[发明专利]用于生产具有单晶或多晶结构的材料的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生产具有单晶或多晶结构的材料的装置和方法。根据本发明的装置和根据本发明的方法优选地用于生产单晶硅。

背景技术

半导体相容性硅，尤其是用于光电池中的半导体相容性硅的多种生产方法可以从现有技术中获知。举例来说，使多晶硅在石英坩埚中熔融的方法、丘克拉斯基法(Czochralski method)以及区域提拉法(zonal pulling method)是已知的。

在已经使多晶硅在石英坩埚中熔融之后，进行缓慢冷却，这会对品质造成不利。因而会存在大小不同的无数个结晶区，因此初始产物是多晶的。这种熔融方法的优势在于在一次操作中可以使大量的硅，例如800kg的硅熔融。然而，因为在结晶过程结束时不存在单晶，所以因许多晶格改变而没有获得所形成多晶的优选半导体特性。

在丘克拉斯基法中，这种方法也被称为坩埚提拉法，使硅在坩埚中在略高于熔点的温度下熔融，然后经由单晶晶种通过旋转从熔体中拉出晶体。与在石英坩埚中熔融多晶硅相比，这会产生具有用于光电池的显著更佳的晶体特性的单晶。

在石英坩埚中进行熔融与丘克拉斯基法都具有许多缺点：

由于在石英坩埚中的停留时间较长，所以氧从石英坩埚中释放到硅熔体中。这些氧原子被结合到晶体中。在将石墨加热器用于坩埚以便维持温度时，碳原子会升华至惰性气氛中并且释放到熔体中。在这种情况下，这些也被结合到晶体中。这会使得半导体特性受到不利地影响，因此会使得自由电子的寿命严重缩短，从而导致基于这种材料生产的光电池的效率降低。

在区域提拉法中克服了熔融方法和丘克拉斯基法的质量缺点。区域提拉法也被称为浮区法。

在区域提拉法中，通过感应加热来进行加热。更确切地说，沿着感应线圈引导多晶硅棒。使硅棒从底部向上再熔融成单晶。所得到的单晶具有高纯度。与丘克拉斯基法和熔融法对比，区域拉晶法的优势在于不会引起与电子寿命有关的不利材料特性。此外，所需要的能量输入由于仅有限区域的硅被熔融而更低，并且因此使得辐射损失显著更低。

区域提拉法的缺点在于需要高品质的多晶棒作为初始材料。因此，在区域提拉法中，在几何形状和不存在裂纹方面对多晶棒存在高要求。必须花费大量的时间来生产这些高品质的多晶棒，因此导致生产成本高昂。

在专利申请公开出版物DE4216519A1中试图将区域提拉法的优势与用于便利地生产多晶硅的方法的优势组合起来。更确切地说，将颗粒状硅从上方引入到可重复使用的硅管中。这种硅进入熔融区，所述熔融区使硅管封闭并且在所述熔融区中通过感应加热进行加热。

根据DE4216519A1的方法的缺点在于严格的对于均质的材料品质的要求并且必须存在受到高度控制的材料跟踪。这种材料跟踪旨在防止熔体的不受控制的泄露以及后续的整个再熔融操作的可能终止。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生产具有单晶结构或多晶结构的材料的装置和方法，在所述装置和方法中，克服了现有技术的缺点。具体来说，将生产高品质的单晶材料或多晶材料。

此外，将借助于本发明实现与输送中的波动有关的稳健性，并且优选地能够有可能连续地输送初始材料。在本发明的具体改进方案中，将在不使用生产复杂的多晶硅棒的情况下生产单晶硅棒。通过使用能够被便利生产的微粒状多晶硅部分，优选地将避免以高成本使用多晶棒的缺点。

借助于根据权利要求1所述的方法和根据权利要求5所述的装置来避免这个主题。

根据本发明的实施方案包含在从属权利要求中。

对权利要求书进行评估

根据本发明的第一方面，提供了一种用于生产具有单晶结构或多晶结构的材料的方法，所述方法具有以下步骤：

-将微粒材料混合物引入到容器的入口中，

-在容器的熔融区中加热所述材料混合物，以及

-经由容器的入口与出口之间的压力差对熔融区中的所述材料混合物进行静态支撑。

从而可以实现材料的连续熔融。还有利的是，有可能使用具有初始颗粒状基础的材料。

在根据本发明的方法中，对应于上述第一方面，根据第二方面，优选的是，在由容器分开并且之间存在压力差的两个腔室之间进行静态支撑。这一改进方案的有利之处在于单独地调节每个腔室的压力或者通过调节压力差使这些腔室彼此连接。因此可以在设备方面以较低的费用实现压力差。