用于使半导体级多晶硅锭料定向凝固的方法和坩埚技术

本发明专利技术涉及用于定向凝固半导体级多晶硅锭料的方法，该方法通过在由氮化硅制成的或由碳化硅和氮化硅复合材料制成的坩埚中使半导体级硅锭料结晶，还任选包括将进料硅材料熔化，从而改进对凝固过程的控制以及使锭料中氧和碳杂质的含量减少，其中将坩埚底部的壁厚加工成特定尺寸，使得穿过底部的热阻降至至少与穿过支撑物的热阻相同或比其更低的水平，该支撑物在下面承载坩埚。本发明专利技术还涉及由氮化硅或碳化硅和氮化硅的复合材料制成的坩埚，其中将坩埚底部的厚度加工成特定尺寸，使得穿过底部的热阻降至至少与穿过支撑物的热阻相同或比其更低的水平，该支撑物在下面承载坩埚。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于使半导体级多晶硅锭料(ingot)定向凝固的方法， 所述方法改进了对凝固过程的控制并降低了锭料中氧和碳杂质的含 量。本专利技术还涉及能实现所述方法的坩埚。
技术介绍
在未来几十年，全球的石油供应将逐渐枯竭。这意味着在数十年 内必须要替代上个世纪的主要能源，以同时满足现在的能源消耗和将 来全球能源需求的增加。另外，非常关注以下方面使用化石能源使地球的温室效应增加 到可能变得危险的程度。因此，应该优选用对气候和环境为可再生且 可持续的能源/载体来替代现在消耗的化石燃料。一种这样的能源是太阳光，其用远大于现在日常消耗量(包括人类 能量消耗量的任何可以预见的增加)的能量辐照地球。然而，直到最近， 太阳能电池电力还是由于太昂贵而失去了与核能、热能等的竞争力。 为了实现太阳能电池电力的巨大潜力，需要进行改变。源于太阳能板的电力成本是能量转化效率和太阳能板制造成本的 函数。应同时改进太阳能电池的制造成本和能源效率。目前用于多晶晶片的硅基太阳能板的主要工艺路线如下将多晶 锭料切割成块，并进一步切割成晶片。所述多晶锭料通过使用布里奇曼(BHdgman)法或相关技术通过定向凝聚而形成。在锭料制造中的主要 困难是在锭料定向凝固期间保持硅原料的纯度并实现充分的温度梯度控制，以获得令人满意的晶体质量。污染问题与坩埚材料密切相关，因为坩埚与熔融硅直接接触(或通 过隔离涂层间接接触)。因此，坩埚材料应为对熔融硅为化学惰性的材料，并在相对的长时间内能承受高达约150(TC的高温。坩埚材料对于实现对温度的优化控制也是重要的，因为在这些制造方法中，在锭料凝固期间通过如下方法除热在坩埚支撑物下面的区域保持较低温度, 为结晶热形成散热环境，并经由金属硅、硅晶体、坩埚底部和支撑板 从熔炉上部转移热量。熔炉上部由支撑板上面的容积构成，包括坩埚 或具有内容物的坩埚。根据傅里叶(Fourier)热传导定律，热从高温向低温传递，所述定律 的一维形式可写作其中l是单位面积上传递的热，Ax,.是材料层/的厚度，A,是材料/ 的导热系数，Af是总的温度差。对于多层，穿过每层的温度差与热阻 ，成比例。目前，在基于布里奇曼法的工业生产中，通常将坩埚放置在石墨 平台上，该石墨平台的尺寸足以承载满载的坩埚负荷。考虑到机械稳 定性，厚度必须为3 10cm。各向同性石墨的导热系数为50~100 W/mK。现有技术因为二氧化硅(熔融硅石)Si02可以高纯度的形式获得，所以二氧 化硅为目前用于坩埚和模具领域的优选材料。用于制造坩埚的熔融硅 石材料的导热系数为约1 2W/mK。坩埚壁部和底部的厚度通常为l 3 cm。因此，在目前工业使用的构造中，坩埚底部是主要的热阻。在 典型的坩埚底部厚度为约2 cm且支撑板的厚度为5 cm条件下，总的温度差的90~98%在穿过坩埚底部的位置。硅石坩埚巨大的热阻限制了热移除可达到的速率。此外，任何局 部(例如在横向上)改变热通量的尝试，都因控制热通量非常低的可能性 而被妨碍。源于硅结晶热、从顶部加热器到底部加热器通过锭料和坩埚传递 的热以及热区材料中储存的热的热通量都应理想和竖直地定向，也就 是没有横向分量。然而，在目前实践中，各种已知的熔炉设计都具有 热横向传递的特征。这使得在结晶硅中引起热应力并产生位错。使用二氧化硅坩埚还会引起硅锭料污染的问题，因为Si和Si02 的反应产物为气态SiO，其随后可从熔融金属逸出并与热区中的石墨反 应形成CO气体。CO气体易于进入金属硅中，由此将碳和氧引入硅中。 也就是说，使用含氧化物材料的坩埚可引起一系列反应而导致在固态 硅中引入碳和氧。与布里奇曼法相关的典型值是水平为2~6xl017/cm2 的间隙氧和2 6xl0力ci^的替位碳。金属硅中碳的增加会导致形成针形SiC晶体，尤其是在锭料的最 上部区域内。已知这些针形SiC晶体为半导体电池的短路(short-cut)pn 结，导致电池效率的急剧降低。在形成的金属硅退火之后，间隙氧的 增加可导致氧沉淀和/或重新结合活性氧络合物。专利技术目的本专利技术的主要目的是提供一种用于锭料定向凝固的方法，所述方 法实现了对用于制造半导体级硅高纯锭料的温度分布以及氧和碳污染 水平的改进的控制。本专利技术的另一个目的是提供实现根据该主要目的的方法的坩埚。本专利技术的目的可通过以下说明书和/或附随的权利要求书中所述 的特征来实现。
技术实现思路
本专利技术基于以下实现通过将穿过坩埚底部的热阻降至与穿过坩 埚下支撑物的热阻相同的水平以下，明显地改进对凝固过程的控制， 本专利技术还基于以下发现碳和氧对硅锭料的污染问题与坩埚中使用含 氧材料密切相关。对于目前的定向凝固炉，包括那些基于布里奇曼法的定向凝固炉， 穿过承载坩埚的石墨支撑物的热阻通常为0.002-0.0003 n^K/W(厚度通 常为约3 约10cm，导热系数为50~100W/mK)。由于坩埚底部的厚度 为1~3 cm,这意味着坩埚材料的导热系数应为至少约5 W/mK以上。 另外，坩埚必须由不会将硅污染到不可接受程度的材料制成，并且其 具有与固态硅相近或更低的热膨胀。合适材料为氮化硅Si3N4、碳化硅 SiC或二者的复合材料。这些材料的导热系数和热膨胀系数的例子可从 美国国家标准和技术研究所的网站上获得http:〃www.ceramics.nist.gov/srd/scd/scdquery.htm。因此，在本专利技术的第一方面，提供了一种用于通过定向凝固来制 造半导体级硅锭料的方法，其中结晶炉的热区基本上减少或消除了氧的存在，且凝固期间热梯度的控制不足问题可通过如下解决一在由氮化硅Si3N4、碳化硅SiC或者二者的复合材料制成的坩 埚中结晶所述半导体级硅锭料，任选地还包括使进料硅材料熔化；以 及其中一将坩埚底部的壁厚加工成特定尺寸，使得穿过底部的热阻降至 至少与穿过支撑物的热阻相同或更低的水平，所述支撑物在下面承载 坩埚。结晶速率的增加意味着穿过结晶硅的热梯度增大。这可引起结晶硅中应力的增加。然而，可通过确保热通量为竖直定向且是线性，降 低或甚至消除结晶硅中的热应力。温度梯度在一种材料层中相对于竖 直位置为线性，能够将这种方式的热除去状态称作准稳态冷却(或加 热)。使用本专利技术可在更宽的冷却(加热)速率范围内保持这种状态。通过坩埚侧壁的绝热确保基本竖直定向的热通量，例如通过使用 石墨或碳毡以避免热量通过坩埚侧壁的下部传递至已经结晶并因而较 冷的硅锭料。在其中穿过结晶硅的热通量总是基本上竖直且温度梯度基本上为 线性的方法，使得结晶材料的热应力最小化，因而应力相关的晶体缺 陷数目也最小化。根据本专利技术的第一方面的方法，可使用用于制造半导体级多晶硅锭料的任意已知方法，包括通过如布里奇曼法、块铸法(block-casting method)等的定向凝固制造的太阳能级硅锭料。在本专利技术的第二方面，提供了一种用于通过定向凝固制造半导体 级多晶硅锭料的坩埚，包括具有惰性气氛的热区，其中一所述坩埚由氮化硅Si3N4、碳化硅SiC或两者的复合材料制成， 并且其中一将坩埚底部的壁厚加工成特定尺寸，使得将穿过底部的热阻降 至至少为与穿过支撑物的热阻相同的水平或更低，所述支撑物在下面 承载坩埚。使用氮化硅或碳化硅和氮化硅的复合材料作为坩埚材料，这实际 上本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于多晶半导体级硅锭料定向凝固的方法，其特征在于，所述方法包括：　－在由氮化硅制成的坩埚中，或在由碳化硅和氮化硅的复合材料制成的坩埚中，使半导体级硅锭料结晶，任选地还包括进料硅材料的熔化，并且其中　－将坩埚底部的壁厚加工成特定尺 寸，使得穿过所述底部的热阻降至至少与穿过支撑物的热阻相同或比其更低的水平，所述支撑物在下面承载坩埚。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂克劳伦斯纳斯，施泰因朱尔斯鲁德，
申请(专利权)人：REC斯坎沃佛股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NO[挪威]