[发明专利]用于生产结晶半导体锭的坩埚及其制造方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及生产用于光伏应用的半导体晶体，如硅。特别地，本发明涉及特定的坩埚，其特别适合于生产单晶或准单晶半导体锭，用于采用结晶晶种生产半导体晶片。

背景技术

诸如硅的半导体晶片在光伏应用中被广泛用于将光子能量转换成电能。理想情况下，使用单晶半导体，比如单晶硅(MCS)，得到18-19％数量级的电转换率。然而，半导体单晶体的生产相当缓慢并且费用高，通常采用Czochralski拉制工艺。描述于例如US2008/053368、US2011/214603和WO2011/083529中的Czochralski拉制工艺由拉制和从大量熔融半导体中结晶出锭的步骤组成。必须严格控制拉制条件以最大限度地减少缺陷的形成，并且特别的是，锭的拉制速率必须非常之低，这将生产成本增加到超出了光伏产业所能承受的范围。因此通过Czochralski拉制工艺生产的半导体通常用于电子应用，很少用于光伏应用。

例如在US2007/227189中所述，一种便宜得多的半导体晶片类型是多晶的，如多晶硅(PCS)，通常是采用Bridgman生长技术生产的，其中按受控的方式将容纳于坩埚中的大量熔融半导体材料冷却，以从坩埚的底部将材料固化，并使晶体-液体前沿朝着坩埚的顶部向上移动。为实施这种工艺，将坩埚放置在炉中并且用半导体原料进行填充。启动炉以熔化原料整体。然后用放置在坩埚下面的散热器使热量穿透底部底板而被抽取；通常散热器包括在管中流动的气体。通过改变气体流速有可能控制自原料抽取热量的速率。在与底板接触的原料层内的温度达到结晶温度时，晶体将自底部底板开始生长，并随着结晶前沿的行进而向上延伸。与Czochralski拉制工艺生产约100kg批料相比，采用Bridgman技术可生产多达500kg的批料。当通过Bridgman技术生产的多晶半导体锭的成本为采用Czochralski技术生产的单晶锭的成本的约三分之一时，与用单晶晶片获得的转换率相比，用多晶晶片获得的约14-16％的转换率是相当低的。

近期研究已表明，可采用Bridgman技术生产单晶或准单晶半导体锭，方式是通过用单晶晶种铺盖坩埚的底板，该单晶晶种为例如通过Czochralski技术获得的单晶半导体材料的几个毫米到厘米厚的板。这样的结果例如在FR2175594、WO2010/005705、US2011/0146566和US2010/0003183中给出。与原料接触的晶种的顶表面应随之一起熔化。必须在晶种的底表面开始熔化前自坩埚的底部抽取热量，使得可自部分熔化的晶种生长单晶锭，在结晶进行时注意保持稳定的固化前沿。因此必须非常精确地控制坩埚内的温度特性(temperature profile)。

用于结晶锭生长的坩埚通常是敞开的箱形的，其底板和通常四个竖直侧壁限定内部体积，并且由基于氧化硅的耐火材料制成。这种坩埚的生产和使用条件强制要求不能存在尖锐的边缘，以免高应力集中将在制造期间或者在装载坩埚并使之经历严峻的热循环时导致裂缝形成并蔓延。出于这个原因，坩埚的底板通过形成曲率半径而连接竖直的侧壁。类似地，两个相邻的侧壁也通过形成曲率半径连接。

采用Bridgman工艺进行半导体锭的(准)单晶生长的限制是，除了自底板生长的单向晶体Xu外，自坩埚的侧向壁还生长出横向晶体Xt，方向垂直于(transverse to)单晶体的一般生长方向，如图5(a)所示。特别地，当使用单晶体晶种时，曲率半径在底板与侧壁之间相交处的必要存在可防止晶种完全覆盖底板。因此在坩埚壁与竖直生长的锭之间必然存在间隙。自侧壁生长的横向晶体将主要产生于此间隙中。对于自底部底板竖直生长的多晶晶体，类似的情况也将是普遍的。这些横向晶体的长度t1可达到几个cm，并且它们侵入相邻的单向晶体可在其晶格中产生缺陷，必须将其从锭上修整掉并再次熔化，因为它们不适合用于光伏应用，对工艺的有效性是不利的。

本发明提出了通过Bridgman工艺生产(准)单晶半导体锭的解决方案，该工艺中自坩埚的侧向壁生长的横向晶体厚度基本上低于此后达到的厚度。继续部分给出本发明的这个及其它优点。

发明内容