專利名稱：半導體棒材或塊材的生產(chǎn)方法及設備的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種通過由粒狀材料的熔體的結(jié)晶固化時膨脹的半導體棒材或塊材的方法，以及實現(xiàn)此方法的設備。
單晶或多晶硅棒或硅塊通常是由克祖克拉爾斯基(Czoch ralski)坩鍋拉伸法、無坩鍋的區(qū)域拉伸法，或鑄造法生產(chǎn)，在鑄造法中，硅熔體被注入石英或石墨模具中進行受控固化。區(qū)域拉伸法需要用在精密監(jiān)測條件下進行緩和氣相沉積過程生產(chǎn)的多晶坯棒。盡管用于坩鍋拉伸法或鑄造法的起始材料可為相比之下耗力較小的沉積的多晶硅片，但所用的坩鍋或模具可能造成污染和附加費用。德國專利DE-A2925079或相應的美國專利U5A-4，312，700所述的方法中也存在著類似的問題，因為熔融的硅與器壁長時間接觸。在上述專利中，將在另外的熔融坩鍋中生產(chǎn)出的硅熔體供給一個結(jié)晶槽，在結(jié)晶槽中保持著相當量的熔體，結(jié)晶材料就是由此向下拉伸出來。德國專利DE-A-3531610也用了這種方法，其中熔體被由對硅惰性的材料生產(chǎn)的滾軸所包圍，將熔融硅傾到自由表面上，同時以與上述類似的方法將固化物向下拉伸出來。所述鑄造方法主要用于生產(chǎn)太陽能電池的基材，而坩鍋拉伸或區(qū)域拉伸所得到的棒材則通常被鋸成晶片，在多數(shù)情形下由這些晶片來生產(chǎn)電子或動力元件。不同方法的應用范圍都是有限的，譬如，用鑄造式或坩鍋拉伸法不能生產(chǎn)相應于區(qū)域拉伸法生產(chǎn)的材料，例如它們在雜質(zhì)的類型及比例就不相同。此外，某些方法不利于能量平衡，一方面，必須以大的能耗來制備相當大量的熔體，另一方面在結(jié)晶后，相應的大量能量不得不被冷卻過程白白地消耗掉。
因而本發(fā)明的一個目的在于提供一種可廣泛利用的方法，對于半導體材料例如鍺或特別是硅，本方法可以有利的能量平衡來生產(chǎn)單晶硅棒以及多晶硅塊，它們均可滿足最高級的純度要求，特別是在生產(chǎn)單晶材料時，可使用粒狀材料而勿需使用熔融坩鍋。
本發(fā)明目的通過下述方法而實現(xiàn)該方法包括將熔融相的半導體材料覆蓋在該材料的固相上，在固相的對面有一個自由表面，在結(jié)晶過程中，通過供給能量并連續(xù)地或間歇地向熔體自由表面供給粒狀材料的方式來保持熔融相的存在，而在熔體表面的相對表面，使該半導體材料在固體半導體相上生長。
產(chǎn)生和保持半導體材料尤其是硅的熔融相所需的能量最好以輻射能的形式供給。用電子輻射是特別有利的，因為這種能量供應能滿足半導體技術(shù)中常有的純度要求而不發(fā)生問題，同時輻射能的劑量和作用區(qū)域也可容易地控制和改變?？墒褂靡粋€或多個輻射源來作用于需要熔化或保持熔融狀態(tài)的區(qū)域，以保證有足夠的能量供應于熔融硅相的整個自由表面上。在許多情況下用一個或多個電子束掃描要輻照面積也被證明是有利的，用多個電子束時其每一束電子作用于一個小于輻照面積的次面積上。原則上，使用其他種電磁輻射，諸如用激光或高能光源(例如汞汽燈)直接照射到需被照射的面積上也是可行的，若需要，用合適的反射鏡掃描或聚光以保證均勻的輻射到照射區(qū)也是可能的。在另一實施方式中，保持半導體材料處于熔融相的能量是藉助于感應加熱線圈供給。合適的感應線圈已公知譬如來自浮動區(qū)域結(jié)晶生長。
上述方法基本上適用于所有在固化時呈現(xiàn)體積膨脹現(xiàn)象的半導體材料的結(jié)晶。這類半導體材料在固態(tài)時的密度小于熔融態(tài)時的密度，它們基本上是元素半導體鍺，特別是硅，是目前最重要的用于電子學和太陽能電池技術(shù)中的半導體材料，在固化時其體積增加約10%。為簡化起見，以下實驗例中僅涉及硅，但也可類似地應用于鍺或其他材料，特別是固化時膨脹的半導體材料。
上述方法第一步是生成一個覆蓋到固體硅上的熔融硅相，該熔融硅相在與此固體相界面相對方向上有自由表面。例如可通過熔融具有所需截面和所需晶體結(jié)構(gòu)(如圓形、長方形或正方形)的單晶硅或多晶硅來達到這一點，所用的單晶硅或多晶硅同時還用作晶種，由其晶面直到在未熔融的殘留晶體上形成所需深度的熔體池(Pool of melt)。若需要，熔體池的外部周邊可用支撐或成形部件加以穩(wěn)定。另一種可能包括提供一種例如碟形或薄片的硅，使其逐漸以如下方式熔融，其結(jié)果是形成了在其周邊環(huán)繞著一圈未熔固體硅的透鏡狀熔體。此透鏡狀熔體池的直徑能通過改變輻射面積，例如通過減小或擴大并最終確定由此所得的晶體之橫截面來加以調(diào)整。與吸收輻射能的自由表面相對的透鏡狀熔體的表面上適合于安置晶種或藉助于其作用而使晶種穩(wěn)定的支撐晶體，于是結(jié)晶作用即可開始。再一種生成熔體池的可能是將粒狀材料涂覆到，例如片形、碟形或塊形的基礎晶體，若需要時則可作出一個凹陷或切槽，的面對輻射源的表面上，并將所述的粒狀材料熔融，也可再提供一個最好是大塊硅制成的夾具，架在形成的熔體池各邊的周圍。該粒狀材料也可不必全部熔化;因此可在基礎晶體和實際熔體池之間形成一個粒狀材料的燒結(jié)中間層，特別是不準備制備單晶產(chǎn)物時。在此情況下，也可直接將中間層用于基質(zhì)之上，該基質(zhì)最好是可冷卻的并由例如金屬或陶瓷材料構(gòu)成，而不用硅基礎晶體。
所述方法中，欲加入之粒狀材料的顆粒大小較好為0.1～10毫米，優(yōu)選為1～6毫米，該尺寸是指，在每種情況下，該材料完全通過相當于所選上限尺寸篩孔的篩，而不能通過相當于所選下限尺寸篩孔的篩。當用較小顆粒尺寸的粒狀材料時，經(jīng)驗指出在貯槽中存在著渦流的危險，而同時，較大的顆粒則可能在熔體中浸沒深度太大，并可干擾結(jié)晶前沿?？蓮墓?，商品粒狀硅材料中用常規(guī)的分級方法，例如過篩的方法，將合適大小的顆粒部分與比較大的顆粒分開。其中，細顆粒部分可用例如具有0.1毫米篩孔的篩分去，而粗顆粒部分可用具有10毫米篩孔的篩除去，因而最終留下顆粒度在上下限之間變化的顆粒狀材料。然而，特別是在單晶生長或高度自動化的過程中，將選用相對來說更窄的范圍，最好1～6毫米，由此可預期加入的粒狀材料有更均一的熔融性能。粗顆粒材料也有其優(yōu)點，因其表面積較小，故由顆粒外圍的氧化物層帶入體系中的氧含量也就較少。例如可用將沉積于熱載體上的多晶硅進行機械破碎的方法生產(chǎn)粒狀材料。類似的，用流化床沉積法生產(chǎn)的粒狀材料也是合適的，此種材料一般幾乎是球形的。
當熔體池達到所需的寬度和深度并且熔融相與固體相的相邊界已達穩(wěn)定的位置時，所述方法的第一階段即結(jié)束。通過熔體的自由表面(free melt surface)供給熔體損失的能量，例如由輻射等所損失的能量，就足以保持這種在理想狀況下相當于熔體與結(jié)晶間的熱力學平衡狀態(tài)。因而在實踐中，在熔體中，在其吸收輻射能的較熱的自由表面以及與其相對的較冷的固體/熔體相界面(此處的溫度相當于硅的熔點)之間存在溫度梯度。如果此平衡狀態(tài)遭到破壞，該破壞是由于通過自由表面再加入粒狀材料到熔融相上，而且粒狀材料由于其密度低而漂浮在表面上而造成，則首先造成了熔體內(nèi)溫度條件的改變，其結(jié)果是，材料開始從相對方向臨近固相的邊界處的熔體中結(jié)晶出來，固相向前移動，被熔融相覆蓋的結(jié)晶長大。粒狀材料進入到熔體狀態(tài)時在相對方向相邊界上進行結(jié)晶過程，當所有粒狀材料都熔化后，結(jié)晶停止生長，在熔體相和其所覆蓋的固體相間又一次達到了平衡狀態(tài)。
通過向第一階段所產(chǎn)生的熔融相的自由表面加入粒狀硅材料的方法可引發(fā)并繼續(xù)實際的晶體生產(chǎn)過程。粒狀材料的供料可用連續(xù)或間歇的方式進行，優(yōu)選的是連續(xù)加料，因它可造成更均勻的結(jié)晶速度和形成固定的拉伸或降低速度。可藉助于公知的加料和計量設備，例如振動管、振蕩或旋轉(zhuǎn)輸送機，加入粒狀材料。在各種情形下所需保持的加料速度最好通過計算和/或初步試驗測定加以估計，所要考慮的主要因素除了要考慮要供料的自由表面的大小外，還有熔體內(nèi)存在的能量和通往自由表面對面之固體硅相的過渡區(qū)域內(nèi)的結(jié)晶或晶體生長的可能速度。如果半導體材料的熔融相靠感應加熱線圈得以保持，粒狀材料優(yōu)選是通過感應加熱線圈的環(huán)形開口或通過感應加熱線圈與熔融相之間的間隙加入。
為保證硅熔體的足夠的厚度和足夠的熱容，熔體在自由表面區(qū)域的溫度最好保持在超過硅的熔點(約1420°)最高為約200℃，優(yōu)選為高出50～150℃的數(shù)值。該自由熔體表面區(qū)域的過熱同時還保證了隨后加入的粒狀材料顆粒以預期的速度熔化。因而就保證熔體相的能容量足以達到使熔化速度高于可允許的結(jié)晶速度，另一方面，使棒材或塊材的生長缺陷較少或沒有缺陷。例如這一點可通過將各工藝參數(shù)間進行如下匹配而達到使熔體體積保持在明顯地大于隨后每次加入的以未熔狀態(tài)漂浮在熔體內(nèi)的粒狀材料的顆粒體積。若需要，粒狀材料也可以預熱狀態(tài)使用。
自由表面的熔體溫度可藉助于公知的坩鍋或區(qū)域拉伸中的測溫儀器進行監(jiān)測。高溫計可作為此合適儀器的例子。
隨著粒狀材料被加入到熔融相的自由表面并逐步熔化，固體相在相對的液/固相界面開始生長，并沿熔體方向以其生長速度向前移動。原則上，棒材或塊材(若需要，它們可以轉(zhuǎn)動)可以保持在一個固定位置，以便固相生長，使熔融相永遠向前滾動。這一方法的改進先決條件是輻射源和加料設備與此熔體的流動運動相互聯(lián)系而且也按照晶體的生長向上運動。然而，該類方法就設備而言是復雜的。因而優(yōu)選的是一些變動方法，其中輻射源、加料設備和熔融相基本上保持在固定的位置，同時固相按照硅晶生長的速度下降，其速度可隨所要求產(chǎn)品的類型而改變，例如作為太陽能電池基礎材料的多晶硅塊的生長速度可以比生產(chǎn)制造電子元件的薄片所需的單晶硅棒的生長速度快。因而，典型的生長速度，也即下降速度，對于多晶材料為0.5～5毫米/分鐘，對于單晶材料為0.2～3毫米/分鐘。從每一具體情況下設定的下降速度和從熔融相轉(zhuǎn)變成固態(tài)的硅的數(shù)量，也可以確定在該情況下需要投入的粒狀材料的數(shù)量。反之亦然，如果行將投入的粒狀材料的數(shù)量是限制因素，其下降速度亦可由其加以匹配。
能下降的，若需要也可轉(zhuǎn)動的，并能支撐和控制生長中的硅棒或硅塊的垂直運動的基質(zhì)是公知的并且是有記述的，如在以上所述的專利文獻中。適合的基質(zhì)是，例如平板材，它與拉伸軸(drawing shaft)相連，若需要其能被冷卻，初始的硅晶就在其上，它可作為硅晶得以生長的熔融相的基質(zhì)。也可使用例如棒夾或棒支撐型的夾具或無坩鍋的區(qū)域拉伸法中已知的拉緊裝置，在該裝置中將小晶種固定在周圍有支撐設備的夾具中用于較大直徑的結(jié)晶生長。
上述方法通常是在容器中進行，容器能建立和保持一種合適的工作氣氛。它們可按其他結(jié)晶生長方法中公知的方式，按照每種具體情況所用能源和/或所需的摻雜或純化效果加以選擇和調(diào)整。原則上，上述方法能在從真空到超高壓的壓力范圍內(nèi)進行。
本發(fā)明方法和實現(xiàn)本方法所需的合適的設備可用實施例及兩個附圖加以說明。附

圖1示出單晶圓棒的生產(chǎn)，附圖2示出具有正方形截面的多晶塊的生產(chǎn)。
附圖1示出加料和熔化室2，為清楚起見室2僅僅示意性地標出，其周圍是一個惰性材料，優(yōu)選是硅，護罩(shield)1，室底部由封閉和支撐硅板3封死，在本方法的開始硅板3完全是固體。在室中有一個電子束源4指向支撐板3。此外，此處還有一個加料管的開口，通過此開口將硅貯槽中的粒狀材料6被加到由支撐板形成的底面上，該硅貯槽沒示出，位于外邊，若需要可以加熱。
在封閉和支撐板下方是結(jié)晶室7，其中有一個可垂直移動和轉(zhuǎn)動的晶體夾8，其中固定著晶種9，附在其上最好配置輔加的支撐物10，它們用以拉緊和穩(wěn)定形成的晶棒。
在結(jié)晶過程之始，把晶種上移至其起始位置，該位置優(yōu)選是剛剛處于仍完全是封閉和固體狀態(tài)的封閉支撐板3的中心之下。藉助于電子束源4，封閉板慢慢從中間部位熔化，直至形成了一個熔體透鏡，開始還很小，能使晶種從下部與其接觸。然后可首先以公知的方式，例如同坩鍋拉伸法中一樣，生成縮頸(constriction)11，即所謂“緩沖頸”(dash neck)，以除去錯位，直到隨后熔體透鏡的直徑通過擴大輻射表面而逐漸變大，最后達到結(jié)晶的標稱直徑為止。在此步驟中，晶種最好轉(zhuǎn)動并慢慢下降，同時也必須將粒狀材料加入到熔融相的被輻射的自由表面上以保持熔體的液面。
在此起始步驟后是實際的拉伸過程。此處，通過加料管5，將粒狀材料6連續(xù)地或間歇地加入熔融相13的自由表面12內(nèi)，自由表面12的溫度藉助于輻射能而保持在最多高于熔點200℃，最好是熔點之上50～150℃的溫度。與此同時，在熔融相13與固體相晶體15之間的相對界面14處，半導體材料從熔融態(tài)進入固態(tài)，并在晶體15上生長。通過按照投料和在結(jié)晶上生長的速度降低轉(zhuǎn)動著的結(jié)晶夾8，熔融相的液面保持恒定在封閉和支撐板13的水平上，同時將生長著的結(jié)晶從熔體向下拉伸。此處還必須小心以保證在支撐板3與晶體15之間形成的并使其可以轉(zhuǎn)動的熔融相13的自由側(cè)彎月面16的長度不超過允許的限度值，在該限度值彎月面破裂，熔體溢出。根據(jù)經(jīng)驗，該限度值對硅而言大約為8mm。
在結(jié)晶室7中，可安裝輔加的加熱器17以控制結(jié)晶的冷卻并避免熱應力。由于在下述實施例中熔體室2與結(jié)晶室7能以氣密方式相互緊靠在一起，因此可設定各種不同的工作壓力。比如，當僅用電子輻射時將熔體室2的壓力設定為較高的真空，最好是10－1～10－5毫巴(mbar),與此相比，結(jié)晶室7的壓力也可保持在顯然較高的真空，優(yōu)選為1～50毫巴，例如如果需要在結(jié)晶室中含有一種特定氣體的氣氛。這種情況可能為，例如通過置換氣如惰性氣體氬來減少雜質(zhì)向熱晶體的擴散，或通過加入攙雜氣體進行熔融相攙雜。上述壓差還有一個好處即是支持和穩(wěn)定熔融相之自由側(cè)彎月面。
當達到所要求的結(jié)晶長度時，拉伸過程即終止，該終止優(yōu)選是通過逐步減少被輻射面積以致結(jié)晶直徑相應地減小并最終將已經(jīng)向下拉伸到一定點的結(jié)晶從余下的熔體透鏡上提起。余下的熔體隨后可通過例如進一步降低輻射能而安全固化。于是，熔體室與結(jié)晶室就像在上述方法開始一樣再次被一個固體封閉和支撐板分開，以便在取下產(chǎn)物結(jié)晶之后，若需要還可換一塊支撐板并提供一個晶種，以類似的方式開始下一次拉伸過程。
附圖2示意性地示出一個適于生產(chǎn)塊狀晶體的實施方式及適合于實施該方法的設備。
在一個最好是氣密或可抽空的貯槽(為清楚起見未示出)中有一個或多個，譬如兩個，電子束熱源20、21，及一個加料管22，藉助于它們，能將熔融相24的自由表面23均勻地加熱并供應粒狀材料25。在其相對表面，熔融相通過界面26進入晶體27，晶體27置于能下降、加熱和冷卻的支撐板28上。
在結(jié)晶過程中，用與類似于附圖1所示的流程，在供應能量的同時，將粒狀材料25加入熔體的自由表面23上，粒狀材料在此表面處熔化，同時在相對方向上之液/固體界面的晶體27開始生長。支撐板28以相應于晶體生長的速度下降，以致最終使熔融相保持在同一水平面，同時逐漸生長的結(jié)晶向下拉伸。
為開始結(jié)晶過程，第一階段將支撐板28向上移動到其起始位置。支撐板在此處可被一層晶種板29所覆蓋(附圖2左半部示出)，晶種板29例如包括一單晶，然后部分地熔化以產(chǎn)生熔融相，若需要，可通過加入粒狀材料開始此階段。在進一步結(jié)晶中此方法的改進可允許生產(chǎn)基本上是單晶塊，這些單晶塊僅在邊緣區(qū)30處有多晶區(qū)域。若用粗結(jié)晶的晶種板，可得到具有結(jié)晶學上有利方向的單晶區(qū)的多晶柱狀結(jié)構(gòu)的晶塊。
用另一種更簡單的改進方法亦可生產(chǎn)如此的晶塊在開始階段，將粒狀材料加到處于開始位置的支撐板28上，先將此材料燒結(jié)以形成一個中間層31，在達到足夠的層厚之后逐漸增加輻射能，于是產(chǎn)生一覆蓋在此燒結(jié)層之上的熔融相。實際的結(jié)晶過程中即得到所述多晶材料，該多晶材料特別適于生產(chǎn)太陽能電池。這一改進方法在附圖2的右半部示出。
晶體27的橫截面優(yōu)選是正方形，四邊形或六邊形，其側(cè)面32優(yōu)選由冷卻的、可移動的翅片(segments)33預先確定。這些各案例中，所述的翅片設置成所希望的形狀。這些將與硅熔體接觸的翅片(硅熔體最好在拉伸方向上變寬)之表面34最好由硅材料構(gòu)成，以便保證污染的風險最小。令人驚奇的是，這些表面不為熔融相所潤濕，這是因為由于能量輻射和來自翅片的冷卻效應，表面電流部分地把投入的粒狀材料轉(zhuǎn)移到熔融相的邊緣，并在此處靠著冷的翅片形成一燒結(jié)層，該燒結(jié)層使翅片不與熔體直接接觸。
最好再安裝另一個加熱器35，例如電阻加熱板，它環(huán)繞著從實際結(jié)晶區(qū)域抽出的結(jié)晶以保證其均勻地緩慢地冷卻以致最終得到低應力的產(chǎn)物。若需要，在除去不規(guī)則的邊緣區(qū)域后，可將所得的晶塊鋸成小塊，這些小塊又可用譬如線鋸或往復鋸鋸成薄晶后用作太陽能電池的基礎材料。
用本發(fā)明的方法可生產(chǎn)固化時膨脹的半導體材料，如硅或鍺的結(jié)晶，它們具有圓形或多邊形，優(yōu)選為正方形，四邊形或六邊形的截面。本方法特別適用于生產(chǎn)具有大截面的結(jié)晶，即其直徑可高達200毫米或邊緣長度達500毫米。其優(yōu)點首先是不需要熔融坩鍋或鑄模，因而可做到無污染的結(jié)晶生長。此外，結(jié)晶過程中其結(jié)晶前沿基本上是平面的，它在多晶材料中產(chǎn)生了特別均勻的單晶區(qū)域定向，以及均勻的摻雜物分布。進一步地，與區(qū)域精煉法相似，熔析效應導致得到特別純的產(chǎn)品。特別是本方法可極大地減小碳夾雜，因為可顯著地避免使用含碳的材料和輔料。另外，還可降低氧含量，因為不需要使熔體相與石英器壁接觸，并且本方法可在貧氧的壓力條件下進行。其另一優(yōu)點是不需要用由復雜的沉積工藝制備的預成形棒作為起始材料，可代之以使用從比如移動床反應器中得到的粒狀材料并可容易地再加料。最后，值得提及的是也可達到高的結(jié)晶速度，低應力的結(jié)晶冷卻，以及通過容易控制的工藝參數(shù)來實現(xiàn)不出麻煩的工藝控制。尤其是，本方法可實現(xiàn)有利的能量平衡，這是基于這一事實，即在整個過程中只需加入少量的熔融物質(zhì)，固化時回收的結(jié)晶熱可用于把加入的粒狀材料熔化。
以下用實施例來進一步說明本發(fā)明方法。
實施例1如附圖1所示的裝置中，將一個電子束源配置在垂直的位置上，其配置方式使一垂直的電子束能導向到離其約100厘米處的封閉及支撐板的中部。此支撐板包括一厚度約7.5毫米的硅碟，它成為直徑約20厘米的熔體室的底邊，同時為直徑為30厘米的結(jié)晶室的頂邊。將熔體室抽空到壓力10-6毫巴，同時藉助于恒定的氬氣流將結(jié)晶室的壓力設定為約1毫巴。在中心之下，向上移動夾有直徑約3毫米定向為100之硅單晶晶種的晶體夾，使其與支撐板間只留有一細縫。
下一步開始能量輻射，在支撐碟的中心產(chǎn)生一透鏡狀熔體，其上部直徑約12毫米，下部直徑約4毫米。此時可將晶種連起來并以約每分鐘10轉(zhuǎn)的速度轉(zhuǎn)動。隨著結(jié)晶夾逐步降低，透鏡狀熔體首先變窄，直到形成所謂的縮頸并達到無錯位生長為止。隨后，在錐體拉伸相中，透鏡狀熔體的直徑在精心監(jiān)測下穩(wěn)定加大，并與結(jié)晶夾的下降速度相匹配，最后達到拉出的晶體的預期標稱直徑(約150毫米)。這一階段的進程可通過提供一個支撐板而變得容易，該支撐板的加厚的中心區(qū)與一個較薄的直達晶體預期標稱(nominal)直徑的過渡區(qū)相連，過渡區(qū)周圍是具有原來厚度的外部區(qū)。為保持熔體相的深度在最終錐體拉伸階段恒定，在此階段將粒狀硅材料(顆粒大小1～5毫米，電阻率約1歐姆厘米)通過粒狀料加料器加到熔體的自由表面。
在隨后的晶體生長階段，用能量約為40瓦/平方厘米的輻射使自由表面的溫度保持在約1540～1550℃。熔融相的厚度約12毫米，自由邊彎月面長度約為7毫米。以約41克/分鐘的速度加入上述規(guī)格的粒狀材料，使結(jié)晶生長，并以約1毫米/分鐘的速度拉伸。結(jié)晶夾的轉(zhuǎn)動速度約10轉(zhuǎn)/分鐘。為釋放熱應力，結(jié)晶后的晶體通過一長約5厘米的輔助加熱區(qū)，該加熱區(qū)是一個直徑約為18厘米的加熱環(huán)，并保持在約1000℃的溫度。
在(晶體)長度達到30厘米時，連續(xù)減小輻射面積并將粒狀材料的進料停止得到錐體狀減小的結(jié)晶直徑，直到最后結(jié)晶點與殘留的透鏡狀熔體間的聯(lián)系脫開。隨之停止能量供應，令支撐板完全固化，最后取下晶體。
所得的晶體是單晶，無錯位。所得材料系P-型導體，整個晶體長度的電導率約為1歐姆厘米。
實施例2如附圖2所示裝置中裝有一正方形支撐板，其邊長約300毫米，由銅制成，其內(nèi)部有一個水冷卻系統(tǒng)。開始時將支撐板向上移動到極點，然后用向外傾斜的用硅板覆蓋的像水冷散熱片一樣的內(nèi)壁將其封閉，其中空空間約5厘米深。
隨后將粒狀材料(規(guī)格同實施例1)加入到支撐板上。當床層厚度達3厘米時，開始通過兩個電子束源供給能量(其開始功率約27千瓦)，將粒狀材料燒結(jié)在一起。然后提高輻射功率，連續(xù)加入粒狀材料直至它們從上部開始熔化。同時，緩慢降低支撐板以使熔體表面保持在恒定水平。最后形成中間深度約50毫米的熔融相，而在與翅片表面接觸的區(qū)域，粒狀材料聚集形成一個薄燒結(jié)層，該燒結(jié)層將熔融相與外界隔離屏蔽。
隨之開始實際的結(jié)晶生長階段，此時將預熱到約120℃的粒狀材料以約24克/分鐘的速度加到熔融相的自由表面，并供給恒定輻射能。由此在相對的液/固相邊界產(chǎn)生約2毫米/分鐘的結(jié)晶生長速度，支撐板也以此速度下降。所生長出的結(jié)晶是大小不超過5毫米的柱結(jié)構(gòu)多晶體。
當塊厚度達到約40厘米時，停止粒狀材料的供料，并逐步降低輻射能，令晶塊完全固化。在約6小時的逐步降低垂直方向上的溫度差的冷卻階段之后，取出晶塊，冷至室溫，除去含有燒結(jié)的粒狀材料的邊緣區(qū)域。
隨后進行的材料檢驗中得到優(yōu)良的錯位密度值，從103/厘米2到105/厘米2。碳含量約1016個碳原子/立方厘米，仍在開始使用的粒狀材料的碳含量范圍之內(nèi)，表示在生產(chǎn)晶塊過程中沒引入污染。與起始值相比，氧含量大大地降低，在5×1015氧原子/厘米3的范圍以內(nèi)。由此顯示本發(fā)明方法極適宜于生產(chǎn)作為太陽能電池的起始材料的硅塊。
權(quán)利要求
1.一種通過由粒狀材料生成的熔體的結(jié)晶固化時膨脹的棒狀或塊狀半導體材料的方法，該方法包括產(chǎn)生一個覆蓋在固相半導體材料之上并在與固相對面具有自由表面的半導體材料的熔融相，在結(jié)晶過程中通過向自由表面連續(xù)地或間歇地供應能量和加入粒狀半導體材料來保持該熔融相，從而在相對的熔體表面，半導體材料在固相上生長。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中能量由輻射提供，尤其是由電子輻射提供。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所用的半導體材料是硅。
4.如權(quán)利要求1至3之一或多項所要求的方法，其中在結(jié)晶過程中固相降低，其相對于熔融相轉(zhuǎn)動或不轉(zhuǎn)動，下降速度基本上與半導體材料的生長速度相對應。
5.如權(quán)利要求1至4之一或多項所述的方法，其中熔融相的自由表面在其側(cè)面用環(huán)繞著的固體半導體材料固定。
6.如權(quán)利要求1至5之一或多項所述的方法，其中熔融相的厚度與加入的粒狀材料的顆粒大小相匹配，以使其熔體厚度至少相當于顆粒材料的顆粒在熔體相中最大浸沒深度的2倍。
7.如權(quán)利要求1至6之一或多項所述的方法，其中熔融相的厚度最大為50毫米。
8.如權(quán)利要求1至7之一或多項所述的方法，其中所用粒狀材料的平均顆粒大小為0.1～10毫米，優(yōu)選為1～6毫米。
9.如權(quán)利要求1至8之一或多項所述的方法，其中熔融相中的溫度差值最大為200℃。
10.一種實施權(quán)利要求1至9之一或多項所述的方法的設備，包括a)至少一個能源，以便產(chǎn)生和保持具有自由表面并覆蓋固體半導體相的熔融半導體相;b)在側(cè)邊環(huán)繞著熔融相的自由表面的半導體材料固體部件;c)至少一種將粒狀材料加入到熔體自由表面的裝置;以及d)一個可降低的夾具，其可轉(zhuǎn)動也可不轉(zhuǎn)動，用以夾住被熔融半導體材料所覆蓋的固體相。
全文摘要
一種制備棒狀或塊狀半導體材料的方法，包括，產(chǎn)生一個覆蓋在固相材料上并在此固相的對面具有自由表面的半導體材料熔融相，在結(jié)晶過程中使能量輻射到其上，半導體材料以粒狀形式加料、飄浮并熔化。結(jié)果，在相對的固/液界面上，材料在固相上生長，并按其生長速度向下拉伸。運用本發(fā)明方法可得到單晶或多晶的棒材或塊材。本發(fā)明方法的主要優(yōu)點是可不用熔化容器而實現(xiàn)，可用粒狀材料，因為熔體量小，對能量平衡也有利。
文檔編號C30B15/14GK1099434SQ9410796
公開日1995年3月1日 申請日期1994年7月14日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月15日
發(fā)明者約阿希姆·蓋斯勒, 烏爾里?！ぐ焊窭?申請人:瓦克化學電子工業(yè)原料有限公司