[发明专利]半导体棒材或块材的生产方法及设备

说明书

本发明涉及一种通过由粒状材料的熔体的结晶固化时膨胀的半导体棒材或块材的方法，以及实现此方法的设备。

单晶或多晶硅棒或硅块通常是由克祖克拉尔斯基（Czoch ralski）坩锅拉伸法、无坩锅的区域拉伸法，或铸造法生产，在铸造法中，硅熔体被注入石英或石墨模具中进行受控固化。区域拉伸法需要用在精密监测条件下进行缓和气相沉积过程生产的多晶坯棒。尽管用于坩锅拉伸法或铸造法的起始材料可为相比之下耗力较小的沉积的多晶硅片，但所用的坩锅或模具可能造成污染和附加费用。德国专利DE-A2925079或相应的美国专利U5A-4，312，700所述的方法中也存在着类似的问题，因为熔融的硅与器壁长时间接触。在上述专利中，将在另外的熔融坩锅中生产出的硅熔体供给一个结晶槽，在结晶槽中保持着相当量的熔体，结晶材料就是由此向下拉伸出来。德国专利DE-A-3531610也用了这种方法，其中熔体被由对硅惰性的材料生产的滚轴所包围，将熔融硅倾到自由表面上，同时以与上述类似的方法将固化物向下拉伸出来。所述铸造方法主要用于生产太阳能电池的基材，而坩锅拉伸或区域拉伸所得到的棒材则通常被锯成晶片，在多数情形下由这些晶片来生产电子或动力元件。不同方法的应用范围都是有限的，譬如，用铸造式或坩锅拉伸法不能生产相应于区域拉伸法生产的材料，例如它们在杂质的类型及比例就不相同。此外，某些方法不利于能量平衡，一方面，必须以大的能耗来制备相当大量的熔体，另一方面在结晶后，相应的大量能量不得不被冷却过程白白地消耗掉。

因而本发明的一个目的在于提供一种可广泛利用的方法，对于半导体材料例如锗或特别是硅，本方法可以有利的能量平衡来生产单晶硅棒以及多晶硅块，它们均可满足最高级的纯度要求，特别是在生产单晶材料时，可使用粒状材料而勿需使用熔融坩锅。

本发明目的通过下述方法而实现：该方法包括将熔融相的半导体材料覆盖在该材料的固相上，在固相的对面有一个自由表面，在结晶过程中，通过供给能量并连续地或间歇地向熔体自由表面供给粒状材料的方式来保持熔融相的存在，而在熔体表面的相对表面，使该半导体材料在固体半导体相上生长。

产生和保持半导体材料尤其是硅的熔融相所需的能量最好以辐射能的形式供给。用电子辐射是特别有利的，因为这种能量供应能满足半导体技术中常有的纯度要求而不发生问题，同时辐射能的剂量和作用区域也可容易地控制和改变。可使用一个或多个辐射源来作用于需要熔化或保持熔融状态的区域，以保证有足够的能量供应于熔融硅相的整个自由表面上。在许多情况下用一个或多个电子束扫描要辐照面积也被证明是有利的，用多个电子束时其每一束电子作用于一个小于辐照面积的次面积上。原则上，使用其他种电磁辐射，诸如用激光或高能光源（例如汞汽灯）直接照射到需被照射的面积上也是可行的，若需要，用合适的反射镜扫描或聚光以保证均匀的辐射到照射区也是可能的。在另一实施方式中，保持半导体材料处于熔融相的能量是藉助于感应加热线圈供给。合适的感应线圈已公知譬如来自浮动区域结晶生长。

上述方法基本上适用于所有在固化时呈现体积膨胀现象的半导体材料的结晶。这类半导体材料在固态时的密度小于熔融态时的密度，它们基本上是元素半导体锗，特别是硅，是目前最重要的用于电子学和太阳能电池技术中的半导体材料，在固化时其体积增加约10%。为简化起见，以下实验例中仅涉及硅，但也可类似地应用于锗或其他材料，特别是固化时膨胀的半导体材料。