用于由半导体材料制造晶体的装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明的主题是一种用于由半导体材料制造晶体的装置和方法。该装置包括一坩 埚和一感应加热线圈，该感应加热线圈设置用于使半导体材料的储备量熔融和用于使半导 体材料构成的熔液稳定，该熔液覆盖半导体材料构成的正在生长的晶体。
【背景技术】
[0002] 以晶体形式需要大量半导体材料、尤其是硅，以便由此来制造电子结构元件或太 阳能电池。这些晶体以单晶品质或多晶品质来提供并且具有圆形或矩形或正方形横截面。 尤其在US2005/0188918A1中和在EP2692908A1中描述了如何能够制造具有这样的横 截面的晶体，该横截面不是圆形。
[0003] 为了以工业尺度制造具有圆形横截面的单晶尤其使用CZ方法和FZ方法。在CZ 方法的情况下，单晶在种晶上悬挂地从熔液中拉出，该熔液包含在坩埚中。为了产生熔液， 用半导体材料构成的碎片填充坩埚并且使碎片在使用布置在坩埚周围的电阻加热装置的 情况下熔融。
[0004] 在FZ方法中，在使用感应加热线圈的情况下，在种晶和储备棒之间产生熔融的半 导体材料区段。所述感应加热线圈是具有线圈本体的扁平线圈，该线圈本体在中部内构成 具有确定直径的孔。在种晶和储备棒下降时，熔融区段运动到储备棒中，并且从储备棒熔融 的半导体材料在种晶上结晶。首先可以让颈部区段结晶，以便获得无错位的半导体材料。接 下来，半导体材料构成的单晶生长成直径增加的锥形区段并最后生长成具有近似不变的直 径的柱体区段。FZ方法的细节例如在EP2 679 706A1中描述。
[0005] 也存在这样的方法的描述，这些方法类似于FZ方法，但是不同的是：由半导体 材料构成的颗粒代替固态棒被应用作为储备量。代替于这样的方法例如可以提到US 5, 367, 981，其中描述了单晶体和多晶体的制造。迄今为止尚未成功的是将这些方法中的任 一个用在工业尺度上。对此的原因是控制熔液输送出坩埚的困难性。
【发明内容】
[0006] 本发明的任务是提供修正方案并且提出一种装置和一种方法，它们更多地具有潜 力能够在工业尺度上被使用于从半导体材料制造晶体。
[0007] 该任务通过用于由半导体材料制造晶体的装置来解决，其包括一坩埚和一感应加 热线圈，所述坩埚具有坩埚底和坩埚壁，其中，所述坩埚底具有上侧和下侧和多个贯通开 口，所述多个贯通开口布置在所述坩埚壁和坩埚底的中心之间，并且其中，在所述坩埚底的 所述上侧和所述下侧上有拱曲部，所述感应加热线圈布置在所述坩埚下面并设置用于使半 导体材料熔融和使半导体材料构成的熔液稳定，所述熔液覆盖半导体材料构成的正在生长 的晶体。
[0008] 此外，该任务通过用于由半导体材料制造晶体的方法来解决，所述方法包括：提供 已提到的装置；在所述坩埚底的所述上侧上产生由半导体材料构成的储备量的散装部；在 使用所述感应加热线圈的情况下熔融所述散装部的半导体材料并使熔融的半导体材料从 所述坩埚底的所述上侧通过所述坩埚底中的所述贯通开口导向所述坩埚底的所述下侧并 在所述坩埚底下侧上的所述拱曲部下面经过地导引成这样的熔液，该熔液覆盖半导体材料 构成的正在生长的晶体并且是熔融区段的一个区域。
[0009] 该方法以如下方式设计，S卩，其特别类似于FZ方法。由于与FZ方法不同所引起的 困难性因此是微不足道的。尤其地，坩埚的形状和特性有助于此。因此，坩埚的组成部件不 伸入到感应加热线圈中部内的孔中并且不伸入到熔融区段的这样的区域中，该区域处在感 应加热线圈之下并覆盖正在生长的晶体。来自所述储备量的并且熔融的半导体材料以类似 的方式流向相界，晶体在所述相界上生长，就像当储备棒被用作储备量时的情况那样。此 外，所述储备量以如下方式提供，即，抑制尘产生并避免摇动熔融区段和避免被熔融的半导 体材料的喷射。所使用的坩埚可以重复使用，而不必事先耗费地维修。
[0010] 尤其考虑硅或锗或它们的混合物作为半导体材料。特别优选的是硅作为半导体材 料。半导体材料优选以颗粒形式或以碎片形式来使用或以颗粒和碎片混合物的形式使用。 所述颗粒优选具有不小于〇. 2mm且不大于30mm的平均直径。尽管如此，半导体材料的较小 的微粒、例如半导体材料尘也可以与颗粒或碎片一起熔融。
[0011] 根据本发明制造的晶体优选是单晶体或多晶晶体（多晶体）。特别优选的是由硅 构成的单晶体。根据本发明制造的晶体具有圆形或正方形或矩形的横截面。横截面的形状 基本上与正在生长的晶体转动还是不转动相关。如果正在生长的晶体就像在FZ方法中常 见那样被转动，那么产生具有圆形横截面的晶体，该晶体可以是单晶的或是多晶的。不发生 转动的话也可以制造具有矩形或正方形横截面的晶体，例如其方式是，熔融的半导体材料 就像US2005/0188918A1或EP2692908A1中描述的那样进行结晶。
[0012] 所述坩埚具有带优选圆形周边的坩埚底和限界该坩埚底的坩埚壁。所述坩埚底的 直径优选大于在感应加热线圈中部内的孔的直径。在坩埚底中设置有多个贯通开口。这些 贯通开口具有优选圆形的横截面。这些贯通开口可以竖直或倾斜地导向穿过所述坩埚底。 在倾斜导向的情况下，这样的倾斜位置是优选的，其中，贯通开口的纵向轴线随着与坩埚底 的距离增加向下具有相对于正在生长的晶体的纵向轴线的增加的间距。如果这些贯通开口 具有圆形横截面，那么贯通开口的直径优选不小于〇.5_且不大于15_、特别优选不小于 2mm且不大于15mm〇
[0013] 坩埚底具有上侧和下侧并且在上侧和下侧上有多个拱曲部（高地）。这些拱曲部 是材料升高部，这些材料升高部在所述上侧上向上伸出并且在所述下侧上向下伸出。因为 这些拱曲部，坩埚的上侧和下侧不是平的，而是被结构化。贯通开口优选处在这些拱曲部之 间。这些拱曲部优选沿着这样的轨道延伸，这些轨道不交叉并且形成圆形或螺线形图案。特 别优选的是拱曲部沿着这样的轨道，这些轨道形成多个圆的图案，这些圆同中心地围绕坩 埚底的中心。但是也合适的是这样的轨道，这些轨道交叉并例如形成菱形或棋盘形的图案。 还优选的是：在沿着不交叉的轨道的相邻拱曲部的中部之间存在这样的间距，该间距优选 不小于2mm且不大于15mm、特别优选不小于3mm且不大于6mm。在一拱曲部的最高点与邻 接的贯通开口的边缘之间的高度差优选不小于〇. 1mm且不大于5mm、特别优选不小于0. 5mm 且不大于3謹。
[0014] 在所述坩埚底的上侧和下侧上的外边缘上的拱曲部与沿径向更靠近坩埚底中心 的那些相应拱曲部之间优选存在落差。该落差具有优选不小于Γ且不大于45°、特别优 选不小于Γ且不大于5°的倾斜角度。
[0015] 优选地，在所述坩埚底的所述下侧上，在所述坩埚底的中心内有一突出部，所述突 出部向下伸出并且处于所述感应加热线圈中部内的孔之上。突出部例如具有珠子形形状。
[0016] 坩埚底的上侧和下侧和坩埚的优选所有其余表面由一种陶瓷材料制成，该陶瓷材 料在与液态半导体材料接触时是耐温的并且所述液态半导体材料尽可能少地被杂物弄脏。 坩埚可以包括一基体，该基体以陶瓷材料覆层。坩埚也可以完全由所述陶瓷材料制成。用于 基体的可能的材料是不易断裂的并且耐高温的材料，这些材料可以以陶瓷材料覆层，例如 是金属和碳。特别优选的是由碳制成的基体。陶瓷材料优选是这样的材料，氧化铝（Α1203)、 碳化硼（ΒΝ)、六硼化镧（LaB6)、碳化硅（SiC)、氮化硅（Si3N4)、氧化钇（Υ203)、氧化锆（Zr02) 或石英（Si02)。特别优选的是碳化硅。
[0017] 随后，本发明例如详细描述由硅制造单晶体，其具有圆形横截面。
[0018] 作为储备量，硅以颗粒形式或以碎片形式使用或以颗粒和碎片混合物的形式使 用。颗粒尤其是由多晶硅构成的粒，这些粒在一漩涡层中产生。所述颗粒优选具有不小于 0.2mm且不大于30mm的平均直径。碎片可以通过粉碎例如由多晶硅构成的棒来获得。所述 碎片优选具有不小于〇. 2_且不大于30_的最大长度伸长。储备量以坩埚中的散装部的 形式提供。散装部优选以另外的储备量的量来补充。该补充的量优选相应于这样的量，这 些量由所述散装部被熔融，以便维持单晶体的生长。待补充的量优选以如下方式提供，即， 另外的储备量可以补充滑动至散装部。储备量和另外的储备量可以除了硅之外也包含一种 或多种电活性的添加材料。
[0019] 本发明已发