專利名稱：制造多晶半導體的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造多晶半導體的方法和裝置，更具體地是涉及制造在應力下具有小應變的多晶硅半導體的方法和裝置。
硅是一種優(yōu)異的制造工業(yè)產(chǎn)品的原材料，例如，可用作制造ICs(集成電路)等的半導體材料，并可用作制造太陽能電池的材料；從許多應用于上述領域的資源來看它確實是一種優(yōu)異的材料。更具體地說，硅是一種在目前實際應用中幾乎所有太陽能電池材料都使用的材料。當前電源用主要的太陽能電池都基于單晶硅，這樣希望從費用降低上來進一步開發(fā)由高質(zhì)量多晶硅制造的太陽能電池。在這種情況下，多晶硅的轉(zhuǎn)換效率低于單晶硅的轉(zhuǎn)換效率。因此，開發(fā)高質(zhì)量的多晶硅是其成功應用于太陽能電池的先決要求。
按常規(guī)制造多晶硅半導體的方法，將放入石英坩堝的固體硅在加熱爐中熔化，然后澆鑄(east)到石墨坩堝內(nèi)。另一種目前已知的方法是在真空或惰性氣體中熔化，以防止在硅中混入氧氣或氮氣等氣體，由此改進質(zhì)量并避免粉塵。
例如，在德國Wacker-Chemitronie GmbH的半連續(xù)鑄造爐法中，硅在石英坩堝中在真空或惰性氣體下熔化，然后傾斜坩堝將它倒入石墨或類似物制成的模具中(日本審查過的專利出版物JP-B2 57-215l5(1982))。在美國Crystal Systems，Inc．的HEM(熱交換法)中，硅在石英坩堝中在真空下熔化，然后直接固化(日本審查過的專利出版物JP-B2 58-54115(1983))。同樣有一種著名的Wacker法的改進方法，其中采用水冷鋼板于熔化硅的坩堝(日本未審查專利出版物JP-A 62-260710(1987))。
在上述任何一種硅制造方法中，都要控制硅半導體固化過程中的熱量釋放，使其保持恒定。結(jié)果，與硅固化從液相轉(zhuǎn)變成固相的初始階段相比，在最終階段中就有更多的熱量傳輸透過如此占有其大部分的固相。然而，由于固體硅的熱阻高于液體硅的，因而難以排出在固化過程中所釋放出的熱量，從而導致較低的生長速度。除非生長速度是恒定的，否則會易于產(chǎn)生應變或缺陷，并損害晶體的質(zhì)量。例如，EPD(腐蝕坑密度)，一種評價晶體產(chǎn)品質(zhì)量的指標，對于多晶硅一般約為105／cm2，該值比單晶硅的小于102／cm2的數(shù)值要高得多。
為此，業(yè)已試圖通過退火來改進EPD。例如在JP-B2 58-54115所披露的方法中，調(diào)節(jié)坩堝的溫度，以便在固化后進行退火(參見該專利出版物，第2欄，第33-36行)。半導體錠通常具有約30至50cm2的較大的形狀。因此，在錠固化后對半導體錠進行的退火在退火過程中會引起錠的中心部分和周圍部分的溫度差異。結(jié)果旨在釋放應變應力的退火過程反而會導致產(chǎn)生應變。因此，退火過程的效果基本上是不希望的，當然這樣獲得的多晶體易于具有較高的EPD。
為了進一步改進上述意圖，該發(fā)明的申請人就制造多晶半導體的方法和裝置申請了專利，所述多晶半導體通過交替進行固化和退火的方法使之具有優(yōu)異的結(jié)晶學性質(zhì)和在應力下具有小的應變(日本專利申請No．7-344136(1995))。然而，在這種方法中，在晶體生長的初始階段到最終階段的整個過程中熱量的釋放實際上是恒定的，這就導致了與固化初始階段的相比，在最終階段中的生長速度較慢。因此，認為退火的一半效果損失掉了。
鑒于上述情況完成了本發(fā)明，而其目的是提供一種制造具有優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)和在應力下具有較小應變并且缺陷很少的多晶半導體的方法和裝置。
說明書和權(quán)利要求書中通篇所用的“在惰性氣氛下”是指在密封容器中實現(xiàn)“在真空中或在惰性氣體氣氛下，以防止所存在的熱的半導體原材料發(fā)生氧化”。
本發(fā)明提供一種制造多晶半導體的方法，它包括如下步驟在對半導體是惰性的氣氛下將半導體原材料加入坩堝中；在坩堝中用加熱裝置加熱并熔化半導體原材料；在移除坩堝底部熱量的同時使已熔化的半導體原材料固化；然后在冷卻坩堝的同時，冷卻固化的半導體，其中熱量的釋放和半導體原材料的固-液界面是移動時的固化速度之間的關系預先加以確定，而當已熔化的半導體原材料固化時，熱量的釋放隨時間按預定的關系變化以便保持固化速度恒定。
按本發(fā)明，當已熔化的半導體原材料固化時，熱量的釋放隨時間按固化速度與熱量釋放之間的預定關系變化，所述預定關系確保半導體原材料的固-液界面是移動時的恒定的固化速度。由于固化速度保持恒定，半導體晶體的生長速度也保持恒定，這樣就可以來制造具有優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)、在應力下具有較小應變并且缺陷很少的多晶半導體。
本發(fā)明的特征在于恒定速度的固化和退火在固化步驟中交替地進行。
按本發(fā)明，由于恒定速度的固化和退火是交替進行的，因而可以進一步地減少在應力下的應變。
本發(fā)明的特征在于根據(jù)移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)在入口和出口之間的溫度變化的檢測值，對熱量釋放的變化進行控制。
按本發(fā)明，移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)在相應于熱量釋放的溫度下會發(fā)生變化。通過檢測冷卻介質(zhì)在入口和出口之間的溫度變化，就可以容易地檢測從而控制熱量釋放的變化。
本發(fā)明的特征在于控制熱量釋放的變化，使熱量釋放從固化步驟的初始階段到最終階段是提高的。
按本發(fā)明，甚至當業(yè)已進行到半導體材料的固化使通過導熱性比液體部分低的固化部分的熱量釋放比例增加時，也可以通過提高熱量釋放來保持固化速度恒定。
本發(fā)明的特征在于按線性函數(shù)來控制熱量釋放的提高。
按本發(fā)明，由于按固化進行的線性函數(shù)來控制熱量釋放的提高，因此施加簡單的控制就可以制造在應力下具有小應變的多晶半導體。
本發(fā)明的特征在于通過調(diào)節(jié)移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)的流動速度來控制熱量釋放的變化。
按本發(fā)明，通過提高或降低移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)的流動速度就可容易地來調(diào)節(jié)熱量釋放的提高或降低。
本發(fā)明的特征在于將坩堝的底部放在具有中空結(jié)構(gòu)的支承架上，這樣通過插入中空結(jié)構(gòu)或從中抽出，或移走絕熱片來調(diào)節(jié)從坩堝底部移除的熱量就可以控制熱量釋放的變化。
按本發(fā)明，當將絕熱片插入上面架著坩堝底部的支承架的中空結(jié)構(gòu)時，在中空結(jié)構(gòu)中輻射熱量的傳輸被抑制，這樣就降低了熱量的釋放。另一方面，當將絕熱片從中空結(jié)構(gòu)中抽出來時，輻射熱量的傳輸較少受到抑制，這樣就可以提高熱量的釋放。
本發(fā)明的特征在于將半導體籽晶放在坩堝的底部，之后將半導體原材料放入坩堝內(nèi)，這樣固化時多晶體就從籽晶開始生長。
按本發(fā)明，具有優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)的多晶半導體可以從籽晶開始生長。
本發(fā)明的特征在于半導體原材料是多硅(polysilicon)，而多晶半導體是多晶硅。
按本發(fā)明，多硅作為半導體原材料是較好的，在這種情況下，待制造的多晶半導體是多晶硅。由于能確保恒定的固化速度，故在應力下很少發(fā)生應變。結(jié)果，具有這樣一種可作高轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池用的優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)多晶硅就可得以生長。
本發(fā)明提供一種制造多晶半導體的裝置，它包含能在其中保持對半導體是惰性的氣氛的密封容器；放在密封容器中的坩堝，在該坩堝中加入半導體原材料；在坩堝底部的上部加熱坩堝以熔化半導體原材料的加熱裝置；支承坩堝底部的下面而將坩堝固定于其上的支承架；冷卻支承架的冷卻裝置；驅(qū)動支承架以繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)并可向上或向下移動的驅(qū)動裝置；和按固化速度與熱量釋放之間的預定關系來控制熱量釋放的控制熱量釋放的裝置，以便在半導體原材料固化時保持固化速度恒定。
按本發(fā)明，在對半導體是惰性的氣氛下將半導體原材料加入坩堝中，在坩堝中用加熱裝置加熱并熔化半導體原材料。在半導體原材料熔化之后，用冷卻裝置移除坩堝底部的熱量使熔化的材料固化，這樣就獲得了從坩堝底部指向頂部一個方向上固化的多晶半導體。按固化速度與熱量釋放之間的預定關系控制來自半導體材料的熱量釋放。因此，就可以制造出具有優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)并且在應力下具有較小應變的多晶半導體。
本發(fā)明的特征在于支承架具有中空結(jié)構(gòu)，在其中可以插入絕熱片或從中抽出絕熱片。
按本發(fā)明，通過將絕熱片插入支承架的中空結(jié)構(gòu)中或從中抽出，就可以調(diào)節(jié)中空結(jié)構(gòu)中輻射熱量的傳輸，由此控制熱量的釋放。
本發(fā)明的特征在于通過在其中循環(huán)冷卻介質(zhì)，使冷卻裝置冷卻支承架，而控制熱量釋放的裝置包括用于檢測冷卻裝置的入口和出口之間溫度變化的溫度變化檢測裝置；和根據(jù)溫度變化檢測裝置所檢測到的溫度變化，調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流動速度或絕熱片插入或抽出的程度的調(diào)節(jié)裝置。
按本發(fā)明，移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)的溫度變化與熱量釋放相對應。通過檢測冷卻介質(zhì)的入口和出口之間的溫度變化，就可以簡單的方式來檢測熱量釋放的變化。因此，通過提高或降低移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)的流動速度，就可以容易地調(diào)節(jié)熱量釋放的提高或降低。也可以容易地通過將絕熱片插入支承架的中空結(jié)構(gòu)中或從中抽出，來調(diào)節(jié)從坩堝底部移除的熱量，從而調(diào)節(jié)熱量的釋放。
本發(fā)明的特征在于裝置進一步包括用于檢測用加熱裝置進行加熱的坩堝的加熱溫度T1的加熱溫度檢測裝置；用于檢測坩堝底部下面的底部溫度T2的底部溫度檢測裝置；和控制裝置，它響應于加熱溫度檢測裝置和底部溫度檢測裝置的輸出，用來控制加熱裝置使加熱溫度T1升高至半導體原材料的熔點或更高的溫度，并控制加熱裝置以便當?shù)撞繙囟萒2隨時間變化的速度ΔTa達設定值或更高值時使加熱溫度T1下降。
由于半導體原材料熔化時會吸收熔化熱，因而用控制裝置來控制加熱裝置的功率，以使本發(fā)明的坩堝溫度保持恒定。隨著材料熔化的進行，待損失的熔化熱減少，它使坩堝，尤其是坩堝底部下面的溫度升高。因此，坩堝底部溫度T2的變化反映了半導體原材料在坩堝中的熔化情況。這樣，測量該溫度隨時間變化的速度ΔTa，一旦它達到設定值或更高值，就馬上停止用加熱裝置加熱坩堝。這種對加熱溫度的控制防止了由于熔化而使籽晶在坩堝底部的表面上擴散開來，因此這在用籽晶生長半導體多晶體的情況下是特別希望的。然后，坩堝開始逐漸冷卻，使已熔化的半導體原材料固化。在本發(fā)明的方法中，移除坩堝底部的熱量使半導體材料固化，因此可以獲得從坩堝底部指向頂部一個方向上生長的多晶半導體。
本發(fā)明方法的一個特征是通過冷卻使半導體原材料固化(即晶體生長)和對材料的退火可以在固化過程中同時進行。這可通過周期性地改變半導體原材料的熱量釋放而實現(xiàn)。具體地說，當熱量釋放較高時進行晶體生長，隨后在熱量釋放被抑制達較小的程度時進行退火。在固化過程中，經(jīng)過一定時間重復這些步驟，而熱量釋放則周期性地被改變。在實施本發(fā)明的方法中，將已熔化半導體材料的固-液界面附近的溫度(下面稱其為固-液溫度)校正至坩堝底部的底部溫度T2。按固-液溫度根據(jù)半導體的熔點(例如對于多硅約為1420℃)在預定范圍內(nèi)升高和下降的方式來調(diào)節(jié)溫度T2，這樣就獲得了高熱量釋放的條件和低熱量釋放的條件。這樣，按本發(fā)明，在固化時釋放晶體的應變應力，因此可以生長出具有較小應變應力并具有高再現(xiàn)性的優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)的高質(zhì)量半導體多晶體。
同樣地，在固化過程中，通過設定與較大熱量釋放有關的總時間長度為不大于與較小熱量釋放有關的總時間長度的10倍，來進一步改進多晶半導體的質(zhì)量。
在晶體是從籽晶開始生長的制造多晶半導體的過程中，當將坩堝底部的底部溫度T2隨時間變化的速度ΔTa設定在約0．2℃／min至約0．5℃／min的范圍內(nèi)時，籽晶的熔化可被抑制并且可以制得較高質(zhì)量的多晶半導體。對于ΔTa小于0．2℃／min的情況，不僅籽晶而且半導體材料都保持不熔化，這樣就不可能制造質(zhì)量均勻的半導體多晶體。另一方面，對于ΔTa大于0．5℃／min的情況，籽晶可能熔化，這樣要生長出令人滿意的多晶體是相當困難的。
按本發(fā)明，晶體生長過程的所有步驟都可實現(xiàn)自動化。而且，在使用籽晶生長多晶半導體的情況下，籽晶的熔化高度可靠地被抑制，因此可以制造出高質(zhì)量的多晶半導體。再者，從周期性地改變半導體原材料的熱量釋放以交替進行晶體生長和退火的事實來看，可以制造出EPD較低，在應力下應變小并且難以破裂的多晶體。
本發(fā)明其它和進一步的目的，特征和優(yōu)點將從下述參考附圖的詳細描述中更好地顯現(xiàn)出來，其中

圖1是顯示制造本發(fā)明多晶半導體的裝置結(jié)構(gòu)的縱切面示意圖；圖2是顯示制造本發(fā)明多晶半導體裝置主要部件的縱切面放大示意圖；圖3是顯示第一熱電偶6和第二熱電偶13中的檢測溫度T1，T2以及高溫計14的輸出隨時間變化的溫控特征圖，在其中使用構(gòu)成本發(fā)明基礎的原理；圖4是與圖3的控制操作相對應的流程圖；圖5是顯示在圖3的控制下熱量釋放與固化和退火步驟的時間之間關系的圖；圖6A和6B分別是顯示在恒定熱量釋放的條件下固化速度和當控制固化速度恒定時固化過程的圖；圖7A和7B分別是顯示在恒定的熱量釋放條件下固-液界面發(fā)展情況的示意圖和顯示生長速度隨時間變化的圖；圖8是顯示熱量釋放隨時間按本發(fā)明第一種實施方案變化情況的圖；圖9是顯示第一和第二熱電偶6，13的檢測溫度T1，T2以及高溫計14的輸出隨時間按本發(fā)明第一種實施方案變化的溫控特征圖；圖10是與按本發(fā)明第一種實施方案的圖9中的控制操作相對應的流程圖；圖11是顯示本發(fā)明第二種實施方案所用支承架20的中空結(jié)構(gòu)例子的縱切面圖；圖12是顯示在圖11的支承架20的中空結(jié)構(gòu)中延伸的絕熱片21的縱切面圖；圖13是顯示第一和第二熱電偶6，13的檢測溫度T1，T2以及高溫計14的輸出隨時間按本發(fā)明第三種實施方案變化的溫控特征圖；圖14是與按本發(fā)明第三種實施方案的圖13中的控制操作相對應的流程圖15是顯示當按本發(fā)明第三種實施方案重復交替進行固化和退火時所形成的固-液界面的示意圖。
下面參照附圖敘述本發(fā)明的較佳實施方案。
現(xiàn)在參照圖1至圖8詳細說明本發(fā)明的用于制造多晶半導體的方法和裝置。雖然本發(fā)明中可使用的半導體原料僅列舉了硅(Si)，然而其它材料(如鍺(Ge))也可用于本發(fā)明的方法中。
圖1是說明用于本發(fā)明的第一個實施方案的裝置結(jié)構(gòu)的縱切面示意圖。該裝置包含阻止空氣流通的密封容器1。密封容器1可通過真空密封門(圖中未標出)與外部真空泵連接，以在容器內(nèi)部產(chǎn)生真空。另外還可以將該容器設計成在常壓或微正壓下使惰性氣體(如氬氣)在內(nèi)部循環(huán)流通，在此情況下在密封容器1中加熱熔化的半導體不會受氧化的不利影響，這是因為密封容器1內(nèi)部的氣氛是非氧化性的。
在密封容器1中具有圓柱型加熱爐4，該加熱爐包含位于距容器側(cè)壁一定距離的絕熱體2和加熱部件3。絕熱體2和加熱部件3均由諸如碳纖維或石墨等材料制成。加熱部件3可由導電體(如金屬)構(gòu)成。電熱感應線圈5纏繞在加熱爐4的周圍，尤其是沿其面對加熱部件3的外表面部分。該電熱感應線圈5由頻率約為10kHz的高頻電流通電，由此通過感應加熱該加熱部件3。第一熱電偶6用于測定加熱溫度T1，該加熱溫度為加熱部件3的溫度，將該熱電偶通過插管插入加熱部件3的側(cè)壁。
熱電偶6和電熱感應線圈5通過相應的導線8與位于該密封容器外的控制器7連接。控制器7設計成控制供給電熱感應線圈的電源以響應熱電偶6的輸出，由此根據(jù)需要升高或降低加熱爐4的溫度。
向坩堝9中加入半導體原料，如果需要也可加入籽晶，該坩堝位于密封容器1的內(nèi)部。坩堝9位于由加熱爐4限定的內(nèi)部空間，距加熱爐4的側(cè)壁和頂部一定的距離。坩堝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，諸如鉭、鉬、鎢、四氮化三硅或一氮化硼。坩堝9的形狀可根據(jù)需要而定，只要其外形尺寸適應于加熱爐4的內(nèi)部空間形狀即可，可以是圓柱型、方柱型等形狀。
坩堝9位于密封容器1內(nèi)，其底部安裝和支承在支承架10上。支承架10最好具有由石墨制成的表面層10a和底層10c以及由碳纖維制成的中間層10b構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。支承架10安裝在基座11上，基座11安裝在從基座11向下連接的圓柱型部件12的上端，使基座11繞中心軸旋轉(zhuǎn)。圓柱型部分12的旋轉(zhuǎn)通過支承架10從基座11傳送至坩堝9，因此坩堝9也隨圓柱型部件12旋轉(zhuǎn)。當半導體原料加入坩堝9中，并使坩堝9在加熱爐4中加熱時，坩堝9的旋轉(zhuǎn)使其中的半導體原料具有均勻的溫度分布。
如圖2所示，基座11具有空心雙結(jié)構(gòu)并裝有冷卻部分11a，圓柱型部件12也具有套管形狀。冷卻介質(zhì)(如冷卻水)在冷卻部分11a中強制循環(huán)，以冷卻支承在基座11上的支承架10。坩堝9的底部溫度T2用第二熱電偶13進行測定。
如圖1所示，高溫計14連在加熱爐4的上部，即正好位于坩堝9的上方加熱部件3的部位。高溫計14測定坩堝9中的半導體原料的輻射熱，以測定該材料的表面溫度。高溫計14也可測定取決于該半導體原料是處于液相狀態(tài)還是固相狀態(tài)的發(fā)射率之差。因此，高溫計14能用于測定加入的半導體原料加熱熔化時的熔化進程，或者該材料冷卻至固態(tài)時的固化進程。將高溫計14的輸出輸入控制器7。
冷卻介質(zhì)從冷卻介質(zhì)容器15連續(xù)地供給圓柱型部件12。結(jié)果該冷卻裝置使支承架10與所接觸的坩堝底部的下側(cè)進行熱交換，以冷卻該底部。通過位于密封容器1的外部的驅(qū)動裝置16驅(qū)動基座11和圓柱型部件12上下移動，坩堝9隨其上下移動而升高或下降。因此加熱爐4和坩堝9之間的距離可更短或更長。另外，如上所述，驅(qū)動裝置16驅(qū)動圓柱型部件12繞軸旋轉(zhuǎn)。加入坩堝9中的半導體原料從坩堝的頂部進行加熱熔化，從坩堝的底部冷卻固化。
本發(fā)明的制造裝置的結(jié)構(gòu)特點在于與坩堝9的底部近中心的下側(cè)接觸的第二熱電偶13埋入支承架10的表面層10a。圖2是坩堝9的底部中心部分周圍處主要部分的放大示意圖。該熱電偶13用于測定底部溫度T2，該溫度是坩堝底部下面的溫度，該熱電偶通過導線以與第一熱電偶相同的方式與控制器7電連接。因此，控制器7能控制供給電熱感應線圈5的電源，升高或降低加熱爐4的溫度，以響應從第二熱電偶13輸出的底部溫度T2。
圖3和圖4顯示了在日本專利申請No．7-341136中所述的作為本發(fā)明基礎的控制原理。圖3是說明分別從第一熱電偶6和第二熱電偶13輸出的加熱溫度T1和底部溫度T2的變化與時間關系的曲線圖。在該曲線圖中，L1表示T1曲線，L2表示T2曲線，L3表示從高溫計14輸出的曲線。如下文中所述，圖4是說明圖1中所示的控制器7運行的流程圖。根據(jù)由第一熱電偶6測得的加熱溫度T1輸出和由第二熱電偶13測得的底部溫度T2輸出，控制器7依次運行圖4中的步驟。另外也可以例如跟蹤圖3中T1和T2隨時間的變化，而不是根據(jù)圖4所示的流程圖，手動操作控制器7以進行例如升高或降低加熱爐4的溫度的步驟以及其它諸如升高或降低圓柱型部件12等步驟。
為了保持恒定的固化速度，需要連續(xù)地改變熱量釋放。另一方面，在固化之后的退火過程中，需要周期性地改變熱量釋放。
下面參照圖3和圖4詳細說明構(gòu)成本發(fā)明基礎的制造多晶半導體方法中的每一步驟。該方法從步驟a0開始，將作為半導體原料17的多硅加入坩堝9中。該加料步驟最好在圖1中的密封容器的外部進行。將含有多硅的坩堝9置于安裝在基座11上的支承架10的上表面，坩堝的中心對準基座和支承架的中心。驅(qū)動裝置16用于升降圓柱型部件12和基座11，坩堝9置于加熱爐內(nèi)預定的部位。在加熱爐4運行之前，使水循環(huán)流經(jīng)基座11和圓柱型部件12，并且確定坩堝9的底部，尤其是底部之下側(cè)是否已被冷卻裝置冷卻。
另外，在加熱爐4加熱之前，通過驅(qū)動裝置16使圓柱型部件12繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，以確保坩堝中的多硅均勻受熱。
然后，在步驟a1中施加頻率約為7kHz的交流電通過電熱感應線圈5，當其溫度為T30(例如環(huán)境溫度)時開始加熱。以約400℃／小時溫度梯度進行加熱升溫，直至第一熱電偶6測得的加熱溫度達到設定溫度T20(如約1540℃)。從開始加熱至達到設定溫度所經(jīng)過的時間t1通常約為4．5小時。只要步驟a1的測定結(jié)果為“NO”，則重復步驟a1，而當測定結(jié)果為“YES”時進行步驟a2，其中將電源供給電熱感應線圈5，以在控制器7的控制下，使由第一熱電偶測得的加熱溫度T1維持在設定溫度T20。在步驟a2中，坩堝9中的多硅達到其熔化溫度(約1420℃)，且從坩堝的頂部至底部進行熔化。可通過高溫計14監(jiān)測熔化進程。
由于如圖2所示冷卻介質(zhì)循環(huán)流經(jīng)基座11，以冷卻支承架10以及進而冷卻坩堝的底部下側(cè)，因此坩堝的下部(包括底部)的溫度始終低于坩堝上部的溫度。這從圖3所示的梯度變化曲線L1和L2的陡的上升邊看也是顯而易見的。由于如上所述由熱電偶6測得的加熱溫度T1維持在恒定值T20，而且通過坩堝的上部和側(cè)壁的加熱是連續(xù)的，因此由第二熱電偶13測得的底部溫度T2隨同由第一熱電偶測得的加熱溫度T1而升高，雖然較為緩慢。
如圖3所示，當溫度達到硅的熔化溫度時，L2的梯度變得平緩。從時間t1至t2經(jīng)過約2．5小時。由于多硅在時間t2之后的一段時間內(nèi)吸熱熔化，因此由第二熱電偶13測得的底部溫度T2未能升高。因此，根據(jù)從第二熱電偶13的輸出，監(jiān)控底部溫度T2在每單位時間ΔW的變化率ΔTa(℃／min)，并測定ΔTa達到一個預定值(如0．2℃／min)或多個預定值的時間點(時間t3)。時間t3可為例如，時間t2之后4小時。只要步驟a2中測得的經(jīng)過為“NO”，則重復步驟2，同時使加熱溫度T1保持在初始的預定值T20。
然后進行下面的步驟a4，通過控制器7以300℃／小時的溫度梯度降低加熱溫度T1。同時，通過驅(qū)動裝置16以7mm／小時的下降速度降低基座11。較好的是使基座11以1rpm或更慢的速度旋轉(zhuǎn)，以適當控制熔化多硅的溫度。所有以下諸步驟均使坩堝9保持旋轉(zhuǎn)。在步驟a4中，進一步降低加熱溫度T1，當在步驟a5中測得的溫度達到設定溫度T21(如約1440℃)時，進行步驟a6。該時間t4可約為例如，t3之后約0．3小時。如果在步驟a5中的測定結(jié)果為“NO”時，回至步驟a4。
在步驟a6中，繼續(xù)向電熱感應線圈5供給電源，同時通過控制器7進行控制，以使第一熱電偶6測得的加熱溫度T1保持在設定溫度T21。在步驟a7中，根據(jù)高溫計14的輸出的變化，確定固化步驟是否完成。如果尚未完成，則回至步驟a6。由曲線L3可見，從高溫計14輸出的信號水平經(jīng)歷微小波動，這是因為當硅正被熔化時，熱量釋放測自液體。當固化完成時，高溫計14測定來自固體材料的熱量釋放，所以在輸出信號中不再測得出該微小波動。通過這些變化的測定來判斷固化是否完成。
如果在步驟a7中時間t5(如工藝開始后14至17小時)下測得硅冷卻完成，則進行步驟a8，其中以約100℃／小時的溫度梯度進行冷卻操作，以使加熱溫度T1降低至常溫。在步驟a9中，在確認硅完全冷卻之后(約15小時之后)，從密封容器1中取出坩堝9。從坩堝9中取出制得的多硅錠，得到從坩堝的底部至頂部單一方向固化的多晶硅。通常完成步驟a1至a9需要約40小時。
本發(fā)明可通過以下步驟而非常便利地進行，即預先設置設定溫度T20、時間變化率ΔTa以及設定溫度T21為適宜值，這些參數(shù)在步驟a1、a3和a5中提到，將這些參數(shù)輸入計算機中以使在其后每一步驟中根據(jù)這些值是否達到進行判斷，并控制控制器7，以進行加熱爐4中控制溫度和冷卻的步驟。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，通過調(diào)節(jié)制造裝置的基座11中循環(huán)冷卻介質(zhì)的流速，使熱量釋放連續(xù)或周期性變化。已知當冷卻介質(zhì)為水時，熱量釋放可用下面式1表示。
熱量釋放(kW)={冷卻介質(zhì)的流速(1／min)×ΔT(℃)}／14．34…(1)ΔT冷卻介質(zhì)的入口溫度和出口溫度之差為了根據(jù)需要用上述方式連續(xù)或周期性地改變熱量釋放，如圖5所示在半導體原料17的固化步驟中預先設置了冷卻圖案，而冷卻介質(zhì)的流速則連續(xù)地加以改變。另一方面，為了進行周期性變化，將冷卻介質(zhì)的流速調(diào)節(jié)在與大量熱量釋放有關的設定值Q1和與少量熱量釋放有關的設定值Q2之間變化。
按本發(fā)明用于確保晶體生長速率恒定的最簡方法中，在與實際用于半導體生產(chǎn)的條件基本相同的條件下，加熱和熔化坩堝9中的半導體，將高熔點材料(如陶瓷棒)插入已開始固化的熔化半導體材料17中，以該陶瓷棒接觸固-液界面的位置為基準，記錄固-液界面的位置。根據(jù)如此記錄的固-液界面位置隨溫度的變化，測得固化速度。同時，如圖1所示，測定冷卻介質(zhì)的入口溫度T3和出口溫度T4，并分別用第三和第四熱電偶22和23進行記錄。重復該過程直至固化完成。由于ΔT=T4-T3，只要測得冷卻介質(zhì)的流速，就可根據(jù)式1確定熱量釋放和其與固化速度的關系。這樣，根據(jù)可在半導體制造過程中連續(xù)讀出的入口溫度T3和出口溫度T4之間的溫度差ΔT和當時冷卻介質(zhì)的流速就可控制固化速度。
在該實施方案中，根據(jù)冷卻介質(zhì)的入口溫度T3和出口溫度T4之間的溫度差ΔT控制半導體17的固化速度為恒定值。更具體地可以這樣說，通過改變冷卻介質(zhì)(如冷卻水)的量來基本控制熱量釋放。
圖6顯示固化速度隨溫度變化的實例。圖6A示出，固化速率隨保持恒定的熱量釋放而變化。與固化的初始階段不同，在固化的最后階段，固體部分構(gòu)成熱阻，因此固化速度下降。圖6B則顯示，通過改變冷卻水的量，因而隨時間連續(xù)改變熱量釋放，同時監(jiān)測冷卻水的入口溫度T3和出口溫度T4之間的溫度差，從而控制固化速度的結(jié)果。冷卻水的量連續(xù)地從15升／分鐘變至20升／分鐘。由于這些條件取決于坩堝9的尺寸、基座11的結(jié)構(gòu)等等，因此需要對每一批半導體17確定最佳條件。
圖7顯示了晶體生長速度和時間之間的關系。如圖7A所示，構(gòu)成坩堝9中半導體的固體部分17S和硅的熔融部分17L之間的固-液界面18位于離坩堝底部距離L(t)處，它是時間t的函數(shù)。只要坩堝9的底表面處的冷卻條件為常數(shù)，如圖7B所示，生長速度就發(fā)生變化。對于生長速度，可采用下列關系式(2)。生長速度∝固-液界面的熱量釋放∝Si固體的導熱率×(硅的固體部分的底面積／硅的固體部分的長度L)…(2)因此，為了控制生長速度恒定，需要使固-液界面的熱量釋放保持恒定。假設在冷卻單元處的熱量釋放的變化率為ΔH(t)，Si固體的導熱率為σ。這樣需要滿足下列等式(3)。
在該等式中，A為取決于坩堝9的尺寸和冷卻性能的常數(shù)。從等式(3)可得到下列等式(4)。
ΔH(t)=A／(σ×S)×L(t)…(4)只要生長速度L(t)為常數(shù)，則熱量釋放隨時間的變化率ΔH(t)也為常數(shù)。結(jié)果，如圖8所示，熱量釋放H(t)需要以與時間成線性函數(shù)增加。
圖9顯示根據(jù)本實施方案的溫度控制特性，而圖10則是溫度控制的流程圖。在圖9中，從開始進行到t4，與圖3的相應過程基本相似。圖10中的步驟b0至b5和步驟b7至b9也相應地與圖4中的步驟a0至a5和步驟a7至a9相當。根據(jù)該實施方案，在圖9中的t4至t5期間，根據(jù)由經(jīng)驗預先確定的關系式控制熱量釋放H(t)，從而確保固化速度恒定，即晶體生長速度恒定。如圖8所示，該關系式可近似為線性升高的線性函數(shù)。根據(jù)線性函數(shù)進行控制簡化了控制過程。
從固化的一開始，根據(jù)由冷卻介質(zhì)的入口和出口之間的溫度差以及此時冷卻介質(zhì)的流速計算得到的固化速度和熱量釋放之間的經(jīng)驗關系式控制冷卻介質(zhì)的流速，由此使固化速度在整個固化過程中保持恒定。
例如，如圖1所示，根據(jù)事先在控制器24中設定的程序，控制構(gòu)成冷卻介質(zhì)的冷卻水的量。將冷卻水的入口溫度T3和出口溫度T4以及經(jīng)冷卻水測定儀25測得的冷卻水的量輸入控制器24中，而電磁閥26的開啟程度可在監(jiān)測溫度差的同時得以控制。這樣做有一個很大的優(yōu)點就是可自動獲得恒定的固化速度。
可通過改變冷卻介質(zhì)的流速適當加以控制的熱量釋放，也可代之以通過改變冷卻介質(zhì)本身進行控制。為此，冷卻介質(zhì)可由兩種或多種體系構(gòu)成，在各種冷卻體系之間通過開啟或關閉電磁閥使各種冷卻介質(zhì)相互轉(zhuǎn)換。對于上述結(jié)構(gòu)中所用的冷卻介質(zhì)，可選用水、氦氣、二氧化碳等的適宜組合。通過交替地組合使用這些冷卻介質(zhì)，可控制冷卻介質(zhì)的去熱效果。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施方案，圖11和12示出多晶半導體制造裝置的支承架20的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該實施方案的制造裝置具有與第一實施方案的裝置基本相同的部件，但支承架10不相同。本實施方案的制造裝置與第一實施方案的制造裝置的不同之處在于，支承架20具有絕熱片21可插入其中或從中取出的中空結(jié)構(gòu)。支承架20包括表面層20a、空心部分20b和底層20c。表面層20a、底層20c和側(cè)壁20d由石墨形成，同時留出空心部分20b。
根據(jù)該實施方案，當坩堝9的底部通過支承架20的冷卻去熱而進行固化時，熱量通過輻射從空心部分20b釋放出來。因此，插入絕熱片21以阻斷向空心部分20b的輻射，可抑制從坩堝9的底部下側(cè)對其進行冷卻。可用于此目的的絕熱片21最好由選自金、鉑、銀、鎢、碳纖維和鉭中的一種或多種材料形成。盡管如此，也可以使用除上述材料之外的具有高輻射效率和高熔點材料，且具有同樣的效果。絕熱片21可制成單一金屬片，或者制成如圖11和12所示的滑面型且可延伸的多層結(jié)構(gòu)。將這類絕熱片21插入空心部分20b中并延伸，結(jié)果如圖12所示，絕熱片21阻斷了支承架20的表面層20a和底層20c之間的熱輻射。此時熱量釋放達到最少。另一方面，如圖11所示，通過取出絕熱片21或使其縮短，使熱量釋放達到最大。
圖13顯示了本發(fā)明的第三實施方案的溫度控制特性，圖14是溫度控制操作的流程圖。在圖13中，從開始進行到t4，與圖3和圖9的相應過程基本相似。圖14中的步驟c0至c5和步驟c7至c9也相應地與圖4中的步驟a0至a5和步驟a7至a9以及圖10中的步驟b0至b5和步驟b7至b9相當。根據(jù)該實施方案，在圖13中的t4至t5期間，根據(jù)由經(jīng)驗預先確定的關系式控制熱量釋放H(t)，同時進行退火處理。為了退火，控制構(gòu)成冷卻介質(zhì)的冷卻水的量，并且當測得的作為加熱溫度的固-液界面溫度T1，例如達到1422℃時，保持冷卻水流速如其最佳時間長度所保持的那樣。然后，使冷卻水流速恢復至滿足如第一實施方案中所述的確保固化速度恒定條件的水平，在圖14的步驟c6中，材料的退火和固化可通過在一定的時間間隔減少熱量釋放而交替重復持續(xù)預定的時間長度。而與此同時坩堝9則下移進行固化。
圖15是顯示根據(jù)本實施方案，退火和固化交替重復時，固-液界面狀態(tài)的示意圖。構(gòu)成坩堝9中的半導體原料17的硅包括熔融的液體部分17L、液體部分17L下面的固體部分17S和在17S和17L之間形成的固-液界面18。在固化過程中進行控制，使固-液界面18以恒定速度上升。另一方面，在退火過程中，固-液界面18暫時停止移動，在此條件下，聚集在硅的固體部分17S中的內(nèi)應變向上表面釋放。
實施例將硅籽晶(CZ(100)，直徑為5英寸，厚度為10毫米)放置在坩堝(方形柱狀，寬度為55厘米，高度為40厘米)的底部中心處。較好的是使用經(jīng)化學腐蝕(30微米)預處理的硅籽晶。通過腐蝕使晶體表面光滑，更適宜于晶體生長。向該坩堝中加入約140公斤欲熔化的多硅。
根據(jù)本發(fā)明的第三實施方案，進行圖14中的步驟c0至c7，以制造多晶硅錠。在該實施方案中，固-液界面的溫度保持在1421℃，同時在步驟c6中熱量釋放隨固化時間線性增加。步驟c6中固化和退火的時間比約為5。固化過程(步驟c6和c7)需要約20小時。測定制得的多晶硅錠的EPD并評估其質(zhì)量。根據(jù)JIS H0609測定EPD。EPD的測定結(jié)果和太陽能電池工作模式的轉(zhuǎn)換效率列于表1中。為了進行比較，對另外兩種情況也進行了評估，一種是根據(jù)本發(fā)明的第一實施方案，固化速度固定而不進行任何退火處理，另一種是如圖3所示熱量釋放固定而固化速度則變化。
表1制備條件 EPD(×104／cm2)太陽能電池轉(zhuǎn)換效率(％)恒定固化速度+退火0．8 15．0恒定固化速度 2．0 14．5可變固化速度15．0 13．5從表1中可以明顯看出，根據(jù)本實施例制得的多晶硅錠具有較對照例更低的EPD的特征，且制得具有改進EPD的優(yōu)良多晶錠。
本發(fā)明可具體化為其它的形式而不脫離本發(fā)明的精神和基本特征。因此本發(fā)明的實施方案都是說明性的和非限制性的，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書所限定，而不是上文中的說明，所有的在權(quán)利要求書的含義和等效范圍內(nèi)的變化都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種制造多晶半導體的方法，它包括如下步驟在對半導體(17)是惰性的氣氛下將半導體原材料(17)加入坩堝(9)中；在坩堝(9)中用加熱裝置(4，5)加熱并熔化半導體原材料(17)；移除坩堝底部的熱量使已熔化的半導體原材料(17)固化；然后在冷卻坩堝(9)的同時，冷卻固化的半導體(17)，其中熱量的釋放和半導體原材料(17)的固-液界面(18)是移動時的固化速度之間的關系預先被確定，而當熔化的半導體原材料(17)固化時，熱量的釋放隨時間按預定的關系變化以保持固化速度恒定。
2．如權(quán)利要求1所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，恒定速度的固化和退火在固化步驟中交替進行。
3．如權(quán)利要求1所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，根據(jù)移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)在入口和出口之間的溫度變化的檢測值，對熱量釋放的變化進行控制。
4．如權(quán)利要求1所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，控制熱量釋放的變化，使熱量釋放從固化步驟的初始階段到最終階段是提高的。
5．如權(quán)利要求4所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，按線性函數(shù)來控制熱量釋放的提高。
6．如權(quán)利要求1所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)移除坩堝底部熱量的冷卻介質(zhì)的流動速度來控制熱量釋放的變化。
7．如權(quán)利要求1所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，將坩堝(9)的底部放在具有中空結(jié)構(gòu)的支承架(20)上，這樣通過插入中空結(jié)構(gòu)或從中抽出，或移走絕熱片來調(diào)節(jié)從坩堝底部移除的熱量就可以控制熱量釋放的變化。
8．如權(quán)利要求1至7中任一項權(quán)利要求所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，將半導體(17)的籽晶放在坩堝(9)的底部，之后將半導體原材料(17)放入坩堝(9)內(nèi)，這樣固化時多晶體就從籽晶開始生長。
9．如權(quán)利要求1至8中任一項權(quán)利要求所述的制造多晶半導體的方法，其特征在于，半導體原材料(17)是多硅，而多晶半導體是多晶硅。
10．一種制造多晶半導體的裝置，它包含能在其中保持對半導體(17)是惰性的氣氛的密封容器(1)；放在密封容器(1)中的坩堝(9)，在該坩堝中加入半導體原材料(17)；在坩堝(9)底部的上面加熱坩堝(9)以熔化半導體原材料(17)的加熱裝置(4，5)；支承坩堝(9)底部的下面而將坩堝(9)固定于其上的支承架(10，20)；冷卻支承架(10)的冷卻裝置(11a)；驅(qū)動支承架(10，20)以繞著垂直軸旋轉(zhuǎn)并可向上或向下移動的驅(qū)動裝置(16)；和按固化速度與熱量釋放之間的預定關系來控制熱量釋放的控制熱量釋放的裝置(24)，該裝置用以在半導體原材料(17)固化時保持固化速度恒定。
11．如權(quán)利要求10所述的制造多晶半導體的裝置，其特征在于，支承架(20)具有中空結(jié)構(gòu)，在其中可以插入絕熱片或從中抽出絕熱片。
12．如權(quán)利要求10或11所述的制造多晶半導體的裝置，其特征在于，冷卻裝置(11a)通過在其中循環(huán)冷卻介質(zhì)，來冷卻支承架(10，20)，控制熱量釋放的裝置(24)包括用于檢測冷卻裝置的入口和出口之間的溫度變化的溫度變化檢測裝置(22，23)；和根據(jù)溫度變化檢測裝置(22，23)所檢測到的溫度變化，調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的流動速度或絕熱片插入或抽出程度的調(diào)節(jié)裝置(26)。
13．如權(quán)利要求10至12中任一項權(quán)利要求所述的制造多晶半導體的裝置，其特征在于它進一步包括用于檢測經(jīng)加熱裝置(4，5)加熱的坩堝的加熱溫度T1的加熱溫度檢測裝置(6)；用于檢測坩堝(9)底部下面的底部溫度T2的底部溫度檢測裝置(13)；和控制裝置(7)，它響應于加熱溫度檢測裝置(6)和底部溫度檢測裝置(13)的輸出，用來控制加熱裝置(4，5)使加熱溫度T1升高至半導體原材料(17)的熔點或更高的溫度，并控制加熱裝置(4，5)以便當?shù)撞繙囟萒2隨時間變化的速度ΔTa達設定值或更高值時使加熱溫度T1下降。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種制造具有優(yōu)異結(jié)晶學性質(zhì)的高質(zhì)量多晶半導體錠的方法和裝置。將密封容器(1)的內(nèi)部保持在對半導體是惰性的氣氛中。將半導體原材料(17)加入坩堝(9)中,用電熱感應線圈(5)加熱半導體原材料(17),使之熔化。然后移除坩堝底部的熱量,使半導體原材料(17)固化,從而獲得多晶半導體。當熱量釋放按保持半導體原材料(17)的固化速度是恒定的預定關系變化時,半導體晶體在從坩堝的底部指向頂部的一個方向上生長。
文檔編號H01L31/04GK1204704SQ9811591
公開日1999年1月13日 申請日期1998年7月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月2日
發(fā)明者奧野哲啟 申請人:夏普株式會社