[发明专利]晶体半导体材料的制备

说明书

本申请描述了制造特别适用于光伏和微电子中的晶体半导体材料的方法。

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”与允许有稍微更高杂质含量的“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。后者热分解成其组成部分硅和氢。相应的方法步骤例如描述在WO2009/121558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。特别地，就此而言提及通过定向凝固和区域熔化(Zonenschmelzen)的纯化。此外，对于许多应用来说，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。因此，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。多晶硅转变成单晶硅的常用方法是切克拉斯基法(Czochrailski)和使用自由浮动熔体(frei schwebender Schmelze)的垂直无坩埚流动区域法(浮区法)。

总的来说，高纯硅或任选的高纯单晶硅的制备，涉及到极高的能耗；其特征在于一系列的化学过程和物态的变化。在本上下文中，例如参考已提到的WO2009/121558。所描述的多步骤方法中获得的硅在热解反应器中以固体棒形式形成，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中。

这种情况下描述的本发明基于本申请人提交的、申请号为DE10 2010 011 853.2的、还未公开的专利申请中以及申请号为PCT/EP2009/008457、公开号为WO2010/060630的国际申请中描述的那些发明，并且每种情况都涉及到以液态形式获得硅的方法。本申请人的进一步研制导致了包含权利要求1特征的方法。本发明方法的优选实施方式描述在从属权利要求2-5中。所有权利要求的表述在此以引证方式并入在本说明书中。同样地，PCT/EP2009/008457的内容在此以引证的方式并入到本说明书中。

本发明的方法是用于制造晶体半导体材料特别是晶体硅的方法。该方法包括多个步骤，即：

(1)向气流中供送半导体材料的颗粒或者替代地供送半导体材料的前体化合物，其中，所述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成液态和/或气态，和/或以将前体化合物热分解。任选地，可以向气流中同时供送半导体材料的颗粒以及半导体材料的前体化合物。

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以大量获得的那些颗粒。在一些情况下，颗粒可以在表面上至少轻微被氧化，但它们优选由金属硅组成。

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，例如氯代硅烷的分解，特别是如三氯硅烷(SiHCl₃)的分解也是能想到的。

在其中供送入半导体材料的颗粒和/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，并在优选实施方式中，它由这样的载体组成。一种合适的载气特别是氢，当前体化合物是硅-氢化合物时是特别有利的。在另一优选实施方式中，载气也可以是氢气和稀有气体特别是氩气的载气混合物。载气混合物中包含的稀有气体优选在1％到50％的量。

优选地，气流具有500到5000℃的温度，优选为1000和5000℃，特别优选为2000和4000℃。在这样的温度，首先例如硅颗粒可被液化或在气流中甚至至少部分蒸发。在这样的温度，硅-氢化合物也通常容易地分解。

特别优选地，气流为等离子体，特别是氢等离子体。已知的是，等离子体是包含显著份额自由电荷载流子如离子或电子的部分电离气体。等离子体总是通过外部能量供入而获得，外部能量源特别能通过热激发、辐射激发或通过静电场或电磁场激发而产生。后者的激发方法在本申请中是特别优选的。相应的等离子体发生器可市售获得，且不需要在本申请中进行详细说明。