单晶半导体材料的制造制造技术

本发明专利技术涉及一种用于制造单晶半导体材料的方法，其中半导体材料提供为起始材料，将起始材料传送到加热区域，在加热区域中将起始材料供送到半导体材料的熔体中，熔体从加热区域下降和/或升高加热区域，使得在熔体下端形成凝固前沿，沿该凝固前沿半导体材料结晶成期望的结构，其中该起始材料由液态半导体材料制备并以液态形式供给到熔体中。本发明专利技术还涉及用于制造单晶半导体材料的装置，包括用作起始材料的液态半导体材料源，用于制造和/或保持半导体材料制熔体的加热器件以及优选的用于控制用作起始材料的液态半导体材料供给到熔体中的器件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】CN 102947025 A书明说1/6页单晶半导体材料的制造本专利技术涉及用于制造单晶半导体材料特别是单晶硅的方法。此外，本专利技术涉及用于制造这种单晶半导体材料的装置。元素硅以不同的纯度尤其使用在光伏(太阳能电池)和微电子(半导体，计算机芯片)中。因此，通常根据其纯度来对元素硅进行分类。例如区分为具有PPT范围杂质含量的“电子级硅”与允许有略微更高杂质含量的“太阳能级硅”。在太阳能级硅和电子级硅的制造中，常常从冶金硅(通常98-99%纯度)出发并通过多步骤的复杂方法进行纯化。因此，例如能够使用氯化氢在流化床反应器中将冶金硅转变为三氯硅烷，所述三氯硅烷随后歧化形成四氯化硅和甲硅烷。后者热分解成元素组成部分硅和氢。相应的方法步骤例如描述在W02009/121558中。以这种方式获得的硅在各种情况下具有至少一种足够高的纯度，以便被分类为太阳能级硅。任选地，通过随后附加的纯化步骤能够获得甚至更高的纯度。同时，对于许多应用来说，以上述方法形成并通常以多晶形式获得的硅转变成单晶硅是有利的或者甚至是必需的。例如，由单晶硅制成的太阳能电池的效率通常显著高于由多晶硅制成的太阳能电池。·多晶硅转换成单晶通常是由多晶硅熔化以及随后在籽晶帮助下结晶成单晶结构而完成。能够制造具有极高纯度的硅单晶的单晶硅制造技术之一是所谓的浮区法(FZ)， 该方法由Keck和Golay首次提出。FZ法的实施方式以及适合这种方法的设备显示在EP 1595006 BI 中。FZ技术具有一些比其他替代方法例如已知的切克拉斯基法(Czochralski)显著的优势，特别是就获得的单晶硅纯度而言。这是因为在FZ法中，用于晶体生长的硅熔体并不保持在坩埚中。取而代之地，由多晶硅组成的棒的下端下降到感应加热系统的加热区域中并小心熔化。熔融硅组成的熔体聚集在硅棒下方，单晶硅组成的籽晶通常从下方浸入到所述熔体中。籽晶一旦被硅熔体浸润，通过硅熔体被缓慢地从加热区域降低，晶体生长就开始了。同时待熔化的娃棒必须从上方补充(nachfiihren),以使熔体的体积基本上保持恒定。 熔体下降的过程中，在其底侧形成凝固前沿，沿着该凝固前沿，液态硅结晶成期望的结构。从冶金硅出发进行单晶硅的制备涉及极高的能耗。其特征在于一系列复杂的化学过程和物态变化。就此而言，例如参考已提到的W02009/121558。其中描述的多步骤方法中获得的硅在热解反应器中以固体棒(Stangen)形式形成，任选地，固体棒必须被粉碎和重新熔化以进行后续进一步处理，例如在切克拉斯基法或FZ法中。本专利技术所基于的目的是提供一种制造单晶硅的新技术，相对于现有技术已知的方法步骤，该技术的显著优点特别在于简化的方法步骤以及能量优化。该目的通过包含权利要求I特征的方法以及包含权利要求10特征的装置来实现。 本专利技术方法的优选实施方式在从属权利要求2-9中找到。本专利技术装置的优选实施方式描述在从属权利要求11和12中。所有权利要求的表述通过引证的方式并入到本说明书的内容中。通过本专利技术的方法，原则上能够获得各种单晶形式的半导体材料。特别地，本专利技术3的方法适用于制造单晶硅。在这种情况下，它总是包括至少以下步骤I在一个步骤中，提供半导体材料作为起始材料。半导体材料优选是硅。2.在另一步骤中，将起始材料传送到加热区域中。由半导体材料组成的熔体位于所述加热区域中，向所述熔体供给起始材料。熔体如在传统FZ法，例如EP1595006B1中描述的方法中的那样是自由浮动的熔体。这应该理解为不与容器如坩埚的壁接触的熔体。取而代之地，其稳定性以无接触方式保持，这将在下面更详细地讨论。3.通过将熔体从加热区域下降或替代地通过升高加热区域，能够导致在熔体下端处形成凝固前沿，沿着该凝固前沿，半导体材料凝固成期望的单晶结构。原则上，从加热区域降低熔体以及上述升高加热区域也可同时发生。本专利技术方法特别显著的特点在于，半导体材料的起始材料以液态形式提供，以及也以液态形式供入熔体中。因此，本专利技术的方法与传统的FZ法具有一些共同点，特别是上述的“自由浮动熔体”。原则上根据现有技术已知的，例如EP 1595006B1中所提及和描述的做法能够特别是通过从加热区域降低熔体而保持和稳定熔体以及冷却熔体。然而，与传统的FZ法相比，熔体不通过补充固态半导体材料，特别是固体硅棒而供给，如引言中所述。取而代之地，向熔体供给并非直接在熔体上方才熔化、而是已成液态形式的起始材料。·为了形成期望的单晶结构，熔体优选用单晶半导体材料组成的籽晶接种，特别是用单晶硅组成的籽晶，该籽晶能够特别地从下方浸入到熔体中。熔体相应地在冷却过程中沿着其下端的凝固前沿而凝固成单晶结构。在本申请人的、案卷号为DE 102010011853. 2的、还未公开的德国专利申请以及公开号为W02010/060630、案卷号为PCT/EP2009/008457的国际申请中都描述了用于获得硅的方法，其中获得了液态形式的硅。在此描述的本专利技术基于这些方法。PCT/ EP2009/008457的内容在此并入本说明书的内容中。为了提供液态起始材料，在优选的实施方式中，半导体材料的颗粒和/或半导体材料的前体化合物供给到气流中，正如引证的两个专利申请所描述的。任选地，半导体材料的颗粒和半导体材料的前体化合物两者都被供给到气流中。气流具有足够高的温度，以将半导体材料的颗粒由固态转变为液态和/或气态和/或热分解前体化合物。半导体材料的前体化合物原则上也能被直接加热，以便例如通过借助静电场或电磁场向其供入的能量发生前体化合物的热分解，以将其转变成等离子状状态。然而，优选地，为了进行分解，将它供给到高度加热的气流中。半导体材料的颗粒特别是金属硅的颗粒，例如当锯切硅块形成硅组成的薄晶片时，能够大量获得这种颗粒。在一些情况下，颗粒可以在表面上至少轻微被氧化。半导体材料的前体化合物优选是硅氢化合物，特别优选甲硅烷(SiH4)。然而，使用其他含娃化合物，特别是氯代娃烧，例如特别是二氯娃烧(SiHCl3)也是可能的。向其中供送半导体材料颗粒和/或半导体材料的前体化合物的气流通常包括至少一种载气。在优选的实施方式中，它由这种载气组成。在具有至少一种载气的混合物中， 半导体材料的前体化合物所占的比例特别优选为5重量％至99重量％，特别是5重量％至 50重量％，特别优选5重量％至20重量％。合适的载气特别是氢，特别是当前体化合物是硅-氢化合物时，它是特别有利的。在另一优选实施方式中，载气也可以是载气混合物，例4如由氢气和稀有气体特别是氩气组成。那么，在载气混合物中包含的稀有气体含量为I %至 50%。气流优选具有500 V至5000 V，特别优选1000 V至5000 V，特别是2000 V至 4000°C的温度。在这样的温度，首先例如硅颗粒能够液化或者在气流中甚至至少部分蒸发。 硅_氢化合物和其他可想到的半导体材料前体化合物在这样的温度也通常容易分解成它们的元素组成部分。特别优选地，气流是等离子体，特别是氢等离子。已知的是，等离子体是包含显著数量自由电荷载流子如离子或电子的部分电离气体。等离子体总是通过引入外部能量而获得，引入外部能量特别是通过热激发、辐射激发或通过静电场或电磁场激发而产生。后面的激发方法在该情况下特别优选的。相应的等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：U·克拉特，C·施密德，J·哈恩，
申请(专利权)人：施米德硅晶片科技有限责任公司，
类型：
国别省市：