單晶半導體材料的制造制造技術

本發明專利技術涉及一種用于制造單晶半導體材料的方法，其中半導體材料提供為起始材料，將起始材料傳送到加熱區域，在加熱區域中將起始材料供送到半導體材料的熔體中，熔體從加熱區域下降和/或升高加熱區域，使得在熔體下端形成凝固前沿，沿該凝固前沿半導體材料結晶成期望的結構，其中該起始材料由液態半導體材料制備并以液態形式供給到熔體中。本發明專利技術還涉及用于制造單晶半導體材料的裝置，包括用作起始材料的液態半導體材料源，用于制造和/或保持半導體材料制熔體的加熱器件以及優選的用于控制用作起始材料的液態半導體材料供給到熔體中的器件。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】CN 102947025 A書明說1/6頁單晶半導體材料的制造本專利技術涉及用于制造單晶半導體材料特別是單晶硅的方法。此外，本專利技術涉及用于制造這種單晶半導體材料的裝置。元素硅以不同的純度尤其使用在光伏(太陽能電池)和微電子(半導體，計算機芯片)中。因此，通常根據其純度來對元素硅進行分類。例如區分為具有PPT范圍雜質含量的“電子級硅”與允許有略微更高雜質含量的“太陽能級硅”。在太陽能級硅和電子級硅的制造中，常常從冶金硅(通常98-99%純度)出發并通過多步驟的復雜方法進行純化。因此，例如能夠使用氯化氫在流化床反應器中將冶金硅轉變為三氯硅烷，所述三氯硅烷隨后歧化形成四氯化硅和甲硅烷。后者熱分解成元素組成部分硅和氫。相應的方法步驟例如描述在W02009/121558中。以這種方式獲得的硅在各種情況下具有至少一種足夠高的純度，以便被分類為太陽能級硅。任選地，通過隨后附加的純化步驟能夠獲得甚至更高的純度。同時，對于許多應用來說，以上述方法形成并通常以多晶形式獲得的硅轉變成單晶硅是有利的或者甚至是必需的。例如，由單晶硅制成的太陽能電池的效率通常顯著高于由多晶硅制成的太陽能電池。·多晶硅轉換成單晶通常是由多晶硅熔化以及隨后在籽晶幫助下結晶成單晶結構而完成。能夠制造具有極高純度的硅單晶的單晶硅制造技術之一是所謂的浮區法(FZ)， 該方法由Keck和Golay首次提出。FZ法的實施方式以及適合這種方法的設備顯示在EP 1595006 BI 中。FZ技術具有一些比其他替代方法例如已知的切克拉斯基法(Czochralski)顯著的優勢，特別是就獲得的單晶硅純度而言。這是因為在FZ法中，用于晶體生長的硅熔體并不保持在坩堝中。取而代之地，由多晶硅組成的棒的下端下降到感應加熱系統的加熱區域中并小心熔化。熔融硅組成的熔體聚集在硅棒下方，單晶硅組成的籽晶通常從下方浸入到所述熔體中。籽晶一旦被硅熔體浸潤，通過硅熔體被緩慢地從加熱區域降低，晶體生長就開始了。同時待熔化的娃棒必須從上方補充(nachfiihren),以使熔體的體積基本上保持恒定。 熔體下降的過程中，在其底側形成凝固前沿，沿著該凝固前沿，液態硅結晶成期望的結構。從冶金硅出發進行單晶硅的制備涉及極高的能耗。其特征在于一系列復雜的化學過程和物態變化。就此而言，例如參考已提到的W02009/121558。其中描述的多步驟方法中獲得的硅在熱解反應器中以固體棒(Stangen)形式形成，任選地，固體棒必須被粉碎和重新熔化以進行后續進一步處理，例如在切克拉斯基法或FZ法中。本專利技術所基于的目的是提供一種制造單晶硅的新技術，相對于現有技術已知的方法步驟，該技術的顯著優點特別在于簡化的方法步驟以及能量優化。該目的通過包含權利要求I特征的方法以及包含權利要求10特征的裝置來實現。 本專利技術方法的優選實施方式在從屬權利要求2-9中找到。本專利技術裝置的優選實施方式描述在從屬權利要求11和12中。所有權利要求的表述通過引證的方式并入到本說明書的內容中。通過本專利技術的方法，原則上能夠獲得各種單晶形式的半導體材料。特別地，本專利技術3的方法適用于制造單晶硅。在這種情況下，它總是包括至少以下步驟I在一個步驟中，提供半導體材料作為起始材料。半導體材料優選是硅。2.在另一步驟中，將起始材料傳送到加熱區域中。由半導體材料組成的熔體位于所述加熱區域中，向所述熔體供給起始材料。熔體如在傳統FZ法，例如EP1595006B1中描述的方法中的那樣是自由浮動的熔體。這應該理解為不與容器如坩堝的壁接觸的熔體。取而代之地，其穩定性以無接觸方式保持，這將在下面更詳細地討論。3.通過將熔體從加熱區域下降或替代地通過升高加熱區域，能夠導致在熔體下端處形成凝固前沿，沿著該凝固前沿，半導體材料凝固成期望的單晶結構。原則上，從加熱區域降低熔體以及上述升高加熱區域也可同時發生。本專利技術方法特別顯著的特點在于，半導體材料的起始材料以液態形式提供，以及也以液態形式供入熔體中。因此，本專利技術的方法與傳統的FZ法具有一些共同點，特別是上述的“自由浮動熔體”。原則上根據現有技術已知的，例如EP 1595006B1中所提及和描述的做法能夠特別是通過從加熱區域降低熔體而保持和穩定熔體以及冷卻熔體。然而，與傳統的FZ法相比，熔體不通過補充固態半導體材料，特別是固體硅棒而供給，如引言中所述。取而代之地，向熔體供給并非直接在熔體上方才熔化、而是已成液態形式的起始材料。·為了形成期望的單晶結構，熔體優選用單晶半導體材料組成的籽晶接種，特別是用單晶硅組成的籽晶，該籽晶能夠特別地從下方浸入到熔體中。熔體相應地在冷卻過程中沿著其下端的凝固前沿而凝固成單晶結構。在本申請人的、案卷號為DE 102010011853. 2的、還未公開的德國專利申請以及公開號為W02010/060630、案卷號為PCT/EP2009/008457的國際申請中都描述了用于獲得硅的方法，其中獲得了液態形式的硅。在此描述的本專利技術基于這些方法。PCT/ EP2009/008457的內容在此并入本說明書的內容中。為了提供液態起始材料，在優選的實施方式中，半導體材料的顆粒和/或半導體材料的前體化合物供給到氣流中，正如引證的兩個專利申請所描述的。任選地，半導體材料的顆粒和半導體材料的前體化合物兩者都被供給到氣流中。氣流具有足夠高的溫度，以將半導體材料的顆粒由固態轉變為液態和/或氣態和/或熱分解前體化合物。半導體材料的前體化合物原則上也能被直接加熱，以便例如通過借助靜電場或電磁場向其供入的能量發生前體化合物的熱分解，以將其轉變成等離子狀狀態。然而，優選地，為了進行分解，將它供給到高度加熱的氣流中。半導體材料的顆粒特別是金屬硅的顆粒，例如當鋸切硅塊形成硅組成的薄晶片時，能夠大量獲得這種顆粒。在一些情況下，顆粒可以在表面上至少輕微被氧化。半導體材料的前體化合物優選是硅氫化合物，特別優選甲硅烷(SiH4)。然而，使用其他含娃化合物，特別是氯代娃燒，例如特別是二氯娃燒(SiHCl3)也是可能的。向其中供送半導體材料顆粒和/或半導體材料的前體化合物的氣流通常包括至少一種載氣。在優選的實施方式中，它由這種載氣組成。在具有至少一種載氣的混合物中， 半導體材料的前體化合物所占的比例特別優選為5重量％至99重量％，特別是5重量％至 50重量％，特別優選5重量％至20重量％。合適的載氣特別是氫，特別是當前體化合物是硅-氫化合物時，它是特別有利的。在另一優選實施方式中，載氣也可以是載氣混合物，例4如由氫氣和稀有氣體特別是氬氣組成。那么，在載氣混合物中包含的稀有氣體含量為I %至 50%。氣流優選具有500 V至5000 V，特別優選1000 V至5000 V，特別是2000 V至 4000°C的溫度。在這樣的溫度，首先例如硅顆粒能夠液化或者在氣流中甚至至少部分蒸發。 硅_氫化合物和其他可想到的半導體材料前體化合物在這樣的溫度也通常容易分解成它們的元素組成部分。特別優選地，氣流是等離子體，特別是氫等離子。已知的是，等離子體是包含顯著數量自由電荷載流子如離子或電子的部分電離氣體。等離子體總是通過引入外部能量而獲得，引入外部能量特別是通過熱激發、輻射激發或通過靜電場或電磁場激發而產生。后面的激發方法在該情況下特別優選的。相應的等離子體本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：U·克拉特，C·施密德，J·哈恩，
申請(專利權)人：施米德硅晶片科技有限責任公司，
類型：
國別省市：