestellt. Alternativ kann der Tiegel aus einem feuerfesten Material, wie Graphit, Siliciumnitrid, Bornitrid oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt, wie Tantal, Molybdän oder Wolfram, hergestellt werden. Ein innerer Tiegel 2 kann ebenfalls aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt, wie Tantal, Molybdän oder Wolfram, gebildet sein. Der innere Tiegel 2 wird auf dem äußeren Tiegel 1 montiert, so dass der Boden des inneren Tiegels auf der Bodenoberfläche des Tiegels 1 vorliegt, und eine Lücke wird zwischen der äußeren peripheren Oberfläche des inneren Tiegels 2 und der inneren peripheren Oberfläche des äußeren Tiegels 1 gebildet. Die äußere periphere Oberfläche des äußeren Tiegels 1, außer dem oberen Teil des äußeren Tiegels 1, wird mit einer Abdeckung 3 aus Graphit bedeckt. Der Boden des äußeren Tiegels 1 wird auf einem horizontalen Trägerbett 4 montiert. Das Trägerbett 4 wird auf einem Podest 5 montiert, das sowohl in einer radialen Richtung als auch vertikalen Richtung verschoben werden kann. Die Temperatur der Bodenoberfläche des äußeren Tiegels 1 wird durch ein Thermoelement 6 bestimmt.
Eine Induktionsheizspule 7 wird oberhalb des oberen Teils des Tiegels 1 in einem Abstand vom Tiegel 1 angeordnet. Wenn ein hochfrequenter Strom zur Induktionsheizspule 7 zugeführt wird, wird ein Heizelement 8, hergestellt aus Graphit oder Kohlenstofffasern, induktiv erhitzt. Das Heizelement 8 ist in einem Abstand vom oberen Teil des Tiegels 1 angeordnet. Wenn das Heizelement 8 erhitzt wird, wird der Tiegel 1 vom oberen Teil hiervon durch Wärmestrahlung erhitzt. Ein thermisches Isolationsteil 9, hergestellt aus Graphit oder Kohlenstofffasern, wird unterhalb und außerhalb des Heizelements 8 angeordnet. Ein Pyrometer 10 wird angebracht, um dem Inneren des inneren Tiegels 2 von der oberen Seite des inneren Tiegels 2 gegenüber zu liegen. Die Temperatur des Heizelements 8 wird durch ein Kontrollthermoelement 11 bestimmt. Die Ausgaben vom Thermoelement 6 und dem Kontrollelement 11 werden in einen Controller 12 eingegeben, wodurch die Erhitzungsbedingungen durch die Induktionsheizspule 7 kontrolliert werden.
Das Podest 5 kann durch Kühlwasser oder dergleichen, zugeführt von einem Kühlmediumtank 13, abgekühlt werden. Ein alternatives Kühlmedium kann verwendet werden. Das Podest 5 wird durch Antriebsmittel 14 angetrieben, um um eine vertikale Linie, die durch den Mittelpunkt des Tiegels 1 verläuft, zu rotieren und sich in vertikaler Richtung auf und ab zu bewegen. Ein Silicium-Halbeitermaterial 15, das in den inneren Tiegel 2 gegeben wurde, kann vom oberen Teil nach unten zum Boden durch Erhitzen des inneren Tiegels 2 von der oberen Seite hiervon durch die Induktionsheizspule 7 geschmolzen werden. Zu diesem Zeitpunkt verursacht ein Rotieren des Podests 5 durch die Antriebsmittel 14, dass das Silicium-Halbleitermaterial 15 im inneren Tiegel 2 gleichmäßig erhitzt und geschmolzen wird. Wenn das Podest 5 durch Kühlwasser aus dem Kühlmediumtank 13 abgekühlt wird, beginnt sich das Silicium-Halbleitermaterial 15 im inneren Tiegel 2 am Boden hiervon zu verfestigen. In dem Fall, wo das Podest 5 durch die Antriebsmittel 14 nach unten bewegt wird, um das Heizelement 8 weg vom Silicium-Halbleitermaterial 15 im inneren Tiegel 2 zu verlagern, kann die Verfestigung nach oben in einer Richtung vom Boden zum oberen Teil des inneren Tiegels 2 vorangetrieben werden. Um zu verhindern, dass Sauerstoffgas oder Stickstoffgas in das geschmolzene Silicium-Halbleitermaterial 15 eintritt, ist die gesamte Vorrichtung in einem luftdichten Gefäß 16 untergebracht, um von Außen abgedichtet zu sein, und das luftdichte Gefäß 16 wird innerhalb unter Vakuum oder inerter Umgebung durch ein Inertgas oder dergleichen gehalten.
2 zeigt eine Doppelstruktur, zusammengesetzt aus dem Tiegel 1 und dem inneren Tiegel 2, gezeigt in 1. Das als Halbleitermaterial zuzugebende Silicium beträgt etwa 140 kg pro Charge. Ein herzustellender Block hat einen Bodenbereich von 55 cm². Wie oben beschrieben, wird der äußere Tiegel 1 aus Siliciumdioxid (Quarz) hergestellt, und der innere Tiegel 2 wird aus Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, wie Tantal, hergestellt. Der innere Tiegel 2 wird bevorzugt aus einem Material mit einem hohen Wärmewiderstand und einer geringen Benetzbarkeit für Silicium hergestellt. Für Molybdän und Wolfram wurde bestätigt, dass sie einen ähnlichen Effekt wie Tantal haben.
Eine Lücke 21 wird zwischen dem äußeren Tiegel 1 und dem inneren Tiegel 2 gebildet. Ein vorheriger Test, der durchgeführt wurde, um einen Siliciumblock durch Änderung der Größe der Lücke 21 zwischen 15 mm, 20 mm und 30 mm herzustellen, zeigt, dass die Lücke 21 mit einer anfänglichen Größe von 15 oder 20 mm zum Zeitpunkt der Verfestigung des Blocks verschwindet, um eine Spannung im äußeren Tiegel 1 hervorzurufen. Alternativ verschwindet die Lücke 21 mit einer anfänglichen Größe von 30 mm ebenfalls nach allem, aber verursacht keine Spannung im äußeren Tiegel 1. Dies zeigt an, dass die Lücke 21 mindestens 30 mm breit sein sollte.
3 zeigt eine durch die Volumenexpansion hervorgerufene Spannung, wenn Silicium direkt im Tiegel 1 verfestigt wird. Im Falle, wo eine geschmolzene Flüssigkeit von Silicium 15a direkt zur Herstellung eines Siliciumblocks 15b im herkömmlichen Tiegel 1 verfestigt wird, verursacht die Volumenexpansion des Siliciums eine Spannung aufgrund der Verformung des Blocks 15b, weil die Volumenexpansion des Siliciums durch den peripheren Tiegel 1 begrenzt wird. Im Gegensatz hierzu, wie in 2 gezeigt, ist es im Fall, wo der innere Tiegel 1 zusammen mit dem Block expandierbar ist, möglich, die Spannung frei zu setzen, wodurch der Einfluss der Spannung bzw. Verformung verringert wird.
4 zeigt eine polykristallinen Siliciumblock-Herstellungsvorrichtung vom gleitenden Typ gemäß einer weiteren Ausführungsform. Eine Unterteilung 32, hergestellt aus Siliciumdioxid, die in einer radialen Richtung eines Tiegels 31 bewegbar ist, wird innerhalb des Tiegels 31 angeordnet. Diese Unterteilung 32 bewegt sich gemäß einer thermischen Expansion des Blocks zum Zeitpunkt der Verfestigung des Blocks, wodurch die Spannung entspannt wird. Eine Nut bzw. Fuge 33, die im Boden des parallelepipedischen Tiegels 31 gebildet wird, ermöglicht vier Unterteilungen 32 miteinander kombiniert zu werden. Jede Unterteilung 32, wie in 5 gezeigt, hat hakenförmige Vorsprünge 34, die an ihren Seiten gebildet sind. Durch Kombinieren benachbarter Unterteilungen 32 durch die Vorsprünge 34 kann der Raum, definiert durch vier Unterteilungen 32, expandieren, während die parallelpipedische Form dieses Raums beibehalten wird. Die Breite der Lücke 35 zwischen dem Tiegel 1 und der Unterteilung 32 in dem in 4 gezeigten Zustand wird, wie in 3, auf 30 mm eingestellt. Wie in 6 gezeigt, wird die Lücke 35 mit granuliertem feuerfesten Material 36, wie Sand oder granularem Quarz, bis zur Hälfte der Höhe der Unterteilungen 32 gefüllt. Folglich kann die Größe des Bodens in den anfänglichen Stadien der Verfestigung konstant gehalten werden.
7 zeigt eine Struktur eines Tiegels 41 vom aufteilbaren Typ gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Der Tiegel 41 wird durch Kombinieren von zwei halben Tiegeln 42a, 42b gebildet, so dass die zwei Tiegel an ihrem Boden einen kammförmigen Abschnitt 43 bilden. 7A zeigt eine Schnittseitenansicht des Tiegels 41 im kombinierten Zustand und 7B den kammförmigen Ab schnitt 43 in kombiniertem Zustand. Durch Verteilen von Saatkristallen 45 über den gesamten Boden des Tiegels 41, wie in 7A gezeigt, wird die Möglichkeit des Auslaufens von geschmolzenem Silicium eliminiert, wenn der kammförmige Abschnitt 43 in eine derartige Richtung gleitet, dass die halben Tiegel 42a, 42b voneinander zurückweichen, um die Lückenbereite zu vergrößern. Da zusätzlich die Saatkristalle 45 ebenfalls als Gewicht funktionieren, können Materialien, wie Kohlenstoff, mit spezifischem Gewicht wie Silicium als Materialien für die halben Tiegel 42a, 42b verwendet werden.
Gemäß der Ausführungsform von 1 sind Standardschritte zur Herstellung eines polykristallinen Siliciumblocks in 8 gezeigt. Das Verfahren beginnt mit Schritt a0, gefolgt von Schritt a1, in dem der innere Tiegel 2 mit einem Polysilicium von etwa 140 kg beladen wird. In dieser Ausführungsform hat der innere Tiegel 2 einen Boden von 55 cm², wie oben beschrieben, die Lückenbreite zwischen dem inneren Tiegel 2 und dem äußeren Tiegel 1 beträgt 30 mm. In Schritt a2 wird der mit Polysilicium beladene äußere Tiegel 1 auf das Trägerbett 4 platziert, das seinerseits auf dem Podest 5 montiert ist und danach werden Vorbereitungen zum Erhitzen getroffen. Das Podest 5 wird durch das Kühlwasser, zugeführt vom Kühlmediumtank 13, gekühlt.
In Schritt a3 wird ein Wechselstrom mit einer Frequenz von etwa 7 kHz zur Induktionsheizspule 7 zugeführt, um das Induktionsheizverfahren zum Erhöhen der Temperatur des Heizelements 8 zu beginnen. Der äußere Tiegel 1 und das Polysilicium werden durch die vom Wärmeelement 8 abgestrahlte Wärme erhitzt. Wenn die Temperatur etwa 1420°C erreicht, was den Schmelzpunkt von Silicium darstellt, beginnt das Polysilicium nach unten zu schmelzen. Da die Heizmittel oberhalb des Tiegels 1 und die Kühlmittel unterhalb des Tiegels 1 angeordnet sind, beginnt das Polysilicium in dieser Ausführungsform nach unten zu schmelzen. In Schritt a4 wird der zur Induktionsheizspule 7 zuzuführende elektrische Strom kontrolliert, um die Ofentemperatur konstant zu halten. In Schritt a5 werden ein Schmelzen des Polysiliciums und die Temperaturänderung des Thermoelements 6 durch den Pyrometer 10 überwacht, gefolgt von Schritt a6 zum allmählichen Absenken der Innentemperatur des inneren Tiegels 2, während zur gleichen Zeit das Podest 5 abgesenkt wird, um die Verfestigung zu beginnen. Das Pyrometer 10 bestimmt nicht nur die Abstrahltemperatur der Polysiliciumoberfläche, sondern auch die Änderung des Emissionsvermögens zwischen einer flüssigen Phase und einer festen Phase. Die Abkühlgeschwindigkeit beträgt beispielsweise 1°C/h. Das Podest 5 wird mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/h abgesenkt. Während der Verfestigung wird das Trägerbett mit einer Geschwindigkeit von 1 U/min rotiert, um den Effekt der Temperaturverteilung abzuschwächen. Schritt a7 bewertet, ob die Verfestigung vervollständigt wurde oder nicht, basierend auf der Änderung der Ausgabe des Heizoszillators oder dergleichen. Nach Beendigung der Verfestigung wird in Schritt a8 ein Kühlverfahren begonnen, und nach Beendigung des Kühlverfahrens wird ein somit hergestellter Block entfernt. Das gesamte Verfahren ist in Schritt a9 beendet.
9 zeigt eine Art und Weise, in der ein Block in 16 Blöcke mit einem Querschnitt von 125 mm² geschnitten wird. Der Zweck des Schneidverfahrens ist, vier äquidistante Schneidränder an den vier Seiten zu erhalten. 10A zeigt 16 Blöcke mit entfernten Schneidrändern. Es wird angenommen, dass jeder Block die Seiten N, W, S, E hat. 10B zeigt einen Punkt, an dem die Lebensdauer für den zweiten Block von 10A, angeordnet bei 100 mm vom Boden auf der S-Oberfläche, bestimmt wird. Der Lebensdauerwert für den Stand der Technik, bei dem die Relaxation gegenüber der Expansion nicht berücksichtigt wird, beträgt 5 bis 7 μs. Gemäß dieser Erfindung wird der Lebensdauerwert der Blöcke jedoch so hoch angehoben wie 10 bis 15 μs. Der Vergleich an schraffierten Mittelpunktblöcken in 10A zeigt, dass der Wert von 10 bis 15 μs erhalten wird, sowohl im Stand der Technik als auch in den bevorzugten Ausführungsformen.
Ein ähnlicher Effekt wird mit einem Tiegel vom gleitfähigen Typ oder aufgeteilten Typ genauso wie mit dem doppelstrukturierten Tiegel gemäß der obigen Ausführungsform erhalten. Die bevorzugten Ausführungsformen sind mit gleicher Wirkung auf ein rohes Halbleitermaterial, außer Silicium, anwendbar.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen, ohne vom Umfang hiervon abzuweichen, ausgestaltet werden. Die vorliegenden Ausführungsformen sollen daher als illustrativ und nicht beschränkend angesehen werden, der Umfang der Erfindung wird eher durch die angefügten Ansprüche als durch die vorangehende Beschreibung angegeben.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks, umfassend die Schritte: Laden eines rohen Halbleitermaterials (15), das sich zum Zeitpunkt der Verfestigung ausdehnen wird, in einen Tiegel (1, 31, 41) und Erhitzen eines oberen Teils des Tiegels während ein unterer Teil desselben abgekühlt wird, wodurch man ermöglicht, dass das rohe Halbleitermaterial (15) in einer Richtung, verlaufend von einem unteren Teil zu einem oberen Teil hiervon, im Tiegel (1, 31, 41) verfestigt wird, worin der verwendete Tiegel (1, 31, 41) in der Lage ist, eine durch eine Expansion des rohen Halbleitermaterials (15) zum Zeitpunkt der Verfestigung verursachte Spannung zu entspannen; dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer peripheren Wand des Tiegels (31) eine Unterteilung (32) vorgesehen ist, und die Unterteilung (32) angeordnet ist, um nach Außen beweglich zu sein.
Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Schritt des Zugebens von Halbleitersaatkristallen (45) auf den Boden des Tiegels (41) vor dem Beladen des rohen Halbleitermaterials (15), worin aus den Saatkristallen (45) ein Polykristall gezüchtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks nach Anspruch 1 oder 2, worin das rohe Halbleitermaterial (15) ein Polysilicium darstellt.
Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks nach Anspruch 1, worin die Unterteilung in einer radialen Richtung gleitend beweglich ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks, umfassend: ein luftdichtes Gefäß (16), das in der Lage ist, das Innere hiervon als inerte Umgebung aufrecht zu erhalten; einen Tiegel (1, 31, 41), angeordnet im luftdichten Gefäß (16), in dem ein rohes Halbleitermaterial (15) beladen wird; Erhitzungsmittel (7, 8) zum Erhitzen eines oberen Teils des Tiegels (1, 31, 41), um das rohe Halbleitermaterial (15) zu schmelzen; ein Trägerbett (4), um den Boden des Tiegels (1, 31, 41) darauf zu montieren, das in der Lage ist, zu rotieren und sich auf und ab zu bewegen; und Abkühlmittel (5, 13) zum Abkühlen des Trägerbetts (4), worin der Tiegel (1, 31, 41) mit Entspannungsmitteln zum Entspannen einer Spannung, hervorgerufen durch die Expansion des Halbleiters zum Zeitpunkt dessen Verfestigung vorgesehen sind; dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (31) eine Unterteilung (32) innerhalb der peripheren Wand aufweist, die nach Außen beweglich ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks nach Anspruch 5, worin Puffermittel zwischen dem Tiegel (31) und der Unterteilung (32) vorgesehen sind.
Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks nach Anspruch 6, worin die Puffermittel ein granuliertes feuerfestes Material (36) darstellen.
Vorrichtung zur Herstellung eines polykristallinen Halbleiterblocks nach Anspruch 5, worin eine Nut im Boden des Tiegels gebildet ist, um es der Unterteilung zu erlauben, sich in einer radialen Richtung gleitend zu bewegen.