[发明专利]晶体

说明书

本申请是国际申请日为2008年6月4日、国际申请号为PCT/EP2008/004050、国家申请号为200880025102.1、发明名称为“用于由原材料的熔体制造晶体的装置和方法以及单晶体”的原申请的分案。

技术领域

本发明涉及一种装置用以制造结晶的材料，特别是大尺寸的结晶材料。本发明还特别涉及按照VB方法（垂直布里奇曼法）或VGF方法（垂直梯度凝固法）制造半导体。本发明还涉及一种晶体。

背景技术

晶体制造时的经济性基本上由生产能力亦即材料通过结晶炉的单位时间的晶化质量和通过为此需要的能量消耗决定。将许多单晶的或多晶的材料由熔体在温度场内定向地凝固。这样的方法被称为梯度凝固（定向凝固）法或布里奇曼法，也参见Wilke,K.-Th.and J.in:"Kristallzüchtung",Ed.K.-Th.Wilke.,1.Auflage ed.VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften,1973,1-922（Wilke,K.–Th.和J.Bohm的“晶体培植”，K.-Th.Wilke编辑，第一版，VEB德国科学出版社出版，1973年，1-922）。

对于待制造的晶体的许多材料特性例如杂质掺入、结构完整性或弹性的张力来说特别重要的是，结晶前沿在坩埚中在凝固过程中没有或只有微小的弯曲。为了避免相界的弯曲，在垂直于凝固方向的方向的全部点中必须均匀地保持以下轴向热流条件：

V=(q_熔体-q_晶体)/Δh_潜ρ_晶体

其中V表示轴向晶化速度，q表示在结晶前沿上分别在熔体和晶体中的轴向热流，Δh_潜表示相变的单位潜热，ρ_晶体表示凝固的材料的密度。作为 导热性λ和温度梯度度grad(T)的乘积算出晶体中的热流。当x是沿凝固方向的轴向坐标时近似地也可确定ΔT/Δx。利用在熔体中微不足道的热流的近似值q_熔体=0，对于生长速度得出上限：

V≤(λ/Δh_潜ρ_晶体)·grad(T)

不过温度梯度对于许多材料由于出现的热弹性应力不可能选择任意大的。特别对于变得较长的晶体则需要较小的生长速度。在这种情况下晶体的热阻随着进展的晶化总是变得较大的并且可排出的潜功率亦即单位时间的潜热减小。这又再次限制用于长的晶体的生长速度。

由于特别是在结晶炉中材料生产能力的经济上的原因因此不大合理的是，在确定的依赖于材料的极限上增大晶体长度。相反可以通过加大面积提高材料生产能力，在该面积上材料同时晶化。同时潜功率比例于晶化面积变得较大，但也与面积成比例地提高相界的散热。

常常为了将结晶的材料进一步加工成电子构件或集成电路、太阳能电池、光学构件等也只需要确定的标准化的材料尺寸。在坩埚中晶化面积的任意的增大因此由于缺少的相应的需求无疑不再考虑。

已知不晶化较大的材料块，而制造分别相互平行的多个形状适合的薄的晶体。这样的布里奇曼类方法对于光学材料如稀土的氟化物按照US3796522A或对于闪光器晶体如氟化钡按照EP0130865A1是已知的。但在这里不存在晶体的直径对相应的长度的比例。

对于与此相比较大的晶体，其应在微电子的、光电的或光学的应用中获得位置，至今未达到相应的解法。大的挑战亦即在于，在晶化的任一时刻应将温度场构成，使重要的特性例如电阻、载流子活动性、点空穴浓度、结构完整性、弹性的应力、光学折射率、反射率等关于晶体横向的同质性符合相应的应用的制造者的预定目标。

对于半导体晶体，其在进一步的制造过程中加工成半导体晶片，径向的同质性对构件工艺化起着特别重要的作用。这样诸参数如电阻率、载流子活动性、杂质或异物浓度或残余应力应该特别均匀分布在晶片上。

关于单晶的材料其他提高的要求在于，应考虑精确的晶体定向。通常在这里预置晶种。其确定待生长的晶体的晶体方向。由于材料经济性 的原因经常不考虑通过自发的晶种生成和后继的晶种选择来产生单晶体的方法。

在晶种上的发芽的困难在于，应将温度场构成使熔化的材料接触晶种并接着将晶种稍微退回熔化。对于布里奇曼法或梯度凝固法通常的是，将热源和散热器的布置选择成使得可以产生符合要求的温度场。在逐渐增大的结构时现在变得附加必要的是，设置所谓具有相应的热特性的内衬，而使温度场也可以向较大的区域那边形成，如例如在公开本文EP1147248和US6712904中描述的。