[发明专利]制造单晶或多晶半导体材料的方法

说明书

本申请案主张2007年12月19日申请的德国专利申请案第10 2007 061 704.8号“制造单晶或多晶材料的方法(Method for Producing a Monocrystalline or PolycrystallineMaterial)”以及2008年5月8日申请的德国专利申请案第10 2008 022 882.6号“使半导体材料、尤其硅结晶的方法(Method for Crystallization of a Semiconductor Material，inparticular of Silicon)”的优先权，所述专利的完整内容是以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及经由定向凝固、尤其使用称为垂直梯度冷冻法(在下文中称为VGF法)的方法来制造单晶或多晶材料的方法和装置，并且具体来说，涉及制造用于光电应用的多晶硅的方法和装置。

背景技术

一般来说，用于光电的太阳能电池可由单晶硅或多晶硅制成。而高质量太阳能电池则是由硅单晶体制成，其在技术上更为复杂且因此更为昂贵；不太昂贵的太阳能电池通常是由多晶硅制成，其不太复杂且因此较具成本效益。因此，具体来说，在多晶硅的制造中，使成本降低且使技术复杂性降低的特征起到重要作用。

通常，用块状硅填充熔化坩埚。在这种情况下，在后续的熔化形成液体硅的过程中，由于与先前存在的原料相比，熔融硅的密度显著不同，因而发生相当大的体积收缩。因此，在常规方法的情况下，仅可有效使用一小部分熔化坩埚体积。根据现有技术，已知多种措施来补偿所述体积收缩。

US 6,743,293 B2揭示一种制造多晶硅的方法，其中将具有相应轮廓的环形附件附接于熔化坩埚的上缘，以便整体形成具有较大体积的容器构造。将硅原料引入所述容器构造中。在将硅熔化后，将硅熔融物填入整个熔化坩埚，但未达到由环形附件所封闭的体积。然而，所述容器构造需要具有较大体积、尤其较大高度的结晶系统；出于涉及能量的原因，这是不合需要的。此外，难以提供尺寸合适的稳定环形附件以供再使用。

作为上述方法的替代方法，已知在使用丘克拉斯基法(Czochralski method)操作的结晶系统中，应连续或不连续地补充块状原材料以至少部分地补偿由熔化坩埚中的原材料熔化所引起的体积收缩。

EP 0 315 156 B1揭示一种此类型的结晶系统，其中经由供应管将结晶材料供应到熔化坩埚中。在供应管中提供横截面缩窄或轮廓弯曲形式的减速构件，以便降低结晶材料的下落速度。并未揭示主动预热结晶材料。

EP 1 338 682 A2揭示一种使用丘克拉斯基法的结晶系统，其中结晶材料经由倾斜管滑入熔化坩埚中。JP 01-148780 A揭示一种相应的构造。然而，在这种情况下，须采取复杂的措施以在无喷溅的情况下将结晶原材料引入熔化坩埚中。这是因为结晶系统中的热熔融物的喷溅会导致元件损坏并产生难以再去除的杂质。并未揭示主动预热结晶材料。

US 2004/0226504 A1揭示一种复杂的翼板机构，其用于在将结晶材料倒入熔化坩埚中的过程中，降低所述材料的下落速度。US 2006/0060133 A1揭示一种结晶系统，其中结晶硅从垂直管下落到熔化坩埚中。所述管的下端是由圆锥形切断体(conical shut-offbody)密封，所述切断体赋予结晶材料以径向移动分量。并未揭示主动预热结晶材料。

上述机械解决方案的替代方式为适当选择过程参数，以便部分地使熔融物表面在补充结晶材料的时间点时凝固。这揭示于(例如)JP 11/236290 A或JP 62/260791 A中。然而，熔融物表面在熔化坩埚中凝固会导致过程中不合需要的减速。

EP 1 337 697 B1揭示一种使用丘克拉斯基法的结晶系统，其中仅将结晶硅沉积于仍是固体硅的岛状物上。这些岛状物需借助视频系统和复杂的影像评估来测定。为撞击这些岛状物，需以适当方式将用于输送结晶硅的输送构件移到熔化坩埚中，而这极为复杂。

在使用丘克拉斯基法操作的所有结晶系统中，熔化坩埚都是从底部加热。在使用VGF法制造结晶材料时，原材料是从上方熔化。