TWI539040B - 用於製造半導體材料之晶體的裝置和方法 - Google Patents

Description

用於製造半導體材料之晶體的裝置和方法

本發明的主題是一種用於製造半導體材料之晶體的裝置和方法。該裝置包括一坩堝和一感應加熱線圈，該感應加熱線圈提供用於熔融半導體材料的進料和用於穩定半導體材料構成的熔體，該熔體覆蓋正在生長的半導體材料晶體。

以晶體形式需要大量半導體材料、尤其是矽，以便由此來製造電子結構元件或太陽能電池。這些晶體以單晶品質或多晶品質來提供並且具有圓形或矩形或正方形橫截面。尤其在US 2005/0188918 A1中和在EP 2692908 A1中描述了如何能夠製造具有這樣的橫截面的晶體，該橫截面不是圓形。

為了以工業尺度製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體中拉出，該熔體包含在坩堝中。為了產生熔體，用半導體材料構成的碎片填充坩堝並且使碎片在使用佈置在坩堝周圍的電阻加熱裝置的情況下熔融。

在FZ方法中，在使用感應加熱線圈的情況下，在種 晶和進料棒之間產生熔融的半導體材料區段。所述感應加熱線圈是具有線圈本體的扁平線圈，該線圈本體在中央部內構成具有確定直徑的孔。在種晶和進料棒下降時，使得熔融區段移動到進料棒中，並且從進料棒熔融的半導體材料在種晶上結晶。首先可以讓頸部區段結晶，以便獲得無錯位的半導體材料。接下來，半導體材料構成的單晶生長成直徑增加的錐形區段並最後生長成具有近似不變的直徑的柱體區段。FZ方法的細節例如在EP 2 679 706 A1中描述。

也存在這樣的方法的描述，這些方法類似於FZ方法，但是不同的是：由半導體材料構成的顆粒代替固態棒被應用作為進料。該等方法的代表性實例例如US 5,367,981，其中描述了單晶體和多晶體的製造。迄今為止尚未成功的是將這些方法中的任一個用在工業尺度上。對此的原因是控制熔體輸送出坩堝的困難性。

本發明的任務是提供修正方案並且提出一種裝置和一種方法，它們更具有潛力能夠在工業尺度上被使用於從半導體材料製造晶體。

該任務通過用於製造半導體材料之晶體的裝置來解決，其包括一坩堝，具有一坩堝底和一坩堝壁，其中，所述坩堝底具有一上表面和一底面和多個開口(opening)，所述多個開口係佈置在所述坩堝壁和坩堝底的中心之間，並且其中，在所述坩 堝底的所述上表面和所述底面上佈置有突起(elevation)，以及一感應加熱線圈，所述感應加熱線圈係佈置在所述坩堝下面並係提供用於熔融半導體材料和穩定半導體材料的熔體，所述熔體係覆蓋一正在生長的半導體材料晶體。

此外，該任務通過用於由半導體材料製造晶體的方法來解決，所述方法包括：提供已提到的裝置在所述坩堝底的所述上表面上產生一半導體材料進料的床；使用所述感應加熱線圈熔融所述床的半導體材料，並使熔融的半導體材料從所述坩堝底的所述上表面通過所述坩堝底中的所述開口到所述坩堝底的所述底面，並經過在所述坩堝底的底面上的所述突起的下面而到達一熔體，該熔體係覆蓋一正在生長的半導體材料晶體並且是熔融區段的一個區域。

該方法以如下方式設計，即，其特別類似於FZ方法。由於與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於此。因此，坩堝的組成部件不伸入到感應加熱線圈中央部(middle)內的孔中或熔融區段的區域中，該區域處在感應加熱線圈之下並覆蓋正在生長的晶體。來自所述進料的並且熔融的半導體材料以類似的方式流向相界(phase boundary)，晶體在所述相界上生長，就像當進料棒被用作進料時的情況那樣。此外，所述進料以如下方式提供，即，抑制塵產生並避免搖動熔融區段和避免被熔融的半導體材料的噴射。所使用的坩堝可以重複使用，而不必事先耗費且不便地維修。

可使用的半導體材料尤其包括矽或鍺或它們的混合物。特別較佳的是矽作為半導體材料。半導體材料較佳以顆粒形式或以碎片形式來使用或以顆粒和碎片混合物的形式使用。所述顆粒較佳具有不小於0.2毫米且不大於30毫米的平均直徑。儘管如此，半導體材料的較小的微粒、例如半導體材料塵也可以與顆粒或碎片一起熔融。

根據本發明製造的晶體較佳是單晶體或多晶晶體(多晶體)。特別較佳的是矽的單晶體。根據本發明製造的晶體具有圓形、正方形或矩形的橫截面。橫截面的形狀基本上與正在生長的晶體轉動還是不轉動相關。如果正在生長的晶體就像在FZ方法中常見那樣被轉動，那麼產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。若不發生轉動，也可以製造具有矩形或正方形橫截面的晶體，例如藉由如US 2005/0188918 A1或EP 2692908 A1中所描述進行熔融的半導體材料的結晶。

所述坩堝具有較佳為圓形周邊的坩堝底，其由坩堝壁限制。所述坩堝底的直徑較佳大於在感應加熱線圈中央部內的孔的直徑。在坩堝底中設置有多個開口。這些開口具有較佳圓形的橫截面。這些開口可以豎直或傾斜地導向穿過所述坩堝底。在傾斜穿過坩堝的情況下，這樣的傾斜位置是較佳的，其中在向下的方向，隨著與坩堝底的距離增加，開口的縱向軸線與正在生長的晶體的縱向軸線的相對間距也增加。如果這些開口具有圓形橫截面，那麼開口的直徑較佳不小於0.5毫米且不大於15毫米、特別 較佳不小於2毫米且不大於15毫米。

坩堝底具有上表面和底面並且在上表面和底面上有多個突起。這些突起是材料升高部，在所述上表面上向上伸出並且在所述底面上向下伸出。因為這些突起，坩堝的上表面和底面不是平的，而是被結構化。開口較佳佈置在這些突起之間。這些突起較佳沿著軌道延伸，這些軌道不交叉並且形成圓形或螺線形圖案。特別較佳的是突起沿著軌道佈置，這些軌道形成多個圓的圖案，這些圓同中心地圍繞坩堝底的中心。但是也合適的是軌道交叉並例如形成菱形或棋盤形的圖案。還較佳的是：在沿著不交叉的軌道佈置的相鄰突起的中央部之間存在間距，該間距較佳不小於2毫米且不大於15毫米、特別較佳不小於3毫米且不大於6毫米。在一突起的最高點與鄰接的開口的邊緣之間的高度差較佳不小於0.1毫米且不大於5毫米、特別較佳不小於0.5毫米且不大於3毫米。

在所述坩堝底的上表面和底面上的外邊緣上的突起與沿徑向更靠近坩堝底中心的相應突起之間較佳存在傾斜。該傾斜具有較佳不小於1°且不大於45°、特別較佳不小於1°且不大於5°的傾斜角度。

較佳地，在所述坩堝底的中心內，在所述坩堝底的所述底面上有一突出部(projection)，所述突出部向下伸出並且佈置於所述感應加熱線圈中央部內的孔之上。突出部例如具有水滴形狀。

坩堝底的上表面和底面和坩堝的較佳所有其餘表面由一種陶瓷材料製成，該陶瓷材料在與液態半導體材料接觸時是熱穩定的並且使所述液態半導體材料盡可能少地被雜質汙染。坩堝可以包括一基底結構，其以陶瓷材料覆層。坩堝也可以完全由所述陶瓷材料製成。用於基底結構的可能的材料是不易斷裂的並且具高熱穩定性的材料，這些材料可以以陶瓷材料覆層，例如是金屬和碳。特別較佳的是由碳製成的基底結構。陶瓷材料較佳是這樣的材料，氧化鋁(Al₂O₃)、碳化硼(BN)、六硼化鑭(LaB₆)、碳化矽(SiC)、氮化矽(Si₃N₄)、氧化釔(Y₂O₃)、氧化鋯(ZrO₂)或石英(SiO₂)。特別較佳的是碳化矽。

隨後，參照製造具有圓形橫截面的矽單晶體之實例更詳細描述本發明。

作為進料，使用以顆粒形式或以碎片形式或以顆粒和碎片混合物的形式的矽。顆粒尤其是在一流體化床中產生的多晶矽粒。所述顆粒較佳具有不小於0.2毫米且不大於30毫米的平均直徑。碎片可以通過粉碎例如由多晶矽構成的棒來獲得。所述碎片較佳具有不小於0.2毫米且不大於30毫米的最大長度範圍。進料以坩堝中的床的形式提供。床較佳以另外的進料的量來補充。該補充的量較佳相應於維持單晶體的生長而被熔融的床中的量。待補充的量較佳以如下方式提供，即，另外的進料可以滑落至床。進料和另外的進料可以除了矽之外也包含一種或多種電活性的摻雜物。

本發明已發現：需要這些突起，以便使液態矽的輸送變得容易。如果沒有突起，液態矽的輸送被影響。其原因是坩堝底材料藉由液態矽的適度的可浸潤性。在平坦的坩堝底上，產生液態矽的緩慢移動的島，這些島幾乎不傾向流動。通過坩堝底的上表面和底面的結構化明顯改善了液態矽的流動行為。不再觀察到形成島。熔融的矽在上表面上流動穿過開口並也流過突起。熔融的矽的一部分達到坩堝底的底面並且具有與坩堝底中心的較大徑向間距，該部分向內流動，首先由坩堝底附近的表面張力保持住，經過突起下面，直到坩堝底底面中心內的突出部並流到熔融區段的一區域中，該區域因為熔融區段在該區域中的變窄的直徑，也被稱作熔融區段的頸部。

熔融的材料達到熔融區段頸部中的方式原則上沒有與FZ方法不同。坩堝底的底面和進料棒的下端側端部非常類似。兩個表面具有類似的地貌，從而使得經由這些表面流向熔融區段頸部的被熔融的矽表現出相同行為。

坩堝底上表面上的進料的床較佳在熔融區段構成之前產生。特別較佳的是：進料在上表面上堆積成一錐狀床。在需要時，將另外的進料補充配量至所述床，其方式較佳地是，讓所述另外的進料滑落至所述床。為此目的，將以另外的進料填充的管保持到所述床上，從而使得所述另外的進料可以到達該床，而不必克服自由掉落路徑。

為了製造單晶體轉動所述坩堝，而包含用於補充配 量的另外的進料的管較佳保持不動。坩堝轉動的轉動方向可以與正在生長的單晶體的轉動方向一致。坩堝和單晶體也可以相反方向地轉動。此外可以設置單晶體的交變轉動或單晶體和坩堝的交變轉動。在交變轉動的情況下，轉動方向以時間上的間隔被反轉。

如果坩堝第一次被使用，那麼在所述床在坩堝底上表面上產生時要注意確保通過進料阻塞所述開口。適宜地，這會通過如下方式發生，即，確保床的覆蓋坩堝底的至少一個第一層由太大而不能通過開口掉落的顆粒或碎片組成。在使用過的坩堝再次使用時不需要這樣的措施，因為這些開口已由凝固的殘餘熔體阻塞。

佈置在坩堝下面的感應加熱線圈被使用於逐漸地熔融來自床的進料。所述進料可以以電活性的摻雜物來摻雜，以便提高該進料的導電性。

首先熔融矽，以便開始單晶體的結晶。被熔融的矽聚集在從坩堝底底面中心向下伸出的突出部上。因此，種晶與其接觸並且頸部區段結晶。為此並且為在頸部區段上生長的單晶體的結晶所需的矽的量使用感應加熱線圈連續地從所述進料熔融，該進料作為床佈置在坩堝底的上表面上。床的體積保持近似恒定，這是因為為了平衡，另外的進料從所述管中流出以用於補充。如果正在生長的單晶體的柱體區段已達到設置的長度，那麼可以還結晶出另一錐形的端部區段。在感應加熱線圈斷電並且移除單晶體之後，浸潤坩堝底的上表面和底面的被熔融的矽變成固態。 坩堝然後處在這樣的狀態下，該坩堝可以再次使用，而不必事先維修。同樣地，當坩堝底上表面上的進料基本上被耗盡時，也可以中斷另外的進料的補充並終止單晶體的生長。所述坩堝然後處在這樣的狀態下，該狀態類似於未使用的狀態。

1‧‧‧坩堝

2‧‧‧生長晶體的區域

3‧‧‧頸部區域

4‧‧‧坩堝底附近的區域

5‧‧‧坩堝底

6‧‧‧孔

7‧‧‧感應加熱線圈

8‧‧‧坩堝壁

9‧‧‧上表面

10‧‧‧底面

11‧‧‧開口

12‧‧‧突起

13‧‧‧突出部

14‧‧‧錐狀床

15‧‧‧管

16‧‧‧另外的進料

本發明的實施態樣隨後參考附圖來闡釋。

第1圖示出了穿過根據本發明的裝置的示意剖面圖；第2圖以立體圖示出了根據第1圖的坩堝。

在第1圖中在晶體生長的時間點上示出了具有一較佳構造的坩堝1的裝置。熔融區段分成覆蓋正在生長的晶體的區域2、頸部區域3和坩堝底5附近的區域4。熔融區段的頸部區域3延伸穿過感應加熱線圈7中央部內的孔6。感應加熱線圈佈置在坩堝1的坩堝底5和熔融區段的區域2之間，該區域覆蓋正在生長的晶體。所述坩堝1基本上包括坩堝底5和坩堝壁8。坩堝底5具有上表面9和底面10並且在坩堝壁8與坩堝底的中心之間具有多個開口11，這些開口穿過坩堝底5。在坩堝底5的上表面9和底面10上佈置有突起12。所述開口11佈置在這些突起12之間。在坩堝底5的中心內，在坩堝底5的底面10上向下伸出一突出部13。在坩堝底的上表面9上，固體半導體材料的進料堆積成一錐狀床14。用於補充另外的進料的裝置維持在所述錐狀床14附近，該裝置具有管15，該管以 另外的進料16填充。

就像第2圖中示出的那樣，坩堝1具有突起12，這些突起沿著軌道延伸，這些軌道形成圍繞坩堝底5的中心的同心圓圖案。相鄰的突起12的中央部具有彼此相同的間距。

1‧‧‧坩堝

2‧‧‧生長晶體的區域

3‧‧‧頸部區域

4‧‧‧坩堝底附近的區域

5‧‧‧坩堝底

6‧‧‧孔

7‧‧‧感應加熱線圈

8‧‧‧坩堝壁

9‧‧‧上表面

10‧‧‧底面

11‧‧‧開口

12‧‧‧突起

13‧‧‧突出部

14‧‧‧錐狀床

15‧‧‧管

16‧‧‧另外的進料

Claims (12)

1. 一種用於製造半導體材料之晶體的裝置，其包括一坩堝，具有一坩堝底和一坩堝壁，其中，所述坩堝底具有一上表面和一底面和多個開口(opening)，所述多個開口係佈置在所述坩堝壁和所述坩堝底的中心之間，並且其中，在所述坩堝底的所述上表面和所述底面上佈置有突起(elevation)，以及一感應加熱線圈，所述感應加熱線圈係佈置在所述坩堝下面並係提供用於熔融半導體材料和穩定半導體材料的熔體，所述熔體係覆蓋一正在生長的半導體材料晶體。
2. 根據請求項1所述的裝置，其中，所述突起係沿著軌道延伸，這些軌道形成圓形的、螺線形的、菱形的或棋盤形的圖案。
3. 根據請求項2所述的裝置，其中，在沿不交叉的軌道所佈置的相鄰突起的中央部(middle)之間係存在間距，該間距不小於2毫米且不大於15毫米。
4. 根據請求項1至3中任一項所述的裝置，其中，在所述坩堝底的中心(center)內，在所述坩堝底的所述底面上有一突出部(projection)，所述突出部向下伸出並且佈置於所述感應加熱線圈中央部內的孔之上。
5. 根據請求項1至3中任一項所述的裝置，其中，所述坩堝底的所述上表面和所述底面係由陶瓷材料製成。
6. 一種用於製造半導體材料之晶體的方法，所述方法包括： 提供一根據請求項1至5中任一項所述的裝置；在所述坩堝底的所述上表面上產生一半導體材料進料的床；使用所述感應加熱線圈熔融所述床的半導體材料，並使熔融的半導體材料從所述坩堝底的所述上表面通過所述坩堝底中的所述開口到所述坩堝底的所述底面，並經過在所述坩堝底的底面上的所述突起的下面而到達一熔體，該熔體係覆蓋一正在生長的半導體材料晶體並且是熔融區段的一個區域。
7. 根據請求項6所述的方法，其中，在熔融所述床的半導體材料之前，所述坩堝底中的開口係被所述床的半導體材料阻塞或被凝固的半導體材料阻塞。
8. 根據請求項6或7所述的方法，其中，所產生之半導體材料進料床係基本上包含半導體材料顆粒、或半導體材料碎片、或包含半導體材料顆粒和碎片的混合物。
9. 根據請求項6或7所述的方法，其中，將另外的進料補充至所述床，其方式是，讓所述另外的進料滑落至所述床。
10. 根據請求項6或7所述的方法，其中，所述半導體材料是矽。
11. 根據請求項6或7所述的方法，其中，所述晶體是單晶或是多晶。
12. 根據請求項6或7所述的方法，其中，所述晶體具有圓形、矩形或正方形的橫截面形狀。