用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠的坩堝及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠的坩堝(1)，所述坩堝包括由底板(1a)和周邊側(cè)壁(1b)限定的內(nèi)部體積，所述底板(1a)的頂表面包括限定第一水平平面(H)的平面部分，所述周邊側(cè)壁(1b)各自包括內(nèi)表面，所述內(nèi)表面包括基本上豎直的平面部分，其限定了基本上豎直的平面(V)并且垂直于第一水平平面(H)，所述側(cè)壁(1b)在底板(1a)的周邊通過形成至少1mm的曲率半徑R1而連接底板(1a)，其特征在于，在第一水平平面(H)與由各側(cè)壁(1b)的基本上豎直的平面部分限定的基本上豎直的平面(V)之間形成交會(huì)的相交線(hv)完整地位于側(cè)壁(1b)上、底板(1a)上或坩堝的內(nèi)部體積中。
【專利說明】用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠的坩堝及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體涉及生產(chǎn)用于光伏應(yīng)用的半導(dǎo)體晶體，如硅。特別地，本發(fā)明涉及特定的坩堝，其特別適合于生產(chǎn)單晶或準(zhǔn)單晶半導(dǎo)體錠，用于采用結(jié)晶晶種生產(chǎn)半導(dǎo)體晶片。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如硅的半導(dǎo)體晶片在光伏應(yīng)用中被廣泛用于將光子能量轉(zhuǎn)換成電能。理想情況下，使用單晶半導(dǎo)體，比如單晶硅(MCS)，得到18-19%數(shù)量級(jí)的電轉(zhuǎn)換率。然而，半導(dǎo)體單晶體的生產(chǎn)相當(dāng)緩慢并且費(fèi)用高，通常采用Czochralski拉制工藝。描述于例如US2008/053368.US2011/214603 和 W02011/083529 中的 Czochralski 拉制工藝由拉制和從大量熔融半導(dǎo)體中結(jié)晶出錠的步驟組成。必須嚴(yán)格控制拉制條件以最大限度地減少缺陷的形成，并且特別的是，錠的拉制速率必須非常之低，這將生產(chǎn)成本增加到超出了光伏產(chǎn)業(yè)所能承受的范圍。因此通過Czochralski拉制工藝生產(chǎn)的半導(dǎo)體通常用于電子應(yīng)用，很少用于光伏應(yīng)用。
[0003]例如在US2007/227189中所述，一種便宜得多的半導(dǎo)體晶片類型是多晶的，如多晶硅(PCS)，通常是采用Bridgman生 長(zhǎng)技術(shù)生產(chǎn)的，其中按受控的方式將容納于坩堝中的大量熔融半導(dǎo)體材料冷卻，以從坩堝的底部將材料固化，并使晶體-液體前沿朝著坩堝的頂部向上移動(dòng)。為實(shí)施這種工藝，將坩堝放置在爐中并且用半導(dǎo)體原料進(jìn)行填充。啟動(dòng)爐以熔化原料整體。然后用放置在坩堝下面的散熱器使熱量穿透底部底板而被抽?。煌ǔＩ崞靼ㄔ诠苤辛鲃?dòng)的氣體。通過改變氣體流速有可能控制自原料抽取熱量的速率。在與底板接觸的原料層內(nèi)的溫度達(dá)到結(jié)晶溫度時(shí)，晶體將自底部底板開始生長(zhǎng)，并隨著結(jié)晶前沿的行進(jìn)而向上延伸。與Czochralski拉制工藝生產(chǎn)約IOOkg批料相比,采用Bridgman技術(shù)可生產(chǎn)多達(dá)500kg的批料。當(dāng)通過Bridgman技術(shù)生產(chǎn)的多晶半導(dǎo)體錠的成本為采用Czochralski技術(shù)生產(chǎn)的單晶錠的成本的約三分之一時(shí)，與用單晶晶片獲得的轉(zhuǎn)換率相比，用多晶晶片獲得的約14-16 %的轉(zhuǎn)換率是相當(dāng)?shù)偷摹?br> [0004]近期研究已表明，可采用Bridgman技術(shù)生產(chǎn)單晶或準(zhǔn)單晶半導(dǎo)體錠，方式是通過用單晶晶種鋪蓋坩堝的底板，該單晶晶種為例如通過Czochralski技術(shù)獲得的單晶半導(dǎo)體材料的幾個(gè)毫米到厘米厚的板。這樣的結(jié)果例如在FR2175594、W02010/005705、US2011/0146566和US2010/0003183中給出。與原料接觸的晶種的頂表面應(yīng)隨之一起熔化。必須在晶種的底表面開始熔化前自坩堝的底部抽取熱量，使得可自部分熔化的晶種生長(zhǎng)單晶錠，在結(jié)晶進(jìn)行時(shí)注意保持穩(wěn)定的固化前沿。因此必須非常精確地控制坩堝內(nèi)的溫度特性(temperature profile)。
[0005]用于結(jié)晶錠生長(zhǎng)的坩堝通常是敞開的箱形的，其底板和通常四個(gè)豎直側(cè)壁限定內(nèi)部體積，并且由基于氧化硅的耐火材料制成。這種坩堝的生產(chǎn)和使用條件強(qiáng)制要求不能存在尖銳的邊緣，以免高應(yīng)力集中將在制造期間或者在裝載坩堝并使之經(jīng)歷嚴(yán)峻的熱循環(huán)時(shí)導(dǎo)致裂縫形成并蔓延。出于這個(gè)原因，坩堝的底板通過形成曲率半徑而連接豎直的側(cè)壁。類似地，兩個(gè)相鄰的側(cè)壁也通過形成曲率半徑連接。[0006]采用Bridgman工藝進(jìn)行半導(dǎo)體錠的(準(zhǔn))單晶生長(zhǎng)的限制是，除了自底板生長(zhǎng)的單向晶體Xu外，自i甘禍的側(cè)向壁還生長(zhǎng)出橫向晶體Xt,方向垂直于(transverse to)單晶體的一般生長(zhǎng)方向，如圖5(a)所示。特別地，當(dāng)使用單晶體晶種時(shí)，曲率半徑在底板與側(cè)壁之間相交處的必要存在可防止晶種完全覆蓋底板。因此在坩堝壁與豎直生長(zhǎng)的錠之間必然存在間隙。自側(cè)壁生長(zhǎng)的橫向晶體將主要產(chǎn)生于此間隙中。對(duì)于自底部底板豎直生長(zhǎng)的多晶晶體，類似的情況也將是普遍的。這些橫向晶體的長(zhǎng)度tl可達(dá)到幾個(gè)cm，并且它們侵入相鄰的單向晶體可在其晶格中產(chǎn)生缺陷，必須將其從錠上修整掉并再次熔化，因?yàn)樗鼈儾贿m合用于光伏應(yīng)用，對(duì)工藝的有效性是不利的。
[0007]本發(fā)明提出了通過Bridgman工藝生產(chǎn)(準(zhǔn))單晶半導(dǎo)體錠的解決方案，該工藝中自坩堝的側(cè)向壁生長(zhǎng)的橫向晶體厚度基本上低于此后達(dá)到的厚度。繼續(xù)部分給出本發(fā)明的這個(gè)及其它優(yōu)點(diǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明由所附的獨(dú)立權(quán)利要求限定。從屬權(quán)利要求限定優(yōu)選的實(shí)施方案。特別地，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠的坩堝，所述坩堝包括由底板(Ia)和周邊側(cè)壁限定的內(nèi)部體積，所述底板(Ia)的頂表面包括限定第一水平平面的平面部分，所述周邊側(cè)壁各自包括內(nèi)表面，所述內(nèi)表面包括基本上豎直的平面部分，其限定了基本上豎直的平面(V)并且垂直于第一水平平面，所述側(cè)壁在底板的周邊通過形成至少Imm的曲率半徑Rl而連接底板，其特征在于，在第一水平平面與由各側(cè)壁的基本上豎直的平面部分限定的基本上豎直的平面(V)的延長(zhǎng)部分之間形成交會(huì)的相交線完整地位于側(cè)壁上、底板上或坩堝的內(nèi)部體積中。
[0009]在優(yōu)選的實(shí)施方案中，沿底板與側(cè)壁之間的接合處的半徑Rl是由沿底板的周邊延伸并且形成在底板和/或側(cè)壁上的寬度為L(zhǎng)I且深度為dl的溝槽所限定的。溝槽半徑Rl優(yōu)選介于5mm與25mm之間，更優(yōu)選介于IOmm與17mm之間，最優(yōu)選介于12mm與15mm之間。溝槽寬度LI優(yōu)選介于5mm與30mm之間，更優(yōu)選介于IOmm與20mm之間，最優(yōu)選介于12mm與17mm之間。溝槽深度dl優(yōu)選介于Imm與8mm之間，更優(yōu)選介于2mm與6mm之間，最優(yōu)選介于3mm與5mm之間。
[0010]在一個(gè)實(shí)施方案中，底板溝槽設(shè)置在底板上，沿底板的周邊延伸，并且優(yōu)選以曲率半徑R2連接底板的與所述水平平面共面的部分。在替代實(shí)施方案中，一些或所有側(cè)壁(Ib)包括側(cè)部溝槽，其沿底板的周邊延伸，并且以曲率半徑R3連接各側(cè)壁的與所述豎直平面共面的部分。還在第三實(shí)施方案中，坩堝包括這種底板溝槽和側(cè)部溝槽兩者。
[0011]如上面所討論的那樣，這種坩堝的兩個(gè)相鄰側(cè)壁通常形成具有5至25mm量級(jí)的半徑R4的拐角，以防止應(yīng)力集中在那里。為便于用矩形的結(jié)晶晶種鋪蓋基本上底板的整個(gè)面積，有利的是形成在兩個(gè)相鄰側(cè)壁之間的拐角處的半徑R4由拐角溝槽限定，所述拐角溝槽形成在一個(gè)或兩個(gè)相鄰的側(cè)壁上，沿所述兩個(gè)相鄰壁之間的拐角自底板向上延伸。為簡(jiǎn)化這種坩堝的制造，優(yōu)選拐角溝槽自底板延伸到側(cè)壁的頂部。在側(cè)壁上延伸的拐角溝槽可以同上文所述的關(guān)于繞底板的周邊延伸的底板溝槽或側(cè)部溝槽為相同的類型。
[0012]坩堝的底板和壁可涂有涂料。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，底板包括沿底板的周邊延伸的底板溝槽，所述底板溝槽填充有填充材料，使得填充材料與所述水平平面齊平?？赏ㄟ^使用選自以下組的材料來獲得填充材料:氮化硅(Si3N4)、塞隆(sialon)、氮氧化硅、熔融石英或熔融二氧化硅、合成二氧化硅、硅金屬、石墨、氧化鋁、天然或合成的基于CaO、Si02、A1203、MgO、Zr02的陶瓷材料或它們的前體(例如硅氧烷、硅氮烷等)，形式為:
[0013]-密度優(yōu)選介于0.3g/cm3與1.6g/cm3之間、更優(yōu)選介于0.8g/cm3與1.3g/cm3之間的低密度層，比如泡沫，或者
[0014]-顆粒，如纖維、中空殼體、納米顆粒、中間相球形顆粒以及它們的混合物，前述材料中的每一種具有的Fe含量?jī)?yōu)選不到20ppm,更優(yōu)選不到5ppm,最優(yōu)選不到lppm。如果底板涂有涂料，則涂料可以與填充底板溝槽的填充材料相同。
[0015]為了生長(zhǎng)(準(zhǔn))單晶錠，優(yōu)選用至少一個(gè)結(jié)晶晶種鋪蓋底板。實(shí)際上優(yōu)選的是，用不止一個(gè)結(jié)晶晶種鋪蓋底板的基本上整個(gè)面積。根據(jù)本發(fā)明的坩堝的優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)晶晶種可通過在底板溝槽的一部分之上延伸或者通過部分地接合在側(cè)部溝槽中而一直延伸到基本上每個(gè)側(cè)壁。再次地，優(yōu)選的是用填充材料填充底板溝槽，以便在結(jié)晶步驟期間跨越坩堝底板的整個(gè)面積(包括溝槽面積)產(chǎn)生基本上均勻的熱流。
[0016]本發(fā)明還涉及如上限定的坩堝用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠(優(yōu)選準(zhǔn)單晶錠)的用途?？赏ㄟ^以下方式生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體晶片:
[0017]-提供如上文所述及的坩堝； [0018]-通過Bridgman技術(shù)在所述i甘禍中形成結(jié)晶半導(dǎo)體錠；
[0019]-自所述坩堝中取出所述錠并修整掉任何缺陷層；并
[0020]-切開如此修整的錠以形成半導(dǎo)體晶片。
[0021]半導(dǎo)體材料優(yōu)選為硅。然后可以自如此產(chǎn)生的錠中獲取結(jié)晶晶片，并且可進(jìn)一步加工這種結(jié)晶晶片以形成光伏電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]附圖中示出本發(fā)明的各種實(shí)施方案:
[0023]圖1:示意性地顯示用現(xiàn)有技術(shù)的坩堝(a)和根據(jù)本發(fā)明的坩堝(b)使用結(jié)晶晶種由熔融原料進(jìn)行的結(jié)晶生長(zhǎng)。
[0024]圖2:示意性地顯示現(xiàn)有技術(shù)的坩堝(a)和本發(fā)明各種實(shí)施方案(b)-(e)的坩堝的底板與側(cè)壁之間的接合處的側(cè)切圖。
[0025]圖3:示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的坩堝的切斷透視圖。
[0026]圖4:示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的坩堝的兩個(gè)實(shí)施方案的俯視圖。
[0027]圖5:示意性地顯示從現(xiàn)有技術(shù)的坩堝(a)和根據(jù)本發(fā)明的坩堝(b)的側(cè)壁上生長(zhǎng)出來的橫向晶體的厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0028]比較圖1(a)中所示的傳統(tǒng)坩堝與根據(jù)本發(fā)明的坩堝(其一個(gè)例子示于圖1(b))可以看到，根據(jù)本發(fā)明的坩堝(I)非常類似于在采用Bridgman技術(shù)生長(zhǎng)例如硅的(準(zhǔn))單晶錠領(lǐng)域中所使用的坩堝。其包括由諸如石英或熔融二氧化硅的基于氧化硅的耐火材料制成的底部底板(Ia)和側(cè)壁(lb)。其可具有圓形底,但其通常具有方形或矩形底。底板和側(cè)壁可包括如本領(lǐng)域中通常使用的涂層，例如氮化硅的幾個(gè)微米厚的層?？捎媒Y(jié)晶晶種(3)鋪蓋坩堝的底板(Ia)，優(yōu)選覆蓋所述底板的基本上整個(gè)面積。在這兩種類型的坩堝中，底板(Ia)通過形成曲率半徑Rl而連接側(cè)壁，以防止在拐角和邊緣處形成應(yīng)力集中。根據(jù)本發(fā)明的坩堝本身與現(xiàn)有技術(shù)坩堝的區(qū)別之處在于底板(Ia)與每個(gè)側(cè)壁(Ib)之間的接合處的幾何形狀。接合處的幾何形狀使得在第一水平平面(H)與各側(cè)壁(Ib)的豎直部分的延長(zhǎng)部分(V)之間形成交會(huì)的各相交線(hv)的主要部分位于側(cè)壁(Ib)上、底板(Ia)上或坩堝的內(nèi)部體積中。水平平面(H)由底板(Ia)的頂表面的平面部分所限定。
[0029]這種幾何形狀具有的優(yōu)點(diǎn)是，用于生長(zhǎng)(準(zhǔn))單晶錠的結(jié)晶晶種可覆蓋底板(Ia)的基本上整個(gè)面積，通過比較圖1(a)和5(a)中的現(xiàn)有技術(shù)坩堝與圖1(b)和5 (b)中根據(jù)本發(fā)明的坩堝可以很好地看到這一點(diǎn)。在傳統(tǒng)的坩堝中(參見圖1(a)和5(a))，結(jié)晶晶種(其必須水平地放在底板上以確保與坩堝的底板(Ia)有良好的熱接觸)可只覆蓋底板的水平部分，并且必須在半徑R開始前中止。事實(shí)上，在傳統(tǒng)的坩堝中，底板在與側(cè)壁的接合處開始上升以形成曲率半徑R。因此晶種必須與側(cè)壁(Ib)分開達(dá)至少R的距離(R量級(jí)通常為5至20mm)。另一方面，在根據(jù)本發(fā)明的坩堝中，結(jié)晶晶種(3)可一直就延伸到側(cè)壁，如在圖1(b)和5(b)中可以看到的那樣。這種明顯的小差異對(duì)(準(zhǔn))單晶錠的生產(chǎn)效力有顯著影響。如圖5(a)中示意性地示出的那樣，隨著熱量通過底部底板疏散，單向晶體Xu將自晶種(3)的熔融表面開始向上生長(zhǎng)，但橫向晶體Xt也將自側(cè)壁(Ib)開始側(cè)向生長(zhǎng)?？刂仆七M(jìn)的熱前沿，以便其具有平的或優(yōu)選凸的形狀(參見圖1(a)和(b))，這樣可促進(jìn)豎直晶體Xu的生長(zhǎng)，對(duì)側(cè)向晶體Xt則是不利的，但后者仍可生長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)厘米的距離tl，并在一段距離上破壞了錠中的單向晶體晶格。由此可知，在由錠切出晶片之前，必須將錠的每個(gè)側(cè)面修整達(dá)幾個(gè)厘米，這表示對(duì)工藝的效力有嚴(yán)重的限制。
[0030] 如果水平平面(H)和各側(cè)壁(Ib)內(nèi)表面的豎直部分的延長(zhǎng)部分(V)相互截止(hv)于坩堝(I)的內(nèi)部體積內(nèi)或者底板或相應(yīng)的側(cè)壁上，則晶種(3)可覆蓋基本上底板(Ia)的整個(gè)面積，相當(dāng)接近側(cè)壁(Ib)，即使不與之發(fā)生接觸，如圖5(b)中所示。在這些條件下已觀察到，側(cè)向晶體Xt的尺寸t2顯著小于用現(xiàn)有技術(shù)的坩堝獲得的晶體尺寸tl (比較圖5(a)和(b))。側(cè)向晶體Xt的尺寸減小表示經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的工藝，因?yàn)闉榱擞糜谏a(chǎn)光伏品質(zhì)晶片而必須對(duì)錠進(jìn)行修整的厚度受控于側(cè)向晶體Xt中的最大者，所以相應(yīng)地減少了高價(jià)值刮料的量。此外，與小尺寸橫向晶體相比，較大尺寸的橫向晶體將在較大的深度上破壞單向晶體的晶格。顯而易見的是可以將刮料重新用作原料并再次熔化，但這一過程是相當(dāng)耗能的。
[0031]介于由底板(Ia)頂表面的平面部分限定的水平平面⑶與各側(cè)壁(Ib)的內(nèi)表面的豎直部分(V)的延長(zhǎng)部分之間的截線(hv)可通過沿底板(Ia)與側(cè)壁(Ib)之間的接合處由溝槽(8a，Sb)限定半徑Rl而被包括在坩堝(I)的內(nèi)部體積內(nèi)或者底板或相應(yīng)的側(cè)壁上，所述溝槽寬度為L(zhǎng)I (Lla, Llb)，深度為dl (dla, dlb)，沿底板(Ia)的周邊延伸，并且形成在底板(Ia)上和/或側(cè)壁(Ib)上。這種溝槽的不同實(shí)施方案示于圖2(b)_(e)，相對(duì)比的是圖2(a)中的傳統(tǒng)i甘禍。溝槽半徑Rl的典型值介于5mm與25mm之間，優(yōu)選介于IOmm與17mm之間，更優(yōu)選介于12mm與15mm之間。溝槽可具有介于5mm與30mm之間、優(yōu)選介于IOmm與20mm之間、更優(yōu)選介于12mm與17mm之間的寬度LI。典型的溝槽深度dl介于Imm與8mm之間，更優(yōu)選介于2mm與6mm之間，最優(yōu)選介于3mm與5mm之間。
[0032]如圖2(c)和(d)中所示，底板(Ia)可包括沿底板的周邊延伸的底板溝槽(8a)。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，底板溝槽(8a)以曲率半徑R2連接底板(Ia)的與水平平面(H)共面的部分。在圖2(b)所示的替代實(shí)施方案中，所有的側(cè)壁(Ib)包括沿底板(Ia)的周邊延伸的側(cè)部溝槽(Sb)。如同底板溝槽(8a)，各側(cè)部溝槽(Sb)可以曲率半徑R3連接各側(cè)壁(Ib)的與豎直平面(V)共面的部分。最后，底板(Ia)和各側(cè)壁(Ib)均可分別設(shè)有沿底板(Ia)的周邊延伸的底板溝槽(8a)和側(cè)部溝槽(8b)，如圖2(e)中所示。
[0033]由于兩個(gè)相鄰側(cè)壁之間的拐角通常形成半徑R4，如圖4(a)的頂視圖所示，因此覆蓋包括這種拐角的底板部分的方形或矩形結(jié)晶晶種應(yīng)該與側(cè)壁分開達(dá)至少R4的距離?？梢酝ㄟ^將覆蓋底板的拐角部分的晶種拐角切削為具有匹配半徑R4來解決這個(gè)問題，從而使這種拐角晶種可鋪蓋整個(gè)拐角面積。替代的解決方案示于圖4(b)，其中坩堝的側(cè)壁(Ib)可設(shè)有類似于上文所述及的底板溝槽(8a)和/或側(cè)部溝槽(Sb)、但沿兩個(gè)相鄰側(cè)壁(Ib)之間的交會(huì)自底板向上延伸的溝槽。為易于加工，優(yōu)選的是這種溝槽自底板延伸到側(cè)壁的頂部，但這不是強(qiáng)制性的，只要它們一直延伸到超過結(jié)晶晶種厚度的高度即可。
[0034]眾所周知的是，坩堝的底板和側(cè)壁可涂有涂料層(例如氮化硅)以減少坩堝材料與高反應(yīng)性熔融原料之間的相互作用。為了控制推進(jìn)的結(jié)晶前沿(參見圖1)的形狀和速度，重要的是以受控和均勻的方式通過底板(Ia)抽取熱量。由于空氣是良好的隔熱體，因此自結(jié)晶晶種(3)穿過底板(Ia)的熱流在底板的平面部分中將具有較高的速率，與其中氣穴將晶種下表面與底板頂表面分開(參見圖5(b))的溝槽上方相比，在此處可確保與晶種(3)有良好的熱接觸。出于這個(gè)原因，可有利的是用填充材料填充底板溝槽(8a)，以便均化在底板的整個(gè)面積之上自結(jié)晶晶種穿過底板的熱流。填充材料應(yīng)該與底板的平面部分齊平，以確保在底板的整個(gè)面積之上與結(jié)晶晶種有良好和均勻的熱接觸。填充材料或其前體可以為以下材料中的一種或多種:氮化硅(Si3N4)、塞隆(sialon)、氧氮化硅、硅氧烷、硅氮烷、熔融石英或熔融二氧化硅、合成二氧化硅、硅金屬、石墨、氧化鋁、天然或合成的基于Ca0、Si02、A1203、M g0、Zr02 的陶瓷材料，形式為:
[0035]-密度優(yōu)選介于0.3g/cm3與1.6g/cm3之間、更優(yōu)選介于0.8g/cm3與1.3g/cm3之間的低密度層，比如泡沫，或者
[0036]-顆粒，如纖維、中空殼體、納米顆粒、中間相球形顆粒以及它們的混合物，前述材料中的每一種具有的Fe含量?jī)?yōu)選不到20ppm,更優(yōu)選不到5ppm,最優(yōu)選不到lppm。如果底板或側(cè)壁涂有涂料，則優(yōu)選填充材料與涂料是相同或類似的。
[0037]本發(fā)明坩堝與結(jié)晶晶種(3) —起使用是有利的。結(jié)晶晶種(3)是厚度約5至25mm、優(yōu)選8至15_、更優(yōu)選10至12_的結(jié)晶板。按成本來說，較薄的晶種是有利的，特別是如果其是單晶的話，并且按熱抽取速率來講亦如此。然而更成問題的是隨著晶種厚度的減小，要控制晶種的上表面而不是底部熔融。因此對(duì)于給定的應(yīng)用，結(jié)晶晶種的最佳厚度取決于操作者的技能和所使用的設(shè)備。這種結(jié)晶晶種優(yōu)選為單晶半導(dǎo)體，用于生長(zhǎng)(準(zhǔn))單晶半導(dǎo)體錠。當(dāng)結(jié)晶晶種(3)或優(yōu)選并置的若干這種結(jié)晶晶種(3)鋪蓋坩堝底板(Ia)的基本上整個(gè)面積、基本上與側(cè)壁接觸或非常接近側(cè)壁時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的坩堝是最有利的。在底板溝槽(8a)設(shè)置在底板上的情況下(參見圖2(c)和(d))，結(jié)晶晶種(3)可通過在底板溝槽(Sa)之上延伸而到達(dá)側(cè)壁(參見圖5(b))。在側(cè)部溝槽(Sb)設(shè)置在側(cè)壁上的情況下，結(jié)晶晶種可一直延伸到乃至超出由所述側(cè)壁的平面部分限定的豎直平面(V)(條件是結(jié)晶晶種比所述側(cè)部溝槽(8b)的長(zhǎng)度(Llb)薄)。如圖5中所示，這可允許在熔融原料(5a)結(jié)晶(5b)時(shí)顯著減小自側(cè)壁(Ib)生長(zhǎng)的橫向晶體)(t的尺寸t2。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的坩堝適于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠。因?yàn)樗试S底板面積的較大部分被結(jié)晶晶種(3)覆蓋，其特別適于生產(chǎn)(準(zhǔn))單晶錠。特別地，其可用于生產(chǎn)硅錠。
[0039]因此可以有利地采用以下步驟生產(chǎn)(準(zhǔn))單晶錠。
[0040](a)提供如上文所述及的坩堝并將至少一個(gè)結(jié)晶晶種(3)放在底板(Ia)上面(參見圖1(b));非常優(yōu)選的是基本上坩堝底板(Ia)的整個(gè)面積被至少兩個(gè)并置的結(jié)晶晶種鋪蓋，它們的頂表面優(yōu)選基本上相互平行且更優(yōu)選是共面的，并且覆蓋基本上底板的整個(gè)面積，接近或倚靠側(cè)壁(Ib)；
[0041](b)用大量半導(dǎo)體材料原料填充坩堝；
[0042](c)控制坩堝中的溫度以確保原料是完全熔融的(5a)，并且至少一個(gè)結(jié)晶晶種的僅頂表面也是熔融的；專門為Bridgman工藝設(shè)計(jì)并設(shè)有散熱器和精確的溫度控制系統(tǒng)的熔爐是市售的；
[0043](d)通過坩堝的底板抽取熱量以防止至少一個(gè)結(jié)晶晶種的底表面熔化并引發(fā)原料的定向結(jié)晶(5b)(參見圖1(b))。
[0044]然后可以從坩堝中取出如此結(jié)晶的錠。假使錠底側(cè)向延伸進(jìn)側(cè)部溝槽(Sb)中，則不得不要將坩堝打破，但這不是缺點(diǎn)，因?yàn)檫@種坩堝僅在很少的情況下是可重復(fù)使用的。必須將缺陷層從錠的側(cè)部上修整掉。這種缺陷層的厚度對(duì)應(yīng)于橫向晶體Xt的長(zhǎng)度和其晶格被侵入的橫向結(jié)晶破壞的單向晶體Xu的區(qū)域。由于本發(fā)明的原創(chuàng)設(shè)計(jì)，僅用根據(jù)本發(fā)明的坩堝，這種破壞性層的厚度從傳統(tǒng)坩堝所經(jīng)歷的若干厘米減少到幾個(gè)毫米至幾厘米。如此修整好的錠可供用于切成薄片以生產(chǎn)晶片。采用硅的情況下，這種晶片適合用作光伏電池。
[0045]通過提供限定坩堝的內(nèi)部體積的凹腔模和凸柱塞，可以如傳統(tǒng)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)坩堝所進(jìn)行的那樣生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的坩堝。當(dāng)被引入到凹腔里時(shí)，凸柱塞留下了對(duì)應(yīng)于坩堝的所需厚度的空間。將通?；谘趸?如熔融二氧化硅)的耐火材料片倒入工具的凹件與凸件之間的空間里。加熱工具和耐火材料，然后燒結(jié)以定型耐火材料。然后抽出柱塞并從凹腔中取出坩堝。在僅包括底 板溝槽(8a)的坩堝的情況下，可毫無困難地抽出柱塞。假使坩堝包括側(cè)部溝槽(8b)，抽出柱塞需要采取特定的措施。例如，柱塞的形成側(cè)部溝槽的部分可以由燒結(jié)時(shí)降解的材料制成。按這種方式，可如本領(lǐng)域中熟知的那樣抽出燒結(jié)后剩下的柱塞的柱狀部分。在另一實(shí)施方案中，凸柱塞可以是由共同限定坩堝的內(nèi)部體積的中心柱狀部件和周邊部件構(gòu)成的組件。在脫模時(shí)，可以拆卸組裝的柱塞并可首先抽出中心柱狀部件?？梢韵葘⒚總€(gè)周邊部件移向底板的中心，然后將其豎直地抽出坩堝。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠的坩堝(I)，所述坩堝包括由底板(Ia)和周邊側(cè)壁(Ib)限定的內(nèi)部體積，所述底板(Ia)的頂表面包括限定第一水平平面(H)的平面部分，所述周邊側(cè)壁(Ib)各自包括內(nèi)表面，所述內(nèi)表面包括基本上豎直的平面部分，其限定了基本上豎直的平面(V)并且垂直于所述第一水平平面(H)，所述側(cè)壁(Ib)通過在所述底板(Ia)的周邊形成至少1_的曲率半徑Rl而連接所述底板(Ia)，其特征在于，在所述第一水平平面(H)與由各側(cè)壁(Ib)的所述基本上豎直的平面部分限定的所述基本上豎直的平面(V)之間形成交會(huì)的相交線(hv)完整地位于所述側(cè)壁(Ib)上、所述底板(Ia)上或所述坩堝的內(nèi)部體積中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的坩堝，其中沿底板(Ia)與側(cè)壁(Ib)之間的接合處的半徑Rl是由沿所述底板(Ia)的周邊延伸并且形成在所述底板(Ia)和/或所述側(cè)壁(Ib)上的寬度為L(zhǎng)l(Lla，Llb)且深度為dl (dla，dlb)的溝槽所限定的， 并且其中所述溝槽半徑Rl優(yōu)選介于5mm與25mm之間，所述溝槽寬度LI優(yōu)選介于5mm與30mm之間，和/或所述溝槽深度dl優(yōu)選介于Imm與8mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的坩堝，其中所述底板(Ia)包括底板溝槽(8a)，其沿底板(Ia)的周邊延伸，并 且優(yōu)選以曲率半徑R2連接所述底板(Ia)的與所述水平平面(H)共面的部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的坩堝，其中所有的側(cè)壁(Ib)包括側(cè)部溝槽(Sb)，其沿所述底板(Ia)的周邊延伸，并且以曲率半徑R3連接各側(cè)壁(Ib)的與所述豎直平面(V)共面的部分。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的坩堝，其中兩個(gè)相鄰側(cè)壁(Ib)形成具有由拐角溝槽限定的半徑R4的拐角，所述拐角溝槽形成在相鄰側(cè)壁(Ib)之一或二者上，自所述底板沿所述兩個(gè)相鄰壁之間的所述拐角向上延伸，所述拐角溝槽優(yōu)選地自所述底板延伸到所述側(cè)壁(Ib)的頂部。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的坩堝，其中所述底板(Ia)和/或所述側(cè)壁(Ib)涂有涂料。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的坩堝，其中所述底板(Ia)包括沿所述底板(Ia)的周邊延伸的底板溝槽(8a)，所述底板溝槽(8a)填充有填充材料，使得所述填充材料與所述水平平面(H)齊平，其中所述填充材料優(yōu)選選自氮化硅(Si3N4)、塞隆、氮氧化硅、熔融石英或熔融二氧化硅、合成二氧化硅、硅金屬、石墨、氧化鋁、天然或合成的基于CaO、Si02、A1203、Mg0、Zr02的陶瓷材料的組，形式為: -密度優(yōu)選介于0.3g/cm3與1.6g/cm3之間、更優(yōu)選介于0.8g/cm3與1.3g/cm3之間的低密度層，比如泡沫，或者 -顆粒，如纖維、中空殼體、納米顆粒、中間相球形顆粒以及它們的混合物，前述材料中的每一種具有的Fe含量?jī)?yōu)選不到20ppm,更優(yōu)選不到5ppm,最優(yōu)選不到lppm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6和7所述的坩堝，其中所述底板(Ia)涂有與填充所述底板溝槽(8a)的填充材料相同的涂料。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的坩堝，其中用至少一個(gè)結(jié)晶晶種(3)鋪蓋所述底板(Ia)，優(yōu)選用不止一個(gè)結(jié)晶晶種(3)鋪蓋所述底板(Ia)的基本上整個(gè)面積。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的坩堝，其中所述結(jié)晶晶種(3)在所述底板溝槽(8a)的一部分之上延伸。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的坩堝的用途，用于生產(chǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體錠、優(yōu)選硅錠、更優(yōu)選準(zhǔn)單晶硅錠。
12.用于制造結(jié)晶半導(dǎo)體晶片的方法，包括以下步驟: (a)提供根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的坩堝； (b)通過Bridgman技術(shù)在所述坩堝中形成結(jié)晶半導(dǎo)體錠，其中所述半導(dǎo)體優(yōu)選為硅； (c)自所述坩堝中取出所述錠并修整掉任何缺陷層；并 (d)切開如此修整的錠以形成半導(dǎo)體晶片。
【文檔編號(hào)】C30B11/14GK103987881SQ201280060933
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月12日
【發(fā)明者】吉爾伯特·蘭庫勒, 克里斯蒂安·馬丁, 勞倫·杜布瓦 申請(qǐng)人:維蘇威法國(guó)股份有限公司