专利名称：制造多晶半导体的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及制造多晶半导体的方法和装置，更具体地是涉及制造在应力下具有小应变的多晶硅半导体的方法和装置。
硅是一种优异的制造工业产品的原材料，例如，可用作制造ICs(集成电路)等的半导体材料，并可用作制造太阳能电池的材料；从许多应用于上述领域的资源来看它确实是一种优异的材料。更具体地说，硅是一种在目前实际应用中几乎所有太阳能电池材料都使用的材料。当前电源用主要的太阳能电池都基于单晶硅，这样希望从费用降低上来进一步开发由高质量多晶硅制造的太阳能电池。在这种情况下，多晶硅的转换效率低于单晶硅的转换效率。因此，开发高质量的多晶硅是其成功应用于太阳能电池的先决要求。
按常规制造多晶硅半导体的方法，将放入石英坩埚的固体硅在加热炉中熔化，然后浇铸(east)到石墨坩埚内。另一种目前已知的方法是在真空或惰性气体中熔化，以防止在硅中混入氧气或氮气等气体，由此改进质量并避免粉尘。
例如，在德国Wacker-Chemitronie GmbH的半连续铸造炉法中，硅在石英坩埚中在真空或惰性气体下熔化，然后倾斜坩埚将它倒入石墨或类似物制成的模具中(日本审查过的专利出版物JP-B2 57-215l5(1982))。在美国Crystal Systems，Inc．的HEM(热交换法)中，硅在石英坩埚中在真空下熔化，然后直接固化(日本审查过的专利出版物JP-B2 58-54115(1983))。同样有一种著名的Wacker法的改进方法，其中采用水冷钢板于熔化硅的坩埚(日本未审查专利出版物JP-A 62-260710(1987))。
在上述任何一种硅制造方法中，都要控制硅半导体固化过程中的热量释放，使其保持恒定。结果，与硅固化从液相转变成固相的初始阶段相比，在最终阶段中就有更多的热量传输透过如此占有其大部分的固相。然而，由于固体硅的热阻高于液体硅的，因而难以排出在固化过程中所释放出的热量，从而导致较低的生长速度。除非生长速度是恒定的，否则会易于产生应变或缺陷，并损害晶体的质量。例如，EPD(腐蚀坑密度)，一种评价晶体产品质量的指标，对于多晶硅一般约为105／cm2，该值比单晶硅的小于102／cm2的数值要高得多。
为此，业已试图通过退火来改进EPD。例如在JP-B2 58-54115所披露的方法中，调节坩埚的温度，以便在固化后进行退火(参见该专利出版物，第2栏，第33-36行)。半导体锭通常具有约30至50cm2的较大的形状。因此，在锭固化后对半导体锭进行的退火在退火过程中会引起锭的中心部分和周围部分的温度差异。结果旨在释放应变应力的退火过程反而会导致产生应变。因此，退火过程的效果基本上是不希望的，当然这样获得的多晶体易于具有较高的EPD。
为了进一步改进上述意图，该发明的申请人就制造多晶半导体的方法和装置申请了专利，所述多晶半导体通过交替进行固化和退火的方法使之具有优异的结晶学性质和在应力下具有小的应变(日本专利申请No．7-344136(1995))。然而，在这种方法中，在晶体生长的初始阶段到最终阶段的整个过程中热量的释放实际上是恒定的，这就导致了与固化初始阶段的相比，在最终阶段中的生长速度较慢。因此，认为退火的一半效果损失掉了。
鉴于上述情况完成了本发明，而其目的是提供一种制造具有优异结晶学性质和在应力下具有较小应变并且缺陷很少的多晶半导体的方法和装置。
说明书和权利要求书中通篇所用的“在惰性气氛下”是指在密封容器中实现“在真空中或在惰性气体气氛下，以防止所存在的热的半导体原材料发生氧化”。
本发明提供一种制造多晶半导体的方法，它包括如下步骤在对半导体是惰性的气氛下将半导体原材料加入坩埚中；在坩埚中用加热装置加热并熔化半导体原材料；在移除坩埚底部热量的同时使已熔化的半导体原材料固化；然后在冷却坩埚的同时，冷却固化的半导体，其中热量的释放和半导体原材料的固-液界面是移动时的固化速度之间的关系预先加以确定，而当已熔化的半导体原材料固化时，热量的释放随时间按预定的关系变化以便保持固化速度恒定。
按本发明，当已熔化的半导体原材料固化时，热量的释放随时间按固化速度与热量释放之间的预定关系变化，所述预定关系确保半导体原材料的固-液界面是移动时的恒定的固化速度。由于固化速度保持恒定，半导体晶体的生长速度也保持恒定，这样就可以来制造具有优异结晶学性质、在应力下具有较小应变并且缺陷很少的多晶半导体。
本发明的特征在于恒定速度的固化和退火在固化步骤中交替地进行。
按本发明，由于恒定速度的固化和退火是交替进行的，因而可以进一步地减少在应力下的应变。
本发明的特征在于根据移除坩埚底部热量的冷却介质在入口和出口之间的温度变化的检测值，对热量释放的变化进行控制。
按本发明，移除坩埚底部热量的冷却介质在相应于热量释放的温度下会发生变化。通过检测冷却介质在入口和出口之间的温度变化，就可以容易地检测从而控制热量释放的变化。
本发明的特征在于控制热量释放的变化，使热量释放从固化步骤的初始阶段到最终阶段是提高的。
按本发明，甚至当业已进行到半导体材料的固化使通过导热性比液体部分低的固化部分的热量释放比例增加时，也可以通过提高热量释放来保持固化速度恒定。
本发明的特征在于按线性函数来控制热量释放的提高。
按本发明，由于按固化进行的线性函数来控制热量释放的提高，因此施加简单的控制就可以制造在应力下具有小应变的多晶半导体。
本发明的特征在于通过调节移除坩埚底部热量的冷却介质的流动速度来控制热量释放的变化。
按本发明，通过提高或降低移除坩埚底部热量的冷却介质的流动速度就可容易地来调节热量释放的提高或降低。
本发明的特征在于将坩埚的底部放在具有中空结构的支承架上，这样通过插入中空结构或从中抽出，或移走绝热片来调节从坩埚底部移除的热量就可以控制热量释放的变化。
按本发明，当将绝热片插入上面架着坩埚底部的支承架的中空结构时，在中空结构中辐射热量的传输被抑制，这样就降低了热量的释放。另一方面，当将绝热片从中空结构中抽出来时，辐射热量的传输较少受到抑制，这样就可以提高热量的释放。
本发明的特征在于将半导体籽晶放在坩埚的底部，之后将半导体原材料放入坩埚内，这样固化时多晶体就从籽晶开始生长。
按本发明，具有优异结晶学性质的多晶半导体可以从籽晶开始生长。
本发明的特征在于半导体原材料是多硅(polysilicon)，而多晶半导体是多晶硅。
按本发明，多硅作为半导体原材料是较好的，在这种情况下，待制造的多晶半导体是多晶硅。由于能确保恒定的固化速度，故在应力下很少发生应变。结果，具有这样一种可作高转换效率的太阳能电池用的优异结晶学性质多晶硅就可得以生长。
本发明提供一种制造多晶半导体的装置，它包含能在其中保持对半导体是惰性的气氛的密封容器；放在密封容器中的坩埚，在该坩埚中加入半导体原材料；在坩埚底部的上部加热坩埚以熔化半导体原材料的加热装置；支承坩埚底部的下面而将坩埚固定于其上的支承架；冷却支承架的冷却装置；驱动支承架以绕着垂直轴旋转并可向上或向下移动的驱动装置；和按固化速度与热量释放之间的预定关系来控制热量释放的控制热量释放的装置，以便在半导体原材料固化时保持固化速度恒定。
按本发明，在对半导体是惰性的气氛下将半导体原材料加入坩埚中，在坩埚中用加热装置加热并熔化半导体原材料。在半导体原材料熔化之后，用冷却装置移除坩埚底部的热量使熔化的材料固化，这样就获得了从坩埚底部指向顶部一个方向上固化的多晶半导体。按固化速度与热量释放之间的预定关系控制来自半导体材料的热量释放。因此，就可以制造出具有优异结晶学性质并且在应力下具有较小应变的多晶半导体。
本发明的特征在于支承架具有中空结构，在其中可以插入绝热片或从中抽出绝热片。
按本发明，通过将绝热片插入支承架的中空结构中或从中抽出，就可以调节中空结构中辐射热量的传输，由此控制热量的释放。
本发明的特征在于通过在其中循环冷却介质，使冷却装置冷却支承架，而控制热量释放的装置包括用于检测冷却装置的入口和出口之间温度变化的温度变化检测装置；和根据温度变化检测装置所检测到的温度变化，调节冷却介质的流动速度或绝热片插入或抽出的程度的调节装置。
按本发明，移除坩埚底部热量的冷却介质的温度变化与热量释放相对应。通过检测冷却介质的入口和出口之间的温度变化，就可以简单的方式来检测热量释放的变化。因此，通过提高或降低移除坩埚底部热量的冷却介质的流动速度，就可以容易地调节热量释放的提高或降低。也可以容易地通过将绝热片插入支承架的中空结构中或从中抽出，来调节从坩埚底部移除的热量，从而调节热量的释放。
本发明的特征在于装置进一步包括用于检测用加热装置进行加热的坩埚的加热温度T1的加热温度检测装置；用于检测坩埚底部下面的底部温度T2的底部温度检测装置；和控制装置，它响应于加热温度检测装置和底部温度检测装置的输出，用来控制加热装置使加热温度T1升高至半导体原材料的熔点或更高的温度，并控制加热装置以便当底部温度T2随时间变化的速度ΔTa达设定值或更高值时使加热温度T1下降。
由于半导体原材料熔化时会吸收熔化热，因而用控制装置来控制加热装置的功率，以使本发明的坩埚温度保持恒定。随着材料熔化的进行，待损失的熔化热减少，它使坩埚，尤其是坩埚底部下面的温度升高。因此，坩埚底部温度T2的变化反映了半导体原材料在坩埚中的熔化情况。这样，测量该温度随时间变化的速度ΔTa，一旦它达到设定值或更高值，就马上停止用加热装置加热坩埚。这种对加热温度的控制防止了由于熔化而使籽晶在坩埚底部的表面上扩散开来，因此这在用籽晶生长半导体多晶体的情况下是特别希望的。然后，坩埚开始逐渐冷却，使已熔化的半导体原材料固化。在本发明的方法中，移除坩埚底部的热量使半导体材料固化，因此可以获得从坩埚底部指向顶部一个方向上生长的多晶半导体。
本发明方法的一个特征是通过冷却使半导体原材料固化(即晶体生长)和对材料的退火可以在固化过程中同时进行。这可通过周期性地改变半导体原材料的热量释放而实现。具体地说，当热量释放较高时进行晶体生长，随后在热量释放被抑制达较小的程度时进行退火。在固化过程中，经过一定时间重复这些步骤，而热量释放则周期性地被改变。在实施本发明的方法中，将已熔化半导体材料的固-液界面附近的温度(下面称其为固-液温度)校正至坩埚底部的底部温度T2。按固-液温度根据半导体的熔点(例如对于多硅约为1420℃)在预定范围内升高和下降的方式来调节温度T2，这样就获得了高热量释放的条件和低热量释放的条件。这样，按本发明，在固化时释放晶体的应变应力，因此可以生长出具有较小应变应力并具有高再现性的优异结晶学性质的高质量半导体多晶体。
同样地，在固化过程中，通过设定与较大热量释放有关的总时间长度为不大于与较小热量释放有关的总时间长度的10倍，来进一步改进多晶半导体的质量。
在晶体是从籽晶开始生长的制造多晶半导体的过程中，当将坩埚底部的底部温度T2随时间变化的速度ΔTa设定在约0．2℃／min至约0．5℃／min的范围内时，籽晶的熔化可被抑制并且可以制得较高质量的多晶半导体。对于ΔTa小于0．2℃／min的情况，不仅籽晶而且半导体材料都保持不熔化，这样就不可能制造质量均匀的半导体多晶体。另一方面，对于ΔTa大于0．5℃／min的情况，籽晶可能熔化，这样要生长出令人满意的多晶体是相当困难的。
按本发明，晶体生长过程的所有步骤都可实现自动化。而且，在使用籽晶生长多晶半导体的情况下，籽晶的熔化高度可靠地被抑制，因此可以制造出高质量的多晶半导体。再者，从周期性地改变半导体原材料的热量释放以交替进行晶体生长和退火的事实来看，可以制造出EPD较低，在应力下应变小并且难以破裂的多晶体。
本发明其它和进一步的目的，特征和优点将从下述参考附图的详细描述中更好地显现出来，其中
图1是显示制造本发明多晶半导体的装置结构的纵切面示意图；图2是显示制造本发明多晶半导体装置主要部件的纵切面放大示意图；图3是显示第一热电偶6和第二热电偶13中的检测温度T1，T2以及高温计14的输出随时间变化的温控特征图，在其中使用构成本发明基础的原理；图4是与图3的控制操作相对应的流程图；图5是显示在图3的控制下热量释放与固化和退火步骤的时间之间关系的图；图6A和6B分别是显示在恒定热量释放的条件下固化速度和当控制固化速度恒定时固化过程的图；图7A和7B分别是显示在恒定的热量释放条件下固-液界面发展情况的示意图和显示生长速度随时间变化的图；图8是显示热量释放随时间按本发明第一种实施方案变化情况的图；图9是显示第一和第二热电偶6，13的检测温度T1，T2以及高温计14的输出随时间按本发明第一种实施方案变化的温控特征图；图10是与按本发明第一种实施方案的图9中的控制操作相对应的流程图；图11是显示本发明第二种实施方案所用支承架20的中空结构例子的纵切面图；图12是显示在图11的支承架20的中空结构中延伸的绝热片21的纵切面图；图13是显示第一和第二热电偶6，13的检测温度T1，T2以及高温计14的输出随时间按本发明第三种实施方案变化的温控特征图；图14是与按本发明第三种实施方案的图13中的控制操作相对应的流程图15是显示当按本发明第三种实施方案重复交替进行固化和退火时所形成的固-液界面的示意图。
下面参照附图叙述本发明的较佳实施方案。
现在参照图1至图8详细说明本发明的用于制造多晶半导体的方法和装置。虽然本发明中可使用的半导体原料仅列举了硅(Si)，然而其它材料(如锗(Ge))也可用于本发明的方法中。
图1是说明用于本发明的第一个实施方案的装置结构的纵切面示意图。该装置包含阻止空气流通的密封容器1。密封容器1可通过真空密封门(图中未标出)与外部真空泵连接，以在容器内部产生真空。另外还可以将该容器设计成在常压或微正压下使惰性气体(如氩气)在内部循环流通，在此情况下在密封容器1中加热熔化的半导体不会受氧化的不利影响，这是因为密封容器1内部的气氛是非氧化性的。
在密封容器1中具有圆柱型加热炉4，该加热炉包含位于距容器侧壁一定距离的绝热体2和加热部件3。绝热体2和加热部件3均由诸如碳纤维或石墨等材料制成。加热部件3可由导电体(如金属)构成。电热感应线圈5缠绕在加热炉4的周围，尤其是沿其面对加热部件3的外表面部分。该电热感应线圈5由频率约为10kHz的高频电流通电，由此通过感应加热该加热部件3。第一热电偶6用于测定加热温度T1，该加热温度为加热部件3的温度，将该热电偶通过插管插入加热部件3的侧壁。
热电偶6和电热感应线圈5通过相应的导线8与位于该密封容器外的控制器7连接。控制器7设计成控制供给电热感应线圈的电源以响应热电偶6的输出，由此根据需要升高或降低加热炉4的温度。
向坩埚9中加入半导体原料，如果需要也可加入籽晶，该坩埚位于密封容器1的内部。坩埚9位于由加热炉4限定的内部空间，距加热炉4的侧壁和顶部一定的距离。坩埚9例如可由石英材料或石墨材料等材料制成，它也可以由其它的材料制成，诸如钽、钼、钨、四氮化三硅或一氮化硼。坩埚9的形状可根据需要而定，只要其外形尺寸适应于加热炉4的内部空间形状即可，可以是圆柱型、方柱型等形状。
坩埚9位于密封容器1内，其底部安装和支承在支承架10上。支承架10最好具有由石墨制成的表面层10a和底层10c以及由碳纤维制成的中间层10b构成的多层结构。支承架10安装在基座11上，基座11安装在从基座11向下连接的圆柱型部件12的上端，使基座11绕中心轴旋转。圆柱型部分12的旋转通过支承架10从基座11传送至坩埚9，因此坩埚9也随圆柱型部件12旋转。当半导体原料加入坩埚9中，并使坩埚9在加热炉4中加热时，坩埚9的旋转使其中的半导体原料具有均匀的温度分布。
如图2所示，基座11具有空心双结构并装有冷却部分11a，圆柱型部件12也具有套管形状。冷却介质(如冷却水)在冷却部分11a中强制循环，以冷却支承在基座11上的支承架10。坩埚9的底部温度T2用第二热电偶13进行测定。
如图1所示，高温计14连在加热炉4的上部，即正好位于坩埚9的上方加热部件3的部位。高温计14测定坩埚9中的半导体原料的辐射热，以测定该材料的表面温度。高温计14也可测定取决于该半导体原料是处于液相状态还是固相状态的发射率之差。因此，高温计14能用于测定加入的半导体原料加热熔化时的熔化进程，或者该材料冷却至固态时的固化进程。将高温计14的输出输入控制器7。
冷却介质从冷却介质容器15连续地供给圆柱型部件12。结果该冷却装置使支承架10与所接触的坩埚底部的下侧进行热交换，以冷却该底部。通过位于密封容器1的外部的驱动装置16驱动基座11和圆柱型部件12上下移动，坩埚9随其上下移动而升高或下降。因此加热炉4和坩埚9之间的距离可更短或更长。另外，如上所述，驱动装置16驱动圆柱型部件12绕轴旋转。加入坩埚9中的半导体原料从坩埚的顶部进行加热熔化，从坩埚的底部冷却固化。
本发明的制造装置的结构特点在于与坩埚9的底部近中心的下侧接触的第二热电偶13埋入支承架10的表面层10a。图2是坩埚9的底部中心部分周围处主要部分的放大示意图。该热电偶13用于测定底部温度T2，该温度是坩埚底部下面的温度，该热电偶通过导线以与第一热电偶相同的方式与控制器7电连接。因此，控制器7能控制供给电热感应线圈5的电源，升高或降低加热炉4的温度，以响应从第二热电偶13输出的底部温度T2。
图3和图4显示了在日本专利申请No．7-341136中所述的作为本发明基础的控制原理。图3是说明分别从第一热电偶6和第二热电偶13输出的加热温度T1和底部温度T2的变化与时间关系的曲线图。在该曲线图中，L1表示T1曲线，L2表示T2曲线，L3表示从高温计14输出的曲线。如下文中所述，图4是说明图1中所示的控制器7运行的流程图。根据由第一热电偶6测得的加热温度T1输出和由第二热电偶13测得的底部温度T2输出，控制器7依次运行图4中的步骤。另外也可以例如跟踪图3中T1和T2随时间的变化，而不是根据图4所示的流程图，手动操作控制器7以进行例如升高或降低加热炉4的温度的步骤以及其它诸如升高或降低圆柱型部件12等步骤。
为了保持恒定的固化速度，需要连续地改变热量释放。另一方面，在固化之后的退火过程中，需要周期性地改变热量释放。
下面参照图3和图4详细说明构成本发明基础的制造多晶半导体方法中的每一步骤。该方法从步骤a0开始，将作为半导体原料17的多硅加入坩埚9中。该加料步骤最好在图1中的密封容器的外部进行。将含有多硅的坩埚9置于安装在基座11上的支承架10的上表面，坩埚的中心对准基座和支承架的中心。驱动装置16用于升降圆柱型部件12和基座11，坩埚9置于加热炉内预定的部位。在加热炉4运行之前，使水循环流经基座11和圆柱型部件12，并且确定坩埚9的底部，尤其是底部之下侧是否已被冷却装置冷却。
另外，在加热炉4加热之前，通过驱动装置16使圆柱型部件12绕垂直轴旋转，以确保坩埚中的多硅均匀受热。
然后，在步骤a1中施加频率约为7kHz的交流电通过电热感应线圈5，当其温度为T30(例如环境温度)时开始加热。以约400℃／小时温度梯度进行加热升温，直至第一热电偶6测得的加热温度达到设定温度T20(如约1540℃)。从开始加热至达到设定温度所经过的时间t1通常约为4．5小时。只要步骤a1的测定结果为“NO”，则重复步骤a1，而当测定结果为“YES”时进行步骤a2，其中将电源供给电热感应线圈5，以在控制器7的控制下，使由第一热电偶测得的加热温度T1维持在设定温度T20。在步骤a2中，坩埚9中的多硅达到其熔化温度(约1420℃)，且从坩埚的顶部至底部进行熔化。可通过高温计14监测熔化进程。
由于如图2所示冷却介质循环流经基座11，以冷却支承架10以及进而冷却坩埚的底部下侧，因此坩埚的下部(包括底部)的温度始终低于坩埚上部的温度。这从图3所示的梯度变化曲线L1和L2的陡的上升边看也是显而易见的。由于如上所述由热电偶6测得的加热温度T1维持在恒定值T20，而且通过坩埚的上部和侧壁的加热是连续的，因此由第二热电偶13测得的底部温度T2随同由第一热电偶测得的加热温度T1而升高，虽然较为缓慢。
如图3所示，当温度达到硅的熔化温度时，L2的梯度变得平缓。从时间t1至t2经过约2．5小时。由于多硅在时间t2之后的一段时间内吸热熔化，因此由第二热电偶13测得的底部温度T2未能升高。因此，根据从第二热电偶13的输出，监控底部温度T2在每单位时间ΔW的变化率ΔTa(℃／min)，并测定ΔTa达到一个预定值(如0．2℃／min)或多个预定值的时间点(时间t3)。时间t3可为例如，时间t2之后4小时。只要步骤a2中测得的经过为“NO”，则重复步骤2，同时使加热温度T1保持在初始的预定值T20。
然后进行下面的步骤a4，通过控制器7以300℃／小时的温度梯度降低加热温度T1。同时，通过驱动装置16以7mm／小时的下降速度降低基座11。较好的是使基座11以1rpm或更慢的速度旋转，以适当控制熔化多硅的温度。所有以下诸步骤均使坩埚9保持旋转。在步骤a4中，进一步降低加热温度T1，当在步骤a5中测得的温度达到设定温度T21(如约1440℃)时，进行步骤a6。该时间t4可约为例如，t3之后约0．3小时。如果在步骤a5中的测定结果为“NO”时，回至步骤a4。
在步骤a6中，继续向电热感应线圈5供给电源，同时通过控制器7进行控制，以使第一热电偶6测得的加热温度T1保持在设定温度T21。在步骤a7中，根据高温计14的输出的变化，确定固化步骤是否完成。如果尚未完成，则回至步骤a6。由曲线L3可见，从高温计14输出的信号水平经历微小波动，这是因为当硅正被熔化时，热量释放测自液体。当固化完成时，高温计14测定来自固体材料的热量释放，所以在输出信号中不再测得出该微小波动。通过这些变化的测定来判断固化是否完成。
如果在步骤a7中时间t5(如工艺开始后14至17小时)下测得硅冷却完成，则进行步骤a8，其中以约100℃／小时的温度梯度进行冷却操作，以使加热温度T1降低至常温。在步骤a9中，在确认硅完全冷却之后(约15小时之后)，从密封容器1中取出坩埚9。从坩埚9中取出制得的多硅锭，得到从坩埚的底部至顶部单一方向固化的多晶硅。通常完成步骤a1至a9需要约40小时。
本发明可通过以下步骤而非常便利地进行，即预先设置设定温度T20、时间变化率ΔTa以及设定温度T21为适宜值，这些参数在步骤a1、a3和a5中提到，将这些参数输入计算机中以使在其后每一步骤中根据这些值是否达到进行判断，并控制控制器7，以进行加热炉4中控制温度和冷却的步骤。
根据本发明的第一实施方案，通过调节制造装置的基座11中循环冷却介质的流速，使热量释放连续或周期性变化。已知当冷却介质为水时，热量释放可用下面式1表示。
热量释放(kW)={冷却介质的流速(1／min)×ΔT(℃)}／14．34…(1)ΔT冷却介质的入口温度和出口温度之差为了根据需要用上述方式连续或周期性地改变热量释放，如图5所示在半导体原料17的固化步骤中预先设置了冷却图案，而冷却介质的流速则连续地加以改变。另一方面，为了进行周期性变化，将冷却介质的流速调节在与大量热量释放有关的设定值Q1和与少量热量释放有关的设定值Q2之间变化。
按本发明用于确保晶体生长速率恒定的最简方法中，在与实际用于半导体生产的条件基本相同的条件下，加热和熔化坩埚9中的半导体，将高熔点材料(如陶瓷棒)插入已开始固化的熔化半导体材料17中，以该陶瓷棒接触固-液界面的位置为基准，记录固-液界面的位置。根据如此记录的固-液界面位置随温度的变化，测得固化速度。同时，如图1所示，测定冷却介质的入口温度T3和出口温度T4，并分别用第三和第四热电偶22和23进行记录。重复该过程直至固化完成。由于ΔT=T4-T3，只要测得冷却介质的流速，就可根据式1确定热量释放和其与固化速度的关系。这样，根据可在半导体制造过程中连续读出的入口温度T3和出口温度T4之间的温度差ΔT和当时冷却介质的流速就可控制固化速度。
在该实施方案中，根据冷却介质的入口温度T3和出口温度T4之间的温度差ΔT控制半导体17的固化速度为恒定值。更具体地可以这样说，通过改变冷却介质(如冷却水)的量来基本控制热量释放。
图6显示固化速度随温度变化的实例。图6A示出，固化速率随保持恒定的热量释放而变化。与固化的初始阶段不同，在固化的最后阶段，固体部分构成热阻，因此固化速度下降。图6B则显示，通过改变冷却水的量，因而随时间连续改变热量释放，同时监测冷却水的入口温度T3和出口温度T4之间的温度差，从而控制固化速度的结果。冷却水的量连续地从15升／分钟变至20升／分钟。由于这些条件取决于坩埚9的尺寸、基座11的结构等等，因此需要对每一批半导体17确定最佳条件。
图7显示了晶体生长速度和时间之间的关系。如图7A所示，构成坩埚9中半导体的固体部分17S和硅的熔融部分17L之间的固-液界面18位于离坩埚底部距离L(t)处，它是时间t的函数。只要坩埚9的底表面处的冷却条件为常数，如图7B所示，生长速度就发生变化。对于生长速度，可采用下列关系式(2)。生长速度∝固-液界面的热量释放∝Si固体的导热率×(硅的固体部分的底面积／硅的固体部分的长度L)…(2)因此，为了控制生长速度恒定，需要使固-液界面的热量释放保持恒定。假设在冷却单元处的热量释放的变化率为ΔH(t)，Si固体的导热率为σ。这样需要满足下列等式(3)。
在该等式中，A为取决于坩埚9的尺寸和冷却性能的常数。从等式(3)可得到下列等式(4)。
ΔH(t)=A／(σ×S)×L(t)…(4)只要生长速度L(t)为常数，则热量释放随时间的变化率ΔH(t)也为常数。结果，如图8所示，热量释放H(t)需要以与时间成线性函数增加。
图9显示根据本实施方案的温度控制特性，而图10则是温度控制的流程图。在图9中，从开始进行到t4，与图3的相应过程基本相似。图10中的步骤b0至b5和步骤b7至b9也相应地与图4中的步骤a0至a5和步骤a7至a9相当。根据该实施方案，在图9中的t4至t5期间，根据由经验预先确定的关系式控制热量释放H(t)，从而确保固化速度恒定，即晶体生长速度恒定。如图8所示，该关系式可近似为线性升高的线性函数。根据线性函数进行控制简化了控制过程。
从固化的一开始，根据由冷却介质的入口和出口之间的温度差以及此时冷却介质的流速计算得到的固化速度和热量释放之间的经验关系式控制冷却介质的流速，由此使固化速度在整个固化过程中保持恒定。
例如，如图1所示，根据事先在控制器24中设定的程序，控制构成冷却介质的冷却水的量。将冷却水的入口温度T3和出口温度T4以及经冷却水测定仪25测得的冷却水的量输入控制器24中，而电磁阀26的开启程度可在监测温度差的同时得以控制。这样做有一个很大的优点就是可自动获得恒定的固化速度。
可通过改变冷却介质的流速适当加以控制的热量释放，也可代之以通过改变冷却介质本身进行控制。为此，冷却介质可由两种或多种体系构成，在各种冷却体系之间通过开启或关闭电磁阀使各种冷却介质相互转换。对于上述结构中所用的冷却介质，可选用水、氦气、二氧化碳等的适宜组合。通过交替地组合使用这些冷却介质，可控制冷却介质的去热效果。
根据本发明的第二实施方案，图11和12示出多晶半导体制造装置的支承架20的结构。根据该实施方案的制造装置具有与第一实施方案的装置基本相同的部件，但支承架10不相同。本实施方案的制造装置与第一实施方案的制造装置的不同之处在于，支承架20具有绝热片21可插入其中或从中取出的中空结构。支承架20包括表面层20a、空心部分20b和底层20c。表面层20a、底层20c和侧壁20d由石墨形成，同时留出空心部分20b。
根据该实施方案，当坩埚9的底部通过支承架20的冷却去热而进行固化时，热量通过辐射从空心部分20b释放出来。因此，插入绝热片21以阻断向空心部分20b的辐射，可抑制从坩埚9的底部下侧对其进行冷却。可用于此目的的绝热片21最好由选自金、铂、银、钨、碳纤维和钽中的一种或多种材料形成。尽管如此，也可以使用除上述材料之外的具有高辐射效率和高熔点材料，且具有同样的效果。绝热片21可制成单一金属片，或者制成如图11和12所示的滑面型且可延伸的多层结构。将这类绝热片21插入空心部分20b中并延伸，结果如图12所示，绝热片21阻断了支承架20的表面层20a和底层20c之间的热辐射。此时热量释放达到最少。另一方面，如图11所示，通过取出绝热片21或使其缩短，使热量释放达到最大。
图13显示了本发明的第三实施方案的温度控制特性，图14是温度控制操作的流程图。在图13中，从开始进行到t4，与图3和图9的相应过程基本相似。图14中的步骤c0至c5和步骤c7至c9也相应地与图4中的步骤a0至a5和步骤a7至a9以及图10中的步骤b0至b5和步骤b7至b9相当。根据该实施方案，在图13中的t4至t5期间，根据由经验预先确定的关系式控制热量释放H(t)，同时进行退火处理。为了退火，控制构成冷却介质的冷却水的量，并且当测得的作为加热温度的固-液界面温度T1，例如达到1422℃时，保持冷却水流速如其最佳时间长度所保持的那样。然后，使冷却水流速恢复至满足如第一实施方案中所述的确保固化速度恒定条件的水平，在图14的步骤c6中，材料的退火和固化可通过在一定的时间间隔减少热量释放而交替重复持续预定的时间长度。而与此同时坩埚9则下移进行固化。
图15是显示根据本实施方案，退火和固化交替重复时，固-液界面状态的示意图。构成坩埚9中的半导体原料17的硅包括熔融的液体部分17L、液体部分17L下面的固体部分17S和在17S和17L之间形成的固-液界面18。在固化过程中进行控制，使固-液界面18以恒定速度上升。另一方面，在退火过程中，固-液界面18暂时停止移动，在此条件下，聚集在硅的固体部分17S中的内应变向上表面释放。
实施例将硅籽晶(CZ(100)，直径为5英寸，厚度为10毫米)放置在坩埚(方形柱状，宽度为55厘米，高度为40厘米)的底部中心处。较好的是使用经化学腐蚀(30微米)预处理的硅籽晶。通过腐蚀使晶体表面光滑，更适宜于晶体生长。向该坩埚中加入约140公斤欲熔化的多硅。
根据本发明的第三实施方案，进行图14中的步骤c0至c7，以制造多晶硅锭。在该实施方案中，固-液界面的温度保持在1421℃，同时在步骤c6中热量释放随固化时间线性增加。步骤c6中固化和退火的时间比约为5。固化过程(步骤c6和c7)需要约20小时。测定制得的多晶硅锭的EPD并评估其质量。根据JIS H0609测定EPD。EPD的测定结果和太阳能电池工作模式的转换效率列于表1中。为了进行比较，对另外两种情况也进行了评估，一种是根据本发明的第一实施方案，固化速度固定而不进行任何退火处理，另一种是如图3所示热量释放固定而固化速度则变化。
表1制备条件 EPD(×104／cm2)太阳能电池转换效率(％)恒定固化速度+退火0．8 15．0恒定固化速度 2．0 14．5可变固化速度15．0 13．5从表1中可以明显看出，根据本实施例制得的多晶硅锭具有较对照例更低的EPD的特征，且制得具有改进EPD的优良多晶锭。
本发明可具体化为其它的形式而不脱离本发明的精神和基本特征。因此本发明的实施方案都是说明性的和非限制性的，本发明的范围由权利要求书所限定，而不是上文中的说明，所有的在权利要求书的含义和等效范围内的变化都包括在本发明的范围之内。
权利要求
1．一种制造多晶半导体的方法，它包括如下步骤在对半导体(17)是惰性的气氛下将半导体原材料(17)加入坩埚(9)中；在坩埚(9)中用加热装置(4，5)加热并熔化半导体原材料(17)；移除坩埚底部的热量使已熔化的半导体原材料(17)固化；然后在冷却坩埚(9)的同时，冷却固化的半导体(17)，其中热量的释放和半导体原材料(17)的固-液界面(18)是移动时的固化速度之间的关系预先被确定，而当熔化的半导体原材料(17)固化时，热量的释放随时间按预定的关系变化以保持固化速度恒定。
2．如权利要求1所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，恒定速度的固化和退火在固化步骤中交替进行。
3．如权利要求1所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，根据移除坩埚底部热量的冷却介质在入口和出口之间的温度变化的检测值，对热量释放的变化进行控制。
4．如权利要求1所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，控制热量释放的变化，使热量释放从固化步骤的初始阶段到最终阶段是提高的。
5．如权利要求4所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，按线性函数来控制热量释放的提高。
6．如权利要求1所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，通过调节移除坩埚底部热量的冷却介质的流动速度来控制热量释放的变化。
7．如权利要求1所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，将坩埚(9)的底部放在具有中空结构的支承架(20)上，这样通过插入中空结构或从中抽出，或移走绝热片来调节从坩埚底部移除的热量就可以控制热量释放的变化。
8．如权利要求1至7中任一项权利要求所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，将半导体(17)的籽晶放在坩埚(9)的底部，之后将半导体原材料(17)放入坩埚(9)内，这样固化时多晶体就从籽晶开始生长。
9．如权利要求1至8中任一项权利要求所述的制造多晶半导体的方法，其特征在于，半导体原材料(17)是多硅，而多晶半导体是多晶硅。
10．一种制造多晶半导体的装置，它包含能在其中保持对半导体(17)是惰性的气氛的密封容器(1)；放在密封容器(1)中的坩埚(9)，在该坩埚中加入半导体原材料(17)；在坩埚(9)底部的上面加热坩埚(9)以熔化半导体原材料(17)的加热装置(4，5)；支承坩埚(9)底部的下面而将坩埚(9)固定于其上的支承架(10，20)；冷却支承架(10)的冷却装置(11a)；驱动支承架(10，20)以绕着垂直轴旋转并可向上或向下移动的驱动装置(16)；和按固化速度与热量释放之间的预定关系来控制热量释放的控制热量释放的装置(24)，该装置用以在半导体原材料(17)固化时保持固化速度恒定。
11．如权利要求10所述的制造多晶半导体的装置，其特征在于，支承架(20)具有中空结构，在其中可以插入绝热片或从中抽出绝热片。
12．如权利要求10或11所述的制造多晶半导体的装置，其特征在于，冷却装置(11a)通过在其中循环冷却介质，来冷却支承架(10，20)，控制热量释放的装置(24)包括用于检测冷却装置的入口和出口之间的温度变化的温度变化检测装置(22，23)；和根据温度变化检测装置(22，23)所检测到的温度变化，调节冷却介质的流动速度或绝热片插入或抽出程度的调节装置(26)。
13．如权利要求10至12中任一项权利要求所述的制造多晶半导体的装置，其特征在于它进一步包括用于检测经加热装置(4，5)加热的坩埚的加热温度T1的加热温度检测装置(6)；用于检测坩埚(9)底部下面的底部温度T2的底部温度检测装置(13)；和控制装置(7)，它响应于加热温度检测装置(6)和底部温度检测装置(13)的输出，用来控制加热装置(4，5)使加热温度T1升高至半导体原材料(17)的熔点或更高的温度，并控制加热装置(4，5)以便当底部温度T2随时间变化的速度ΔTa达设定值或更高值时使加热温度T1下降。
全文摘要
本发明披露了一种制造具有优异结晶学性质的高质量多晶半导体锭的方法和装置。将密封容器(1)的内部保持在对半导体是惰性的气氛中。将半导体原材料(17)加入坩埚(9)中,用电热感应线圈(5)加热半导体原材料(17),使之熔化。然后移除坩埚底部的热量,使半导体原材料(17)固化,从而获得多晶半导体。当热量释放按保持半导体原材料(17)的固化速度是恒定的预定关系变化时,半导体晶体在从坩埚的底部指向顶部的一个方向上生长。
文档编号H01L31/04GK1204704SQ9811591
公开日1999年1月13日 申请日期1998年7月2日 优先权日1997年7月2日
发明者奥野哲启 申请人:夏普株式会社