用于生產(chǎn)硅錠的設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了用于生產(chǎn)硅錠的設(shè)備和方法，如硅錠的無坩堝生產(chǎn)的設(shè)備和方法，其中，具有籽晶層和液體層的支撐件在具有垂直梯度的溫度場中逐漸下降，從而以受控的方式凝固液體層。
【專利說明】
用于生產(chǎn)硅錠的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開涉及一種用于生產(chǎn)錠的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]用于晶體(諸如由硅制成的晶體)的塊材生長的技術(shù)包括例如浮法區(qū)(FZ)法、直拉法(CZ)和多晶硅(MC)生長法。在這些常規(guī)方法中的每種中，生長預(yù)定形狀的錠(諸如具有正方形的錠)以及監(jiān)測和控制晶體生長界面存在挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供本概述以引入在下面的詳細(xì)描述中進(jìn)一步所描述的構(gòu)思的選擇。本概述并不旨在確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或必要特征，也不旨在用作限制所要求保護(hù)的主題的范圍的幫助。
[0007]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)錠的設(shè)備，該設(shè)備包括:室，其用于提供可控的氣氛，其中該室具有在縱向方向上彼此隔開的頂部和底部;可旋轉(zhuǎn)支撐件，其用于支承籽晶層，其中可旋轉(zhuǎn)支撐件相對(duì)于室可在縱向方向上移動(dòng)，至少一個(gè)裝置，其用于控制在所述室中的給定生長體積(Vcr)中的溫度場，其中，所述溫度場在縱向方向上具有溫度梯度，以及饋送裝置，其用于將材料可控地饋送到籽晶層上。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)錠的方法，所述方法包括:提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括:室，其用于提供可控的氣氛，至少一個(gè)裝置，其用于控制在室內(nèi)的給定生長體積(Vcr)中具有在縱向方向上的溫度梯度的溫度場，可旋轉(zhuǎn)支撐件，其用于籽晶層，所述可旋轉(zhuǎn)支撐件可在室內(nèi)在縱向方向上移動(dòng)，和可控饋送裝置，其用于提供原料;提供籽晶層在可旋轉(zhuǎn)支撐件上，其中所述籽晶層具有預(yù)定的橫截面面積;移動(dòng)所述可移動(dòng)支撐件，使得籽晶層位于生長體積(Vcr)內(nèi)的預(yù)定位置上;在生長體積(Vcr)內(nèi)產(chǎn)生具有預(yù)定的垂直溫度梯度的溫度場;提供熔化的硅的初始層以基本上覆蓋所述籽晶層;在凝固液體原料層時(shí)旋轉(zhuǎn)并下降可旋轉(zhuǎn)支撐件，以形成具有橫截面面積的錠;并加入更多的來自饋送裝置的液體原料。
【附圖說明】
[0009]在下面的描述和附圖中說明可以獲得本發(fā)明的目的和其它合乎期望的性質(zhì)的方式，其中:
[0010]圖1是本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)施方式的剖視圖的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]在以下的描述中，闡述了許多細(xì)節(jié)以提供對(duì)本公開內(nèi)容的理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的方法可以在沒有這些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施，并且所描述的實(shí)施方式的許多變化或修改會(huì)是可行的。
[0013]首先，應(yīng)當(dāng)注意的是，在任何這種實(shí)際的實(shí)施方式的開發(fā)中，可以做出許多特定于實(shí)施方式的決定，以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，諸如符合與系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的約束，這將一種實(shí)施方案改變成另一種。此外，應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于具備本公開的益處的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員，這樣的開發(fā)努力可能是復(fù)雜且耗時(shí)的，但是仍然可以是例行任務(wù)。此外，本發(fā)明所使用的/公開的組合物還可以包括那些引用的部件之外的一些部件。在概述和詳細(xì)描述中，每個(gè)數(shù)值應(yīng)該被一次理解為由術(shù)語“約”修飾(除非已經(jīng)明確地如此修飾的)，然后再次理解為不那么修飾，除非在上下文中另有指示。術(shù)語約應(yīng)理解為所列舉的量或范圍的10%內(nèi)的任何數(shù)量或范圍(例如，從約I至約1的范圍包括從0.9至11的范圍)。此外，在概述和詳細(xì)描述中，應(yīng)該理解的是，列出的或描述為有用的、合適的或類似的范圍旨在至少因?yàn)樵摲秶鷥?nèi)的包括端點(diǎn)的每一個(gè)點(diǎn)將被認(rèn)為是已經(jīng)被闡明的而包括對(duì)該范圍內(nèi)任何可以想象的子范圍的支持。例如，“從I到1的范圍”應(yīng)被理解為表示沿介于約I至約1之間的連續(xù)統(tǒng)的每個(gè)可能的數(shù)值。此外，在這些實(shí)施例中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以被組合在一起，或可以與在本說明書中的數(shù)據(jù)點(diǎn)中的一個(gè)進(jìn)行組合以產(chǎn)生范圍，并因此包括在此范圍內(nèi)的每個(gè)可能的值或數(shù)量。因此，(I)即使在范圍內(nèi)的許多具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)被明確確定，(2)即使對(duì)范圍內(nèi)的一些具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行參照，或(3)即使當(dāng)沒有明確地確定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)理解的是(i)發(fā)明人明白和理解該范圍內(nèi)的任何可想到的數(shù)據(jù)點(diǎn)被認(rèn)為已是指定的，以及(ii)發(fā)明人擁有對(duì)整個(gè)范圍、在范圍內(nèi)的每個(gè)可想到的子范圍以及范圍內(nèi)的每個(gè)可想到的點(diǎn)的認(rèn)知。此外，本發(fā)明說明性公開的本發(fā)明的主題可以在不存在未具體公開的任何元件的情況下適當(dāng)?shù)貙?shí)施。
[0014]本發(fā)明涉及提供一種設(shè)備和方法以便于生產(chǎn)錠。
[0015]在一些實(shí)施方式中，本公開內(nèi)容涉及用于生產(chǎn)錠的設(shè)備，該設(shè)備包括:室，其用于提供可控的氣氛，其中該室具有在垂直(即縱向)方向上彼此隔開的頂部和底部;支撐件(如可旋轉(zhuǎn)支撐件)，其用于支承籽晶層，其中所述支撐件可相對(duì)于室沿縱向方向移動(dòng);至少一個(gè)裝置，其用于控制在室中的給定的生長體積中的溫度場，其中所述溫度場具有在縱向上的溫度梯度；以及饋送裝置，其用于將材料可控饋送到籽晶層上。
[0016]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及用于生產(chǎn)錠的方法，其中所述方法可以包括下列操作中的一個(gè)或多個(gè):提供具有室的設(shè)備以提供可控的氣氛;至少一個(gè)裝置，其用于控制在該室內(nèi)的給定的生長體積中具有在縱向方向上的溫度梯度的溫度場；用于籽晶層的支撐件，所述支撐件是可移動(dòng)的，例如在室內(nèi)的縱向上可旋轉(zhuǎn)和/或可移動(dòng)(相對(duì)于內(nèi)部熱區(qū))；以及可控饋送裝置，其用于提供原料;提供籽晶層在支撐件上，其中，所述籽晶層粗略限定要生產(chǎn)的錠的橫截面面積;移動(dòng)所述支撐件，使得籽晶層位于生長體積內(nèi)的預(yù)定位置上;在生長體積內(nèi)產(chǎn)生具有預(yù)定的垂直溫度梯度的溫度場;通過饋送裝置提供熔化硅的初始層以基本上覆蓋籽晶層，或提供原料在籽晶層上，其中原料的饋送和生長體積內(nèi)的溫度場是受控的，使得基本上，整個(gè)籽晶層覆蓋有液體原料層，以與液體原料層的凝固配合的方式在相對(duì)于熱區(qū)下降支撐件時(shí)旋轉(zhuǎn)支撐件，液體原料層從下方被冷卻。
[0017]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的用于生產(chǎn)錠的方法進(jìn)一步包括獨(dú)立地控制錠的外周上的一個(gè)或多個(gè)位置的生長行為。例如，在一些實(shí)施方式中，為了控制旋轉(zhuǎn)的圓形錠的橫截面形狀(即，以保持它盡可能為圓形，并且在生長的錠上避免節(jié)點(diǎn)、隆起或螺旋體)，錠的外周的生長行為可以通過布置在錠的邊緣附近的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器(諸如具有快速響應(yīng)時(shí)間的感應(yīng)加熱器)來控制，當(dāng)錠旋轉(zhuǎn)通過加熱器時(shí)其能夠快速加熱和冷卻，以對(duì)外周的不同部分提供相界調(diào)節(jié)。在一些實(shí)施方式中，錠的外周的生長行為可以通過下列方式來控制:將一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立可動(dòng)絕緣件或熱屏蔽件布置在錠的外周上的一個(gè)或多個(gè)位置的附近，從而在外周的不同部分通過移動(dòng)部件時(shí)迅速改變周界的不同部分的輻射視角系數(shù)。在一些實(shí)施方式中，錠的外周的生長行為可以通過布置一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口來控制，所述氣體入口供給定向在凝固的錠和原料的液體層之間的相界或在該相界附近的冷卻氣體(諸如溫度比錠的表面(例如，錠的該氣體被引導(dǎo)朝向的表面)低至少約50°C的氣體，或溫度比錠的表面低至少約80 0C的氣體，例如，溫度在比錠的表面低從約80 °C至約200 0C的范圍內(nèi)的氣體，或溫度在比錠的表面低從約100°C至約150°C的范圍內(nèi)的氣體)，或過熱氣體(諸如溫度比錠的表面(例如，錠的該氣體被引導(dǎo)朝向的表面)高至少約50°C的氣體，或溫度比錠的表面高至少約80 °C的氣體，例如，溫度在比錠的表面高從約80 °C至約200 °C的范圍內(nèi)的氣體，或其溫度在比錠的表面高從約100°C至約150°C的范圍內(nèi)的氣體)，并且其中響應(yīng)于當(dāng)錠旋轉(zhuǎn)通過時(shí)在錠的外周上測得的信號(hào)可以迅速地改變氣體射流的強(qiáng)度。
[0018]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及提供一種用于生產(chǎn)錠的設(shè)備，該設(shè)備具有用于在室內(nèi)產(chǎn)生縱向上的溫度梯度的至少一個(gè)裝置，以及用于支撐籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件，該支撐件能在溫度梯度的方向上移動(dòng)，以及用于將材料可控地饋送到大致平坦的籽晶層上的饋送裝置。
[0019]該設(shè)備可以被用于生產(chǎn)結(jié)晶材料，諸如，例如，硅錠。在一些實(shí)施方式中，該設(shè)備可用于無坩禍生產(chǎn)錠。例如，籽晶層上的液體原料可以不需依靠支撐物，即沒有用于容納液體原料的坩禍、器皿或冷壁坩禍。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法可以用于使硅以外的材料結(jié)晶。例如，可由本發(fā)明的方法結(jié)晶的其他材料包括(但不限于)鍺、砷化鎵、硅鍺和具有亞穩(wěn)或穩(wěn)定的液相的其它化合物和氧化物。在一些實(shí)施方式中，由于新熔化材料的恒定流入的組分調(diào)節(jié)可用于保持液體和固體兩者中的恒定組分，因此本發(fā)明的方法可以用于使化合物/材料結(jié)晶，其中在熔體中成分的濃度隨著時(shí)間推移發(fā)生變化(例如，通過蒸發(fā)或優(yōu)先結(jié)合在固體中)。
[0020]在一些實(shí)施方式中，籽晶層可以包括布置在可旋轉(zhuǎn)支撐件上的至少一個(gè)籽晶板。籽晶板可以由可具有單晶結(jié)構(gòu)的任何期望的材料(諸如硅)制成。在一些實(shí)施方式中，籽晶板可以由單晶硅或者可以由根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的錠制成。
[0021]籽晶層可以包括若干件籽晶板或若干件籽晶晶體。籽晶板可以以規(guī)則圖案布置在可旋轉(zhuǎn)支撐件上。在一些實(shí)施方式中，籽晶板可以在可旋轉(zhuǎn)支撐件上形成預(yù)先描繪的區(qū)域的磚式覆蓋。籽晶板可以具有給定的晶體結(jié)構(gòu)，或者給定的取向。
[0022]在一些實(shí)施方式中，籽晶層可以具有對(duì)應(yīng)于要生產(chǎn)的錠的截面面積的截面面積。例如，籽晶層的橫截面形狀可以與要生產(chǎn)的錠的橫截面形狀相同或籽晶層的橫截面面積可以是最終錠的橫截面面積的20%。在一些實(shí)施方式中，從籽晶的橫截面到最終的橫截面可以實(shí)現(xiàn)較大的變化(例如，其中籽晶層的橫截面面積可以是最終錠的橫截面面積的約40%至約80%);然而，在這樣的實(shí)施方式中，在不進(jìn)行大量控制的情況下(i)錐形錠部分可能增加產(chǎn)量損失，并且可能減小吞吐量，以及(ii)對(duì)于橫截面面積的大的變化的情形，可能沒法保持錠形狀的一致性和穩(wěn)定性。
[0023]在一些實(shí)施方式中，籽晶層的預(yù)定橫截面面積的平均直徑可以小于錠的橫截面面積的平均直徑。例如，籽晶層的預(yù)定橫截面的平均直徑可以是比錠的橫截面的平均直徑小至少約5%，如小從約5%至約50%，或小從約10%至約40%。這里使用的術(shù)語“直徑”可以例如不僅是指圓形橫截面，而且更一般是指一般的橫截面形狀的典型的橫向尺寸(例如，正方形的邊長)。
[0024]在一些實(shí)施方式中，籽晶層的預(yù)定橫截面的平均直徑可大于錠的橫截面的平均直徑。例如，籽晶層的預(yù)定橫截面的平均直徑可以是比錠的橫截面的平均直徑大至少約5%，如大從約5%至約50%，或大從約10%至約40%。籽晶的橫截面和穩(wěn)定錠的橫截面之間可以容許少量的形狀變化。例如，籽晶形狀相比于標(biāo)稱(nominal)的長成的晶體部分可以具有更加擴(kuò)大的拐角輪廓或較小的拐角半徑。
[0025]在一些實(shí)施方式中，用一種籽晶橫截面形狀開始并隨著時(shí)間推移轉(zhuǎn)換成完全不同的橫截面可以是合乎期望的。在一些實(shí)施方式中，工藝控制使得起始的籽晶的橫截面形狀不隨時(shí)間推移而轉(zhuǎn)換成完全不同的橫截面。
[0026]在一些實(shí)施方式中，籽晶層的橫截面面積可以為至少約0.04m2，如至少約0.1m2，或至少約0.2m2，或至少約0.4m2。籽晶層可以是任何所需的形狀，例如圓形、矩形、方形、或多邊形。在一些實(shí)施方式中，籽晶層可以具有一個(gè)或多個(gè)直邊的長度，諸如是晶片尺寸的整數(shù)倍的一個(gè)或多個(gè)直邊的長度。
[0027]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法涉及一種用于制備方錠(任選地，無需錠的任何旋轉(zhuǎn)(rotat1n))的方法，該方法包括:提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括:室，其用以提供可控的氣氛，至少一個(gè)裝置，其用于控制在室內(nèi)的給定的生長體積(Vcr)中具有在縱向方向上的溫度梯度的溫度場，用于籽晶層的支撐件，支撐件可在室內(nèi)在縱向方向上移動(dòng)并具有縱向的排熱，以及用于提供原料的可控饋送裝置;提供籽晶層在支撐件上，其中，所述籽晶層具有預(yù)定的截面面積;移動(dòng)所述支撐件，使得籽晶層位于生長體積(Vcr)內(nèi)的預(yù)定位置上;在生長體積內(nèi)(Vcr)產(chǎn)生具有預(yù)定的垂直溫度梯度的溫度場;提供熔化的硅的初始層以基本上覆蓋籽晶層;在凝固液體原料的層時(shí)使可旋轉(zhuǎn)支撐件下降，以形成具有橫截面面積的錠;并加入更多的來自饋送裝置的液體原料。在一些實(shí)施方式中，籽晶層的預(yù)定橫截面的平均橫向尺寸比錠的橫截面的平均橫向尺寸大至少5%。在一些實(shí)施方式中，籽晶層的預(yù)定橫截面的平均橫向尺寸比錠的橫截面的平均橫向尺寸小至少5%。
[0028]在一些實(shí)施方式中，籽晶層的外周可以具有圓角部。例如，角部可以具有至少約Imm的半徑(r)，例如至少約3mm的半徑，至少約1mm或至少約20mm的半徑。
[0029]在一些實(shí)施方式中，用于控制該室中的溫度場的至少一個(gè)裝置可以包括布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件上方的至少一個(gè)頂部加熱裝置。在一些實(shí)施方式中，用于控制溫度場的至少一個(gè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器，諸如布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近和/或在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件上方的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器。
[0030]加熱裝置可以布置在籽晶板的與可旋轉(zhuǎn)支撐件相對(duì)的一側(cè)。它可以是可控的，例如，可通過控制裝置控制。控制裝置可以是開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分。加熱裝置可以是感應(yīng)式或電阻式的。
[0031]在一些實(shí)施方式中，頂部加熱裝置可被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生具有在垂直于縱向方向的方向上的溫度梯度的溫度場。
[0032]在一些實(shí)施方式中，至少一個(gè)頂部加熱裝置包括至少兩個(gè)獨(dú)立可控的加熱環(huán)路。每個(gè)加熱環(huán)路可被連接到提供DC電力信號(hào)和AC電力信號(hào)中的至少一個(gè)的電源上。
[0033]在一些實(shí)施方式中，至少兩個(gè)加熱環(huán)路可以同心地布置。所述至少兩個(gè)加熱環(huán)路具有不同周長，使得一個(gè)加熱環(huán)路形成最外的加熱環(huán)路，且其中最外的加熱環(huán)路比至少一個(gè)其它加熱環(huán)路具有較弱的加熱功率。
[0034]在一些實(shí)施方式中，用于控制溫度場的至少一個(gè)裝置可以包括布置在用于籽晶層的支撐件下方的至少一個(gè)底部冷卻裝置。頂部加熱裝置和底部冷卻裝置可以布置在籽晶層關(guān)于縱向方向的相對(duì)側(cè)。底部冷卻裝置能以允許控制排熱量的變化的方式進(jìn)行控制。
[0035]在一些實(shí)施方式中，頂部加熱裝置和底部冷卻裝置中的至少一個(gè)被設(shè)計(jì)為使得在生長體積的橫向溫度梯度是至多約5K/cm，例如至多約lK/cm，或至多約10—1KAu在一些實(shí)施方式中，溫度梯度可以是可控的。
[0036]在一些實(shí)施方式中，在縱向方向上的溫度梯度可以是可控的。例如，在縱向方向上的溫度梯度可被控制為在從約100K/m至約10000K/m的范圍內(nèi)的值，如在從約300K/m至約3000K/m的范圍內(nèi)的值。
[0037]在一些實(shí)施方式中，該設(shè)備可以包括至少一個(gè)周界加熱器。周界加熱器可具有在形狀上與籽晶層的外周相匹配或幾乎匹配、具有稍長的長度的內(nèi)周。換言之，籽晶層和周界加熱器之間可以在橫向方向(即垂直于縱向的方向)上具有任何期望的寬度的間隙，例如具有在約0.2mm至約I Omm的范圍內(nèi)的寬度的間隙，例如在約0.8mm至約6mm的范圍內(nèi)的寬度的間隙。
[0038]周界加熱器可以包括電加熱元件。例如，合適的感應(yīng)加熱元件可包括但不限于流體冷卻線圈，諸如水冷卻線圈或氣體冷卻線圈。線圈可以由銅或?qū)χ辽僦T如硅之類的錠材料的熔化溫度是難熔的另一種材料制成。在一些實(shí)施方式中，沒有冷卻可能是必要的，并且加熱元件可以是固體長度的合適材料。周界加熱器的兩端可以被連接到包括AC-電源和/或任選的DC電源的電源。
[0039]電感式周界加熱器可形成電磁抑制線圈。由周界加熱器產(chǎn)生的磁場可誘導(dǎo)在導(dǎo)電液體硅中的逆電流。加熱器電流和硅逆電流可以通過電磁力相互作用，并產(chǎn)生使液體硅離開加熱器的斥力。以這種方式操作該設(shè)備會(huì)使得周界加熱器能控制要產(chǎn)生的錠的橫截面，所述要產(chǎn)生的錠經(jīng)由非接觸式控制錠的橫截面以幾乎保形的方式產(chǎn)生。
[0040]在一些實(shí)施方式中，設(shè)備可以包括至少一個(gè)周界冷卻器。周界冷卻器可具有在形狀上與籽晶層的外周相匹配或幾乎匹配的內(nèi)周。換言之，在籽晶層和周界冷卻器之間可以在橫向方向(即垂直于縱向的方向)上具有任何期望的寬度的間隙，例如具有在約0.2mm至約20mm的范圍內(nèi)的寬度的間隙，例如在約2mm至約1mm的范圍內(nèi)的寬度的間隙。
[0041]周界冷卻器可被構(gòu)建為周界冷卻環(huán)路。周界冷卻器可以包括含有冷卻流體的管，諸如，例如含有通過管流通的冷卻液體或冷卻氣體的管。周界冷卻器可在徑向方向上與籽晶層分隔開，例如，使得它不與錠物理接觸。在一些實(shí)施方式中，周界冷卻器可以形成邊緣冷卻環(huán)路。
[0042]在一些實(shí)施方式中，周界加熱器可布置在周界冷卻器之上，在縱向方向上距離為至多約10cm。在一些實(shí)施方式中，周界加熱器可以被布置為靠近周界冷卻器。例如，周界加熱器可以被布置為靠近周界冷卻器，使得到周界冷卻器的距離為至多約5cm，諸如至多約3cm0
[0043]在一些實(shí)施方式中，周界加熱器和周界冷卻器在橫向方向上可以具有相同或幾乎相同的橫截面。如上所述，周界加熱器和周界冷卻器可與貫穿橫截面的中心的縱向軸線同心布置，但是具有縱向偏移。除去連接件，周界加熱器和周界冷卻器可以顯示旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，諸如離散旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或四次(four-fold)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。在一些實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱可以是二次的，具有矩形橫截面。在一些實(shí)施方式中，橫截面可以是矩形或正方形，使得它可以在廢料盡可能少的情況下被細(xì)分成一個(gè)或多個(gè)矩形或正方形磚塊狀物，諸如，例如，用于切割可以被布置用于在太陽能電池模塊中的高效空間填充的襯底的目的。
[0044]在一些實(shí)施方式中，周界加熱器和周界冷卻器在橫向方向上可以不具有相同或幾乎相同的橫截面。例如，周界加熱器和周界冷卻器的直徑可以不同，周界加熱器放置于液態(tài)熔池(puddle)之上，同時(shí)周界冷卻器靠近固體硅放置。
[0045]在一些實(shí)施方式中，該設(shè)備還包括氣體入口以及用于通過供給定向于凝固的錠和液體層之間的相界或相界附近的冷卻氣體或過熱氣體控制溫度場的至少一個(gè)裝置，并且其中響應(yīng)于當(dāng)錠旋轉(zhuǎn)通過時(shí)在錠的外周上測得(如通過監(jiān)測裝置)的信號(hào)可以迅速地改變氣體射流的強(qiáng)度。例如，在一些實(shí)施方式中，用于控制溫度場的至少一個(gè)裝置包括提供加熱的氣體或過熱氣體的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口，諸如布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件的附近和/或上方的(供給加熱的或過熱氣體的)一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口。例如，在一些實(shí)施方式中，用于控制溫度場的至少一個(gè)裝置包括供給冷卻氣體的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口，諸如布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近和/或上方的(供給冷卻氣體的)一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口。
[0046]氣體入口可適合于引入來自惰性氣體貯存器的惰性氣體，如氬氣。在一些實(shí)施方式中，氣體入口可以布置在籽晶層上方。在一些實(shí)施方式中，氣體入口可以被設(shè)計(jì)為允許惰性氣體的均勻流分別跨越籽晶層和/或在籽晶層的頂部上的液體材料。在一些實(shí)施方式中，氣體入口可以包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口，諸如布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口。例如，布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口可布置成在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件的上方、上方和側(cè)面、正側(cè)面、和/或側(cè)面并稍低。
[0047]在一些實(shí)施方式中，饋送裝置可以包括用于熔化硅的裝置。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可包括兩個(gè)或更多個(gè)不同的溫度控制系統(tǒng)，諸如，例如，用于熔化原料的溫度控制系統(tǒng)和用于原料的凝固的溫度控制系統(tǒng)。
[0048]饋送裝置可以布置在室的外部。因此，在一些實(shí)施方式中，原料(如液體原料)被引入到本發(fā)明的設(shè)備的室中，原料可以從室外部加入到室中，諸如到籽晶層上。
[0049]在一些實(shí)施方式中，設(shè)備是無坩禍的。
[0050]在一些實(shí)施方式中，饋送裝置包括出口，出口相對(duì)于籽晶層的位置是可調(diào)節(jié)的。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的方法，籽晶層(該籽晶層任選地定義要生產(chǎn)的錠的橫截面面積)被提供在可旋轉(zhuǎn)支撐件上，且可旋轉(zhuǎn)支撐件被移動(dòng)到具有預(yù)定的垂直溫度梯度的溫度場內(nèi)的預(yù)定位置上。然后，硅的初始層被熔化，以基本上覆蓋籽晶層，或者原料可以通過饋送裝置被提供在籽晶層上，其中生長體積內(nèi)的原料的饋送和溫度場被控制成使得整個(gè)籽晶層覆蓋有一層液態(tài)硅。然后，當(dāng)由于熱能從底部排出而導(dǎo)致液體原料層凝固時(shí)，可旋轉(zhuǎn)支撐件可被下降(和任選地旋轉(zhuǎn))，即，平行于溫度梯度移動(dòng)，例如沿降低溫度的方向移動(dòng)。
[0052]換句話說，在系統(tǒng)進(jìn)入初始平衡之后，靜態(tài)的、穩(wěn)定的液體層在籽晶層上方，可以通過減少來自上方的加熱，增大來自下方的冷卻，或兩者來改變熱平衡。這可以向上驅(qū)動(dòng)凝固界面，并且同時(shí)向下牽引可旋轉(zhuǎn)支撐層，以努力保持固/液界面在給定的垂直范圍內(nèi)。
[0053]在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法可根據(jù)如您需要饋送的原則工作。
[0054]在一些實(shí)施方式中，可以控制生長體積中的溫度場，使得籽晶層的頂部表面采取在其熔化溫度的約100°C內(nèi)的溫度。例如，在工藝的開始，例如在原料通過饋送裝置被提供在籽晶層上之前，籽晶層可以采用在其熔化溫度的約100°C內(nèi)的溫度。在額外的液體被提供之前，作為工藝開始的一部分，籽晶層的頂部表面可以部分熔化。在一些實(shí)施方式中，在加熱之前或加熱期間預(yù)定的量(例如，足以形成初始熔池的量)的固體原料可以被放置在籽晶層的頂部，然后它可在處理的開始與籽晶板的頂部的一部分一起被熔化，以形成初始熔池。
[0055]在一些實(shí)施方式中，諸如，例如，在籽晶層基本上覆蓋一層熔化材料之后，可以增大垂直溫度梯度，即，可以增大在初始階段過程中在縱向方向上的溫度梯度?？梢砸允沟米丫雍驮蠈又g的固-液相邊界不移動(dòng)的方式增加垂直溫度梯度。換言之，可以以使得沒有凈凝固的方式增加垂直溫度梯度。
[0056]在一些實(shí)施方式中，在晶體生長的開始，垂直溫度梯度可以保持通常恒定或甚至減小，通過減小來自頂部的加熱和/或增大來自底部的冷卻改變熱平衡以導(dǎo)致熔化熱的排出。
[0057]在一些實(shí)施方式中，可調(diào)節(jié)輸送到籽晶層上的熔化材料的量，以使液體層保持在高的設(shè)定點(diǎn)。在可旋轉(zhuǎn)支撐件被下降和/或任選地旋轉(zhuǎn)時(shí)，可調(diào)節(jié)將熔化的原料提供到籽晶層的速率，以保持液面高度恒定。原料的提供速率可被調(diào)節(jié)成下降可旋轉(zhuǎn)支撐件的速率和凈熱排出的幅度。例如，液相的高度可以保持恒定在從約Imm至約1cm的范圍內(nèi)的值，例如在約5mm至約2cm的范圍內(nèi)的值，具體取決于材料的表面張力。在一些實(shí)施方式中，控制可被調(diào)整，使得向下拉的速率用于控制邊緣處的熔池高度，例如，響應(yīng)于熔池高度的下降而減速，響應(yīng)于熔池高度的增加而加速。在一些實(shí)施方式中，液體和固體之間的接觸角可以被用作熔池高度的代用指標(biāo)。
[0058]在一些實(shí)施方式中，原料可以通過饋送裝置以液態(tài)原料的形式提供。例如，液態(tài)硅原料可以在約1410 °C至約1500 °C的范圍內(nèi)的溫度下被提供，例如在約1420 °C至約1450 °C的范圍內(nèi)的溫度下被提供。原料可以在相對(duì)于籽晶層的橫截面在籽晶層中心附近提供到籽晶層上。在一些實(shí)施方式中，原料可以在相對(duì)于籽晶層的橫截面在籽晶層的偏離中心的位置被提供到籽晶層上。例如，在一些其中可旋轉(zhuǎn)支撐件和/或可旋轉(zhuǎn)基座旋轉(zhuǎn)的實(shí)施方式中，原料可以或可以不在相對(duì)于籽晶層的橫截面在籽晶層的偏離中心的位置被提供到籽晶層。
[0059]在一些實(shí)施方式中，可以通過由周界加熱器產(chǎn)生的電磁場來輔助將液體原料保留在籽晶層上(否則僅基于液體的表面張力)。例如，通過周界加熱器引起的額外的熱量可以通過周界冷卻器(如通過周界冷卻環(huán)路)抵銷，所述周界冷卻器可以正好位于周界加熱器下方。周界加熱器和周界冷卻器的組合可有助于限定在邊緣的凝固前沿在狹窄間隔內(nèi)。通常，由于周界加熱器和冷卻器導(dǎo)致在邊緣的熱梯度比在錠的中間可以更陡，但是固液界面的形狀可以被調(diào)節(jié)為盡可能平坦。
[0060]在一些實(shí)施方式中，在可旋轉(zhuǎn)支撐件被下降和/或任選地旋轉(zhuǎn)時(shí)，凝固的錠和液體熔池之間的相界可被保持靜止。
[0061]在一些實(shí)施方式中，配置組件(例如加熱器和冷卻器)并通過適當(dāng)?shù)乜刂萍訜崞骱屠鋮s器，可以保持基本上平坦的相邊界，即平坦的凝固界面。在一些實(shí)施方式中，配置組件(例如加熱器和冷卻器)并通過適當(dāng)?shù)乜刂萍訜崞骱屠鋮s器，可以在固/液界面的周界保持很小的曲率，其中固體的形狀在邊緣是凹形的而在中間較平坦，g卩，界面具有很小的曲率。
[0062]在一些實(shí)施方式中，控制頂部加熱器和底部冷卻器中的至少一個(gè)，使得在生長體積中的溫度場的橫向溫度梯度為約5K/cm，諸如至多約lK/cm，或至多約ΙΟΚ/m或至多約IK/mD
[0063]在一些實(shí)施方式中，在可旋轉(zhuǎn)支撐件下降和/或任選地旋轉(zhuǎn)時(shí)可以連續(xù)施加原料(如液體原料)。例如，由于前進(jìn)的凝固會(huì)另外趨向于使得液體層從底部縮短，因此可以連續(xù)施加原料以保持液體原料層的高度為常數(shù)。
[0064]在一些實(shí)施方式中，對(duì)于從饋送裝置添加液體原料，可調(diào)節(jié)饋送裝置的出口以達(dá)到液體原料層。
[0065]在一些實(shí)施方式中，室可被排空或吹掃空氣并用惰性氣體(如氬氣)回填充。在工藝的開始，例如，在任何熔化已發(fā)生之前和/或在任何液體原料供給到籽晶板之前，例如室可以排空空氣，并用惰性氣體(如氬氣)回填充。
[0066]在一些實(shí)施方式中，以使得在生長體積(Vgr)中的橫向溫度梯度至多為約5K/cm的方式控制溫度場。
[0067]在一些實(shí)施方式中，設(shè)備可以包括能夠?qū)碜岳鋮s裝置的排熱率從零改變到全冷卻功率的流體熱交換器。
[0068]在一些實(shí)施方式中，籽晶層和周界加熱器的橫截面形狀是直線形，如具有彼此成約90度的基本上直的邊以及半徑為至少Imm的圓角的橫截面形狀，并且其中籽晶層橫向地布置以配合在周界加熱器的橫截面內(nèi)。
[0069]在一些實(shí)施方式中，在生長期間可通過監(jiān)測籽晶和周界加熱器之間的間隙并根據(jù)需要控制周界加熱器中的電流以增加或減少液體原料的橫截面面積來控制錠的橫向尺寸。
[0070]在一些實(shí)施方式中，通過監(jiān)測液體/固體界面的位置，并在加熱裝置和冷卻裝置之間的凈能量通量上使用有源反饋控制回路來有源控制凝固的速率。
[0071 ]在一些實(shí)施方式中，原料材料可以包括任何期望的材料，諸如，例如，硅、鍺、砷化鎵、氧化鋁、砷化銦、硅鍺、具有液相的其他半導(dǎo)體、聚合物和過渡金屬氧化物。
[0072]在一些實(shí)施方式中，通過施加隨時(shí)間變化的電流至頂部加熱裝置，可以在液體原料層中產(chǎn)生預(yù)定的流動(dòng)模式。例如，控制在頂部加熱器中的隨時(shí)間變化的電流，使得至少在某些時(shí)間段時(shí)期，液體原料層中的流動(dòng)模式被調(diào)節(jié)，使得從層的中央到角部存在液體原料的流動(dòng)。
[0073]在一些實(shí)施方式中，液體原料的凝固層可以通過監(jiān)測裝置監(jiān)測。
[0074]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)來自監(jiān)測裝置的信號(hào)，可以控制用于控制生長體積(Vcr)中的溫度場的至少一個(gè)裝置中的至少一個(gè)的激活、從饋送裝置加入液體原料的速率、周界加熱器的激活、周界冷卻器的激活、可旋轉(zhuǎn)支撐件的旋轉(zhuǎn)速率、和該可旋轉(zhuǎn)支撐件的降低速率。
[0075]在一些實(shí)施方式中，根據(jù)來自監(jiān)測裝置的信號(hào)，可以調(diào)節(jié)液體原料層的高度。這種調(diào)節(jié)可以是全局性的，或者它可以僅涉及固/液界面的某一部分。
[0076]根據(jù)圖1所示的實(shí)施方式，用于生產(chǎn)錠的設(shè)備I特別是用于生產(chǎn)硅錠的設(shè)備I包括室2以提供可控的氣氛。室2具有在縱向方向5上彼此隔開的頂部3和底部4。
[0077]室2的底部4被構(gòu)建為底板。頂部3被構(gòu)建為蓋，但可構(gòu)成將生長體積與熔化體積分離的熱分離層。室2還包括主要在縱向方向5上延伸的側(cè)壁20。優(yōu)選地，側(cè)壁20與底部4以及任選地與頂部3形成氣密連接。沿著側(cè)壁20布置有隔熱件21。隔熱件21可以由氧化鋁纖維、碳纖維、或任何其它合適的熱絕緣體組成。
[0078]在室2的底部4存在排氣裝置22。因此，室2通過排氣裝置22連接到氣體交換裝置23。因此它提供可控的氣氛。氣體交換裝置23可以是真空設(shè)備以抽空室2。通常，氣體交換裝置23形成用于控制室2內(nèi)的氣氛的裝置。
[0079]此外，設(shè)備I包括用于支承籽晶層7和在籽晶層7的頂部凝固的硅塊11的可旋轉(zhuǎn)支撐件6 ο可旋轉(zhuǎn)支撐件6相對(duì)于室2在縱向方向5上是可移動(dòng)的。
[0080]設(shè)備I還包括加熱裝置8和冷卻裝置9。加熱裝置8和冷卻裝置9可形成用于控制室2中的給定生長體積Vcr中的溫度場的裝置。例如，加熱裝置8和冷卻裝置9可形成用于控制具有在縱向方向5上的溫度梯度的溫度場的裝置。
[0081 ]在一些實(shí)施方式中，用于控制溫度場的至少一個(gè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器，諸如用于冷卻氣體供應(yīng)或過熱氣體供應(yīng)(例如，Hl(和任選H2、H3和/或H4，未示出)。在一些實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器可以布置在任何所需位置，諸如一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器布置成在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近和/或在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件上方。
[0082]設(shè)備I還包括用于將材料分別可控地饋送到籽晶層7上或饋送到在籽晶層7上的已經(jīng)凝固的硅塊11上的任選的饋送裝置10。在后一種情況下，還應(yīng)理解，材料被供給到籽晶層7上。
[0083]籽晶層7可以包括一個(gè)或多個(gè)籽晶板12。籽晶板可以由單晶材料制成，或者可以是有序配置的晶體。這些材料可以由任何合乎期望的材料制成，材料諸如硅、或者單晶硅。一個(gè)或多個(gè)籽晶板12可以從單個(gè)硅塊切得。
[0084]在一些實(shí)施方式中，籽晶層7可具有對(duì)應(yīng)于待生產(chǎn)的錠的橫截面面積的橫截面面積。例如，籽晶層7的橫截面可為圓形或矩形，如帶圓角部的正方形。在一些實(shí)施方式中，籽晶層7可具有無尖角部的外周形狀，例如具有至少約1mm，例如至少約3mm的圓角半徑(r)的外周形狀。
[0085]籽晶層7的橫截面面積可以具有任何所需的值的邊長，例如在從約20cm至約80cm的范圍內(nèi)的邊長，或從約30cm至約65cm的范圍內(nèi)的邊長。在一些實(shí)施方式中，邊長可以是待從錠切割的晶片的邊長的整數(shù)倍。在一些實(shí)施方式中，籽晶層7的橫截面面積可為至少
0.05m2，例如至少0.2m2，在或者至少0.4m2。
[0086]可旋轉(zhuǎn)支撐件6可以包括可旋轉(zhuǎn)基座13?？尚D(zhuǎn)基座13可以機(jī)械地連接到運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器14。如果需要，可旋轉(zhuǎn)基座13可通過運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器14以順時(shí)針或逆時(shí)針的方式旋轉(zhuǎn)?？尚D(zhuǎn)基座13可通過運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器14沿著縱向方向5移動(dòng)。在其中錠旋轉(zhuǎn)的實(shí)施方式中，可旋轉(zhuǎn)基座13可以具有任何合乎期望的旋轉(zhuǎn)速率，如在從每分鐘約0.1轉(zhuǎn)至每分鐘約30轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速率，或在從每分鐘約I轉(zhuǎn)至每分鐘約5轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速率?？尚D(zhuǎn)基座13可以具有在縱向方向5上的任何期望的范圍的移動(dòng)，例如在縱向方向5上的至少約25cm的范圍內(nèi)的移動(dòng)，在縱向方向5上的至少約40cm的范圍內(nèi)的移動(dòng)，或在縱向方向5上的至少約10cm的范圍內(nèi)的移動(dòng)。
[0087]在一些實(shí)施方式中，具有任何所需尺寸的錠(例如，具有任何所需長度的錠，如長度可達(dá)約5米，或至多約I米)可以通過在一定的錠長度之上轉(zhuǎn)換到側(cè)冷卻機(jī)構(gòu)并減慢生長速率來制備。
[0088]在一些實(shí)施方式中，基座柱13可以被配置成允許冷卻流體向上通過到達(dá)冷卻層9。在一些實(shí)施方式中，冷卻塊可以通過可變孔將熱量輻射到流體冷卻表面，流體冷卻表面例如側(cè)壁20或底板4。
[0089]可旋轉(zhuǎn)支撐件6可以包括具有周緣17的容納托盤15。在一些實(shí)施例中，周緣17在縱向方向5上的高度可為至少約Icm，特別是至少約3cm。
[0090]容納托盤15在垂直于縱向方向5的方向上的橫截面積可比籽晶層7的橫截面面積大至少10%，特別是多達(dá)兩倍，特別是多達(dá)3倍。容納托盤15可以提供用于容納液體材料(如液體硅)的體積。體積可以是至少I升，例如至少2升，或至少3升。在一些實(shí)施方式中，容納托盤可具有任何所需的體積，例如能夠容納待在設(shè)備中使用的進(jìn)料(例如，硅進(jìn)料)的體積的體積，例如，體積在待在設(shè)備中使用的進(jìn)料(硅進(jìn)料)的體積的從約110 %至約150 % (例如約110 % )的范圍內(nèi)，使得容納托盤15可保護(hù)室2的下部和基座13不受液體進(jìn)料(例如，液體硅)的溢出的影響。
[0091]在一些實(shí)施方式中，海綿狀結(jié)構(gòu)16可沿著圓周邊緣17布置，并且可以填充整個(gè)體積。海綿狀結(jié)構(gòu)16可形成海綿來吸收存在于該容納托盤15中的硅。在一些實(shí)施方式中，海綿狀結(jié)構(gòu)16可以以使得其可以充當(dāng)熱絕緣件或液體阻擋件(除了吸收存在于容納托盤15中的硅)的方式形成(和由合適的材料形成)。
[0092]可旋轉(zhuǎn)支撐件6可任選地包括設(shè)置在容納托盤15的頂部上的加熱器和絕緣體堆
18。例如，加熱器和絕緣體堆18可被布置在冷卻裝置9和籽晶層7之間。
[0093]可旋轉(zhuǎn)支撐件6可以包括支撐板19。支撐板19可以由石墨或碳化硅或硅制成。籽晶層7可以被布置在支撐板19的頂部上。
[0094]在一些實(shí)施方式中，籽晶層7和支撐板19可以具有相差至多10%的特別至多5%的，特別至多I %的橫截面面積。
[0095]冷卻裝置9可以任選地是可旋轉(zhuǎn)支撐件6的一部分。在一些實(shí)施方式中，冷卻裝置9可以被布置在基座13和容納托盤15之間。
[0096]加熱裝置8可以布置在籽晶層7上方。加熱裝置8可由功率控制器24控制。在一些實(shí)施方式中，加熱裝置8可以布置在籽晶層7的與基座13相反的一側(cè)。加熱裝置8的類型可以是電感式或電阻式。加熱裝置8在垂直于縱向方向5的方向上可具有外橫截面面積，該面積是籽晶層7的內(nèi)橫截面面積的40%，并且可以稍微較大或較小。
[0097]在一些實(shí)施方式中，加熱裝置8可以被設(shè)計(jì)為在錠中產(chǎn)生具有可忽略的凈橫向溫度梯度的溫度場。例如，加熱裝置8可被設(shè)計(jì)成與一個(gè)或多個(gè)額外的加熱器協(xié)作地操作，以在錠中產(chǎn)生具有可忽略的凈橫向溫度梯度的溫度場。在錠中的橫向溫度梯度可被控制為至多約5K/cm，例如至多約lK/cm，或至多約ΙΟΚ/m或至多l(xiāng)K/m。
[0098]加熱裝置8可以由碳化硅涂覆的石墨制成。在一些實(shí)施方式中，加熱裝置8可以由支撐層37支承，支撐層37可以由任何合適的材料制成。例如，在其中加熱裝置8是感應(yīng)加熱裝置8的實(shí)施方式中，支撐層37可以由氧化鋁或石英制成;并且在其中加熱裝置8是輻射加熱裝置8的實(shí)施方式中，支撐層37可以由碳化硅(SiC)、碳化硅涂覆的石墨或氮化硼(BN)涂覆的石墨制成。
[0099]由碳化硅(SiC)或SiC覆蓋的石墨制成的支撐層37可以SiC不使加熱器回路短路的方式被制造。支撐層37可以與加熱裝置8電隔離。支撐層37也可用于減少加熱裝置8被液體硅污染的危險(xiǎn)。在一些實(shí)施方式中，加熱器可以被它的電源引線懸置，并自由地懸掛在熔體之上。
[0100]冷卻裝置9可以被配置為允許排熱的幅度或強(qiáng)度中的受控變化。例如，冷卻裝置9可形成冷卻槽，或冷卻裝置9可以被構(gòu)建為熱交換器模塊。在一些實(shí)施方式中，冷卻裝置9可以包括有源的、可控元件，包括例如用于使在熱交換器模塊內(nèi)的冷卻流體能可控循環(huán)的裝置。
[0101]冷卻裝置9可以被設(shè)計(jì)為使得生長體積Vcr中的橫向溫度梯度可被控制為至多約5K/cm，例如至多約IK/cm，或至多ΙΟΚ/m或至多l(xiāng)K/m。
[0102]饋送裝置10可以包括饋送管25，饋送管25用于將液體材料(例如液體硅)分別饋送到籽晶層7或已凝固的硅塊11上。饋送裝置10可包括用于容納液體硅的貯存器和用于熔化硅的裝置。由饋送裝置10饋送到室2中的液體硅是指用于要生產(chǎn)的硅錠的原料。
[0103]在一些實(shí)施方式中，設(shè)備I可以包括周界加熱器26。在圖中I描繪的周界加熱器包括單匝感應(yīng)加熱線圈27。在一些實(shí)施方式中，周界加熱器26的內(nèi)周可緊密地貼合籽晶層7的外周，除了橫截面的角部以外，其中該周界加熱器可偏離該錠。例如，在籽晶層7的外周和周界加熱器26的內(nèi)周之間可以存在具有在約0.2mm至約I Omm范圍內(nèi)的寬度的間隙28。
[0104]加熱線圈27可以電連接到包括AC電源29和任選的DC電源的電源。在一些實(shí)施方式中，加熱線圈27可以是水冷的銅線圈。在一些實(shí)施方式中，加熱線圈27可以是能夠從AC電源29運(yùn)載AC電力并在升高的溫度(例如在溫度高達(dá)至少硅的熔化溫度，或高達(dá)至少約1450 °C)下操作的耐火材料。液體和加熱器之間的間隙28可以由磁場的強(qiáng)度來控制，磁場的強(qiáng)度可通過施加到加熱器的電流來控制。因?yàn)橐后w表面的半徑在角部較小，并且電磁場也增強(qiáng)，所以周界加熱器和液體之間的空間間隙在角部可以增大。這可以通過使周界加熱器成形為在角部鼓出，偏離那里的籽晶的形狀來補(bǔ)償?？蓪⒂^測間隙的觀測裝置放入與周界加熱器功率的反饋中，以維持間隙的間距在所需的控制范圍內(nèi)。
[0105]在一些實(shí)施方式中，裝置I可以包括周界冷卻器30。周界冷卻器30可以被設(shè)計(jì)為位于預(yù)期凝固線31(即已經(jīng)凝固的硅塊11和在其頂部的液體原料層32之間的相界)正下方的冷卻回路。周界冷卻器30可被用于嚴(yán)格地控制在凝固前沿的熱梯度。例如，周界冷卻器30可以包括與冷卻流體(如冷卻液體或冷卻氣體)的貯存器33流體連接的管。該冷卻流體可以循環(huán)通過周界冷卻器30的管。
[0106]周界冷卻器30可以被布置成在縱向方向5上鄰近于周界加熱器26。在一些實(shí)施方式中，周界冷卻器30可以布置在周界加熱器26的正下方。在一些實(shí)施方式中，周界冷卻器30可以布置在周界冷卻器30上方，在縱向方向5上的距離為至多約10cm，例如至多約5cm，或至多約3cm。
[0107]周界冷卻器30可具有與周界加熱器26相同的內(nèi)橫截面面積，或者它可以與錠的形狀更接近地一致。在一些實(shí)施方式中，周界冷卻器30的內(nèi)周可以與籽晶層7的外周相一致。例如，周界冷卻器30和籽晶層7或已凝固的硅塊11的外周之間相應(yīng)地可以存在具有在橫向方向上約0.2mm至約1mm范圍內(nèi)的寬度的間隙34。換句話說，周界冷卻器30可以與硅塊11間隔開，因此不與硅塊11直接物理接觸。
[0108]在一些實(shí)施方式中，設(shè)備I還包括一個(gè)或多個(gè)氣體入口35，例如連接到氣體貯存器的氣體入口，如溫度受控的氣體貯存器。氣體入口 35可以從氣體貯存器36引入惰性氣體，如氬。在一些實(shí)施方式中，氣體入口35可以被布置在籽晶層7上方，諸如，例如，在生長室2的頂部3上。在一些實(shí)施方式中，氣體入口35可以被設(shè)計(jì)成提供均勻流動(dòng)的惰性氣體穿過液體硅層32，例如，以清除氧化硅(S1)氣體。
[0109]在一些實(shí)施方式中，氣體入口可以包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的進(jìn)氣入口(例如，Gl和G3(和任選G2和/或64，未示出))，例如布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近的一個(gè)多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口。例如，布置在用于籽晶層的可旋轉(zhuǎn)支撐件附近的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口可以被布置在用于籽晶層、籽晶層7、硅錠11、或固/液界面的可旋轉(zhuǎn)支撐件的，例如，上方、上方和側(cè)面上，直接在側(cè)面上，和/或在側(cè)面上和稍微下方。
[0110]設(shè)備I可以在娃塊11(也被稱為娃錠I)的生產(chǎn)方法中使用。雖然方法將針對(duì)娃來描述，但它也適用于多種其他結(jié)晶材料，該結(jié)晶本質(zhì)上是半導(dǎo)體的、絕緣的或金屬的。
[0111]在本發(fā)明的方法中，可提供根據(jù)先前描述的設(shè)備I。例如，可提供室2，室2具有至少一個(gè)裝置，該裝置用于控制在室2內(nèi)的生長體積Vcr中具有在縱向方向5上的溫度梯度的溫度場，以及具有用于籽晶層7的可旋轉(zhuǎn)支撐件6和可控饋送裝置10。籽晶層7可以放置在可旋轉(zhuǎn)支撐件6上。
[0112]在一些實(shí)施方式中，籽晶層7，諸如一個(gè)或多個(gè)籽晶板12，可以被放置在冷卻裝置9的頂部上的支撐板19上。然后，可旋轉(zhuǎn)基座13可以被提起，使得籽晶層7靠近周界加熱器26。例如，籽晶層7到周界加熱器26的距離可以是至多約lcm，以及籽晶層的頂部甚至可以超過周界加熱器的底部的高度。在一些實(shí)施方式中，籽晶層7可以被布置成使得在籽晶層7的所有側(cè)面上的橫向間隙28是相等的。
[0113]室2可以通過氣體交換裝置23清除空氣并回充惰性氣體，如氬氣。加熱裝置8可以被接通和控制，使得在籽晶層7(如至少一個(gè)籽晶板12)被加熱到熔化溫度的約100°C內(nèi)，如籽晶層的熔化溫度的20°C內(nèi)。
[0114]在一些實(shí)施方式中，如果需要的話，也可以引入通過來自下方的冷卻裝置9的冷卻，并可建立垂直溫度梯度。例如，在一些實(shí)施方式中，垂直溫度梯度可以保持很低，至多可達(dá)每厘米幾十度，或小于約5K/cm。在一些實(shí)施方式中，加熱裝置8和/或冷卻裝置9中的至少一個(gè)可以被控制成使得凈橫向溫度梯度盡可能接近零。在生長體積Vcr中的凈橫向溫度梯度保持低于約5K/cm，如低于約lK/cm，或低于約lK/m。
[0115]然后，硅的初始層被熔化以基本上覆蓋籽晶層，或硅原料可以由饋送裝置10經(jīng)由饋送管25從上方被引入，例如，在籽晶層7的中央被引入。
[0116]在一些實(shí)施方式中，硅原料可以在熔化狀態(tài)(即作為液體)下被引入。原料可以被摻雜成所需的電阻率。在一些實(shí)施方式中，原料可以通過饋送裝置10被引入，直到液體層32覆蓋整個(gè)籽晶層7，或整個(gè)籽晶板12。例如，原料可被引入，直到層32具有幾毫米到幾厘米的液柱高度。在一些實(shí)施方式中，層32的液體高度可以在約Imm至約5cm的范圍內(nèi)，或高度在約3mm至約2cm的范圍內(nèi)以及任選在整個(gè)橫截面上可具有統(tǒng)一的高度。在一些實(shí)施方式中，引入的原料可以具有在1410 °C至1450 °C的范圍內(nèi)的溫度。
[0117]硅的表面張力足以保持層32的液體壓頭高度高達(dá)約6mm至約10mm。為了提供具有大于約1mm的高度的層32，可以使用通過從AC電源29供給到周界加熱器26的AC電力的電磁抑制。在一些實(shí)施方式中，例如，如果層32的液體高度保持低于約8mm，則錠可以在不運(yùn)行周界加熱器26的情況下來生產(chǎn)。
[0118]在一些實(shí)施方式中，周界加熱器26可以在反饋模式下運(yùn)行，以控制凝固硅塊11的橫向尺寸。
[0119]一旦上述條件已被建立并穩(wěn)定，從冷卻片(即冷卻裝置9)起的熱梯度可增加，與來自上方的加熱裝置8的熱合作，以保持沒有凈凝固。換言之，在生長體積Vcr中的垂直溫度梯度可以以使得籽晶層7和原料液層32之間的固-液相邊界31不移動(dòng)的方式增大。熱梯度可以被調(diào)節(jié)，特別是增加，直到給定的工作梯度已經(jīng)達(dá)到并穩(wěn)定。
[0120]然后，加熱和冷卻的平衡可以通過a)從下方增加冷卻，b)從上方減少加熱或c)上述兩種來改變。
[0121]由于凈排熱，液體硅開始凝固，且固/液界面開始向上移動(dòng)。此時(shí)(或在熱上升過程中的任意時(shí)刻)，可旋轉(zhuǎn)基座13可以被旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)圓形錠的橫截面和/或使熱場中的任何異常最終得到平衡，使得沒有一個(gè)點(diǎn)遭受熱點(diǎn)或冷點(diǎn)。錠的旋轉(zhuǎn)使得能簡單控制錠的總體尺寸并容易保持該形狀，因?yàn)獒槍?duì)長度足以具有變形效果的時(shí)間段，沒有局部熱區(qū)(或冷區(qū))的單獨(dú)部分將晶體外周的特定部分塑形。
[0122]可旋轉(zhuǎn)基座13的旋轉(zhuǎn)還允許更簡單的用于觀察凝固硅塊11的方法。旋轉(zhuǎn)對(duì)周期性掃描任何給定的外周位置的前方的整個(gè)界面有積極作用，由此替代由具有四個(gè)單獨(dú)的攝影機(jī)的監(jiān)測裝置40監(jiān)測的凝固線31的三維位置，具有視頻分析的單個(gè)攝像機(jī)可以監(jiān)控整個(gè)錠，這導(dǎo)致相當(dāng)簡單的工藝自動(dòng)化方案。
[0123]在一些實(shí)施方式中，可旋轉(zhuǎn)基座13的旋轉(zhuǎn)可以或可以不與朝向固體/液體界面的來自一種或多種惰性氣體入口(例如單個(gè)氬噴射口)的對(duì)流氣體冷卻組合。例如，在其中生長的錠旋轉(zhuǎn)的實(shí)施方式中，隨著生長錠旋轉(zhuǎn)，來自一種或多種惰性氣體入口的氣體的基本水平(例如，例如約I升/分鐘至約10升/分鐘，或約3升/分鐘至約7升/分鐘，或約5升/分鐘)可以朝向固體/液體界面。在這樣的實(shí)施方式中，監(jiān)測裝置40(諸如攝像機(jī))可被布置成觀察僅在一個(gè)或多個(gè)氣體噴射口被布置的位置之前的界面。當(dāng)監(jiān)測裝置記錄固/液界面的位置時(shí)，當(dāng)凝固硅塊11外周的部分移動(dòng)到惰性氣體的流中時(shí)，可以改變冷卻流的速率以加熱或冷卻凝固硅塊11外周的該部分。在一些實(shí)施方式中，如果在凝固的硅塊11外周的一個(gè)點(diǎn)上將形成異常(諸如，凸起)，則來自噴射口的流中的快速、良好定時(shí)的增加可以被用來解決異常(即，例如，通過當(dāng)凝固硅塊11的凸起通過時(shí)快速冷卻該部分;或者如果在周界的點(diǎn)太冷并向內(nèi)生長，則可以全部關(guān)閉氣體)。
[0124]在一些實(shí)施方式中，第二或第三氣體入口(例如第二或第三噴口)可以被定位在其它徑向位置，它們的流率根據(jù)控制信號(hào)和旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行變化。例如，一個(gè)或多個(gè)氣體入口可適于根據(jù)需要饋送熱氣體，以補(bǔ)償和/或消除冷斑。
[0125]在一些實(shí)施方式中，例如，在可旋轉(zhuǎn)基座13的非常緩慢的旋轉(zhuǎn)期間，或在可旋轉(zhuǎn)基座13不旋轉(zhuǎn)時(shí)，能接通和關(guān)閉的一個(gè)或多個(gè)局部加熱器(諸如RF加熱器)可以通過布置一個(gè)或多個(gè)加熱器在凝固硅塊11的外周的附近的點(diǎn)附近使用，以根據(jù)需要調(diào)整凝固硅塊11的生長速率。
[0126]在一些實(shí)施方式中，用于控制溫度場的至少一個(gè)裝置可包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的可移動(dòng)絕緣件或熱屏蔽件(例如，SI和S3(以及任選地S2和/或S4，未示出)。例如，在一些實(shí)施方式中，例如在可旋轉(zhuǎn)基座13的非常緩慢的旋轉(zhuǎn)期間，或在可旋轉(zhuǎn)基座13不旋轉(zhuǎn)時(shí)，凝固硅塊11的外周的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)可以用可移動(dòng)絕緣件屏蔽，使得凝固硅塊11的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)可通過絕緣體窗口(其可以移動(dòng)，例如，在任何方向上，例如向上或向下)保護(hù)，以保護(hù)或暴露凝固硅塊11的外周的一部分于或多或少的預(yù)定溫度的環(huán)境(例如，通過由一個(gè)或多個(gè)氣體入口引入的加熱的或冷卻的氣體產(chǎn)生的局部預(yù)定溫度環(huán)境)?？梢苿?dòng)絕緣件或熱屏蔽件可由任何合適的材料制成，材料諸如，例如，氧化鋁纖維、碳纖維、或任何其它合適的熱絕緣體。
[0127]在一些實(shí)施方式中，可旋轉(zhuǎn)基座13可下降，以保持原料的液體層32的底部在同一垂直水平上。同時(shí)，額外的原料可以通過饋送裝置10從頂部引入，以保持液體層32的頂部在所期望的控制范圍內(nèi)。隨著處理的進(jìn)行，根據(jù)需要，可旋轉(zhuǎn)基座13可以下降以從加熱裝置8和供給裝置10撤回籽晶層7。
[0128]在一些實(shí)施方式中，基座13可以下降(和/或旋轉(zhuǎn))，使得凝固的硅塊11和原料的液體層32之間的相界31保持靜止，且熱場中的異常通過以能有效確保凝固的硅塊11中沒有一個(gè)點(diǎn)遭受熱點(diǎn)或冷點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速率旋轉(zhuǎn)基座13而最終得到平衡。
[0129]通過添加來自饋送裝置10的原料，當(dāng)基座13下降和/或旋轉(zhuǎn)時(shí)，層32的液體高度保持恒定。特別地，原料可連續(xù)供給，同時(shí)可旋轉(zhuǎn)支撐件6尤其是基座13下降和/或旋轉(zhuǎn)。具體地，原料可連續(xù)地施加，以保持原料的液體層32的高度恒定。在一些實(shí)施方式中，生長體積中的凝固條件，如在相界31的凝固條件，可以保持準(zhǔn)靜態(tài)。這可以通過兩種不同的控制方案來實(shí)現(xiàn)。在第一種情況下，加熱和冷卻的平衡可被保持成隨時(shí)間推移的設(shè)定配方，可旋轉(zhuǎn)基座13以與固體/液體界面位置進(jìn)行反饋的方式移動(dòng)以維持準(zhǔn)靜態(tài)情況。在一些實(shí)施方式中，可旋轉(zhuǎn)基座13可以根據(jù)固定的時(shí)間表向下移動(dòng)，并且可以使加熱器8和/或冷卻塊9進(jìn)入與固體/液體界面位置的反饋中，以保持給定的位置。
[0130]雖然硅被凝固，但在加熱裝置8和冷卻裝置9之間的熱通量的差值可以被保持為等于凝固硅的融化熱的熱通量。以這種方式，整個(gè)橫截面可以同時(shí)凝固，諸如以維持非常平坦的凝固線31的方式凝固。凝固線31可以是平坦的，在縱向方向5上在小于約15mm內(nèi)，如小于約5mm，或小于約1mm。在一些實(shí)施方式中，較大的撓度可以例如與較慢的生長速率使用，以保持無位錯(cuò)的生長。
[0131]任何額外的由周界加熱器26誘導(dǎo)的熱量可以通過激活周界的冷卻器30或者通過以上討論的一個(gè)或多個(gè)局部溫度控制機(jī)構(gòu)來抵消。
[0132]一旦錠的主體已經(jīng)凝固到所期望的高度，該高度可以是，例如，最多不超過1.5米，液態(tài)硅的供給就可以停止，并且液體層32以受控的方式凝固。特別注意以避免液體由固體和樹突狀結(jié)構(gòu)捕獲。當(dāng)錠的頂表面凝固時(shí)候，由于輻射系數(shù)急劇變化，因此固體區(qū)域比液體輻射顯著更多的熱量。沒有補(bǔ)償調(diào)整，剩余的液體將開始進(jìn)行冷卻(undercooled)，并且可以開始以樹枝狀的方式凝固，從而可以在捕獲的液體產(chǎn)生更高水平的應(yīng)力。例如通過從中心向外到角部的移動(dòng)或者從角部到中心的移動(dòng)，有可能在該階段過程中增加來自上方的加熱，以抵消較高的從最近凝固材料輻射的熱通量并保持有序尾部至凝固。在一些實(shí)施方式中，在這個(gè)部分期間可減少任何邊緣冷卻，并且可增加邊緣加熱。
[0133]在這一點(diǎn)上，錠可冷卻到接近室溫，并從爐中取出?？煞湃胄碌淖丫?，并且工藝可以重新開始。
[0134]設(shè)備和工藝有若干有利的特征。最重要的是可以獲得高純度的錠。一旦熔化的原料被輸送，除了在表面上輸送的新鮮的、高純度氬氣以外，熔化的原料將在任何點(diǎn)不接觸任何非硅材料。沒有坩禍意味著晶體中的污染物含量(特別是氧和鐵)可以顯著低于在直拉法和多晶晶體生長方法中發(fā)現(xiàn)的污染物含量。清掃表面的新鮮的氬氣供給應(yīng)有助于使存在于原料中的氧的大部分消失。這種高純度會(huì)導(dǎo)致增加少數(shù)載流子壽命和提高太陽能電池的效率水平。
[0135]在一些實(shí)施方式中，來自錠底部的均勻、單向的排熱使具有數(shù)個(gè)塊(至少兩個(gè)塊，更優(yōu)選4-16塊)的橫截面的錠能凝固，并行生長4-16CZ當(dāng)量的錠。由于在這個(gè)工藝中沒有顆粒，連同使應(yīng)力集中最小化的平坦的熱梯度，在約0.5 mm/分鐘至約2mm/分鐘的范圍中的線性生長速率，生長錠不涉及坩禍接觸，并保持單晶體結(jié)構(gòu)。
[0136]在這個(gè)工藝中顆?？刂埔彩怯欣?。如果小的外來顆粒到達(dá)液體表面，則表面張力可以將它們保持在那里。通常地，馬蘭哥尼(Marangoni)對(duì)流將沿表面向固體/液體界面(即最冷點(diǎn))推動(dòng)這些顆粒，而在硅外周中的感應(yīng)電流的存在應(yīng)保持這些漂浮的顆粒在液體的中央，直到它們?nèi)芙庥诠柚小Ｒ赃@樣的方式，這些顆粒可以增加液體中溶解的雜質(zhì)水平，但不應(yīng)該引起單晶結(jié)構(gòu)的更嚴(yán)重的破壞。
[0137]關(guān)于位錯(cuò)，可以相信的是，本發(fā)明的方法能生產(chǎn)具有低水平的位錯(cuò)、甚至無位錯(cuò)的材料的錠。而且，通過在錠的結(jié)晶過程中控制相界的形狀，可以確保相界基本上是平坦的。它顯示小于5mm的彎曲度。特別是，在整個(gè)至少156mm X 156mm的區(qū)域上它顯示出小于5mm的彎曲度。這也可以從晶片看出。根據(jù)錠的表面上并因此在晶片的表面上可見的條紋可特別觀察、測量并重建相界的彎曲度或撓度。這種條紋可以通過橫向光電壓掃描進(jìn)行測量。
[0138]通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)的晶片可以使得晶片的硅可具有小于約5X 116原子/cm3的填隙氧含量，如小于約7X 117原子/cm3的填隙氧含量，并具有小于約I X 115原子/cm3的氮含量。這包括單氮原子、氮二聚體N-N和由兩個(gè)氮原子和一個(gè)氧原子組成的三聯(lián)體Ν-Ν-0。
[0139]在一些實(shí)施方式中，通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)的晶片可具有任何期望尺寸的正方形的橫截面或偽正方形的橫截面，例如具有L形摻雜條紋(S卩，NGM錠的1/4)的10mm至200mm的正方形或偽正方形晶片，例如，其中L形摻雜條紋圍繞晶片的一個(gè)角部同心。
[0140]在一些實(shí)施方式中，通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)的晶片可以是具有任何期望尺寸的正方形的橫截面或偽正方形的橫截面的無位錯(cuò)晶片，例如具有非中心對(duì)稱的摻雜條紋的10mm至200mm正方形或偽正方形晶片。
[0141]在一些實(shí)施方式中，通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)的晶片可具有任何期望尺寸的正方形的橫截面或偽正方形的橫截面，例如10mm至200mm正方形或偽正方形晶片，所述晶片是摻鎵的，具有小于約5 X 116原子/cm3的填隙氧含量，例如小于約7 X 117原子/cm3的填隙氧含量，以及不與晶片中央附近的點(diǎn)同心的摻雜條紋。
[0142]在一些實(shí)施方式中，通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)的晶片可具有任何期望尺寸的正方形的橫截面或偽正方形的橫截面，例如10mm至200mm的正方形或偽正方形晶片，所述晶片是摻鎵的，具有小于約5X 116原子/cm3的填隙氧含量，如小于約7X 117原子/cm3的填隙氧含量，以及在晶片的一個(gè)角部集中的同心的摻雜條紋(任選含有在從約11到約104/cm2的范圍內(nèi)的位錯(cuò)密度)。
[0143]在一些實(shí)施方式中，通過本發(fā)明的方法生產(chǎn)的晶片的位錯(cuò)密度可在約10至約1000位錯(cuò)/cm2的范圍內(nèi)。這樣的晶片的填隙氧含量也可以小于約5 X 116原子/cm3，如小于約7 X117原子/cm3，并且具有小于約I X 115原子/cm3的氮含量。
[0144]根據(jù)本發(fā)明，錠大到足以將它們分成四個(gè)單獨(dú)的軸向定向的列，晶片可從列切割。由于錠的條紋以及其它結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)相對(duì)于錠的中心縱向軸線示出了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因而將錠分成四列將導(dǎo)致正方形晶片，晶片的性質(zhì)相對(duì)于它們的對(duì)角線中的一個(gè)顯示鏡面對(duì)稱性，尤其是在晶片上的條紋和在晶片上的電阻率相對(duì)于晶片的對(duì)角線中的一個(gè)可以顯示這樣的對(duì)稱性。
[0145]此外，由于相邊界的彎曲導(dǎo)致跨越該錠的橫截面面積的比電阻的變化，因此從錠切割晶片，從按照根據(jù)本發(fā)明的方法產(chǎn)生的錠切割的晶片具有跨越其表面的低變化性的比電阻。如果晶片的表面被分為四個(gè)四等分(quarters)，則在至少三個(gè)四等分上，尤其在整個(gè)表面上，跨越晶片的表面的比電阻的變化可以小于約5%，例如小于約3%。比電阻可在從約I Ω cm至約5 Ω km的范圍內(nèi)，或在從約1.5 Ω cm至約3 Ω cm的范圍內(nèi)。因此，在至少三個(gè)四等分，如在所有四個(gè)四等分的電阻率的變化小于約0.25 Ω cm，如小于約0.1 Ω cm，或小于約
0.06 Ω cm。
[OH6] 晶片的尺寸可大于約(140mm)2，或大于約(I 56mm)2，或大于約(I 80mm)2，或大于約(200mm)2，或大于約(250mm)2，或大于約(300mm)2。
[0147]在一些實(shí)施方式中，液體高度、體積和位置相對(duì)于加熱器和/或絕緣體都是基本上不變的。例如，為了在整個(gè)處理過程中保持準(zhǔn)靜態(tài)熱梯度，當(dāng)冷卻塊下降時(shí)冷卻塊的溫度可穩(wěn)定地減小。此外，為了最大限度地提高處理的穩(wěn)定性，以最低限度干擾液體表面的方式并且盡可能地在連續(xù)的流中引入原料液是很重要的。由于不變的熔體體積，在生長錠的主要部分中可以不存在軸向的摻雜劑濃度的變化。因此，錠沿其軸線具有恒定的，即均勻的摻雜劑濃度。
[0148]在美國專利申請公開N0.2014/0030501和N0.2012/0235454，以及美國專利申請序列N0.14/058708中描述了裝置I和它的部件中的一些的替代實(shí)施方式的下列進(jìn)一步的細(xì)節(jié)，上述申請中個(gè)每一個(gè)其公開的全部內(nèi)容通過引用并入本文。
[0149]通過參考以下實(shí)施例進(jìn)一步說明前述內(nèi)容，實(shí)施例被呈現(xiàn)用于說明的目的并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。
[0150]實(shí)施例
[0151]實(shí)施例1:下面的實(shí)施例描述具有L形摻雜條紋的100mm-200mm正方形或偽正方形晶片的制備。
[0152]首先提供由一件或多件結(jié)晶材料構(gòu)成的籽晶層。籽晶層的尺寸是要制備的晶片的尺寸的四至九倍。這里，也可以使用340mm方形的并具有適當(dāng)?shù)暮穸鹊淖丫О?。籽晶層具有將在新形成的錠中復(fù)制的晶體結(jié)構(gòu)(例如，單晶或具有一些有利晶體分布的多晶)。為了此實(shí)施例的目的，描述單晶籽晶的使用。籽晶層的平底被放置在晶體生長爐中的平坦支撐板上，晶體生長爐除了高純度的原料源以外還具有來自下方的排熱器和上方的加熱器。然后將500克高純度硅放置在籽晶層的頂部。抽空爐中的空氣，并用氬氣回充。接下來，共同地提高加熱器的功率和增大來自底部的排熱以在籽晶層上產(chǎn)生近似正方形的熱場。在籽晶層上熔化熔池的過程中熔化500克硅。也可以熔化籽晶的頂部的一些。熔池的邊緣由在籽晶層的熔點(diǎn)的等溫線定義，等溫線形狀符合前面所述的熱場。通過加熱器功率的管理使熔池的邊緣接近籽晶的邊緣。熔池用雜質(zhì)摻雜以在所得固體中產(chǎn)生的所期望的電阻率。
[0153]當(dāng)熔池被熔化成穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，從上方的源開始原料的流動(dòng)。然后，從管中提供熔化的原料，但在某些情況下也可以提供固態(tài)原料。通過加入更多的液體材料，液體熔池的高度增加并且在熔池邊緣的切線更接近90度。在液體熔池在邊緣足夠垂直的點(diǎn)處，減少來自上方的加熱和增大來自下方的冷卻，從而使液體凝固?？刂萍訜崞鞴β室跃S持液體熔池的高度標(biāo)稱恒定，并控制向下運(yùn)動(dòng)的速率以保持固液界面的垂直位置在小范圍內(nèi)。在生長首先的一厘米或兩厘米之后，可以控制液體熔池，使得它的切線為越過垂直線10度(+/-2度)，從而在生長錠上產(chǎn)生垂直壁。來自加熱器的熱場是晶體形狀的主要決定因素，晶體形狀是標(biāo)稱正方形。摻雜劑以稍微不同的速率摻入硅，該速率精確地取決于熔池高度、提拉速率和在液體中的對(duì)流。在生長25cm后，停止原料的流動(dòng)，稍微移動(dòng)離開供應(yīng)管并凝固熔池中剩余的液體，并保持頂部加熱器和底部的冷卻。使用最大限度地減少殘留應(yīng)力的配方冷卻錠。然后將錠從爐中取出并切成四個(gè)具有每邊156mm的正方形橫截面的垂直塊。如果偽正方形是期望的，則如果需要的話可以將角部研磨下來。塊然后可置于線鋸中，在這里它們被切成晶片。每個(gè)晶片包含在它凝固時(shí)摻入的條紋。這些條紋在錠中形成三維表面。晶片包括這些表面的切片，其可利用局部電阻率的靈敏電氣測量可視化。激光光電壓譜(LPS)可被用于使這些條紋成像。條紋反映加熱器的方形熱場，所以諸如在切割的晶片中，在水平橫截面完成后每個(gè)塊(從晶錠的角部切割的)包括成組的L形條紋。通常地，條紋會(huì)是圍繞位于錠的中心的塊的角部同心的成組的嵌套L形帶。在9個(gè)塊的錠中，九個(gè)塊中的四個(gè)都會(huì)有這個(gè)特征。
[0154]實(shí)施例2:下面的實(shí)施例描述了具有從約11位錯(cuò)/cm2至約14位錯(cuò)/cm2的范圍內(nèi)的位錯(cuò)以及小于7 X 117原子/cm3的氧和小于I X 115原子/cm3的氮的晶片的制備。
[0155]如實(shí)施例1用籽晶層開始，但是在這個(gè)實(shí)施例中，籽晶層具有額外的處理。籽晶由無位錯(cuò)的單晶制成，并在層中僅具有一個(gè)。籽晶被切割，底面具有非常高的平坦度，并且可以針對(duì)額外的平整度被研磨。它也被蝕刻到來自切割加工的所有表面損傷被去除的深度(通常大于50微米)。籽晶被放置在具有相似的高平坦度的籽晶支架(用于本實(shí)施例的目的，其是石墨)上，使得兩個(gè)表面具有跨越基本上整個(gè)表面的良好接觸。這些層之間應(yīng)該沒有小片碎片或顆粒物。少量的額外的原料可以被放置在頂部，優(yōu)選是具有寬的、平坦的底表面。如上所述，籽晶被加熱，但在本實(shí)施例中，溫度以使得通過籽晶的凈熱梯度小于約40K/cm的方式傾斜上升。在籽晶的頂面上保持高純度氬氣的強(qiáng)力吹掃，以防止表面與反應(yīng)性氣體反應(yīng)。如之前所述熔化籽晶和如之前所述開始液體流。錠的生長速率通常不超過1.5mm/分鐘，以避免枝晶的形成。在爐中不存在氮，并且錠和熔化熔池與石英的唯一接觸是通過部分地浸沒饋送管。之后在錠中在籽晶表面或在邊緣可引入一些錯(cuò)位，但這些錯(cuò)位不繁衍成錯(cuò)位倍增。相反，它們單獨(dú)向上長大，直到它們碰到外表面位置。原料可具有某些濃度的來自與熔爐和熔體管接觸的石英的氧，但是被氬沖刷的大的液體表面區(qū)域有效地減小氬至低于7X 117原子/cm3的水平。如實(shí)施例1所述，將錠凝固，冷卻，并處理。通過諸如傅立葉變換紅外光譜(FTIR)之類的方法在晶片上測量氧，其水平范圍為從I X 117原子/cm3至5 X 117原子/cm3，水平低于I X 117也是可行的。在制備的錠中，通過FTIR檢測不到氮(即低于I X 115原子/cm3)，但I(xiàn) X 114原子/cm3的范圍內(nèi)的痕跡量級(jí)可通過二次離子質(zhì)譜(S頂S)進(jìn)行測定。位錯(cuò)密度通過晶片的缺陷蝕刻接著用顯微鏡對(duì)蝕刻坑密度計(jì)數(shù)進(jìn)行測量，其中通常觀察到11至14范圍內(nèi)的水平。
[0156]實(shí)施例3:本實(shí)施例描述具有非中心對(duì)稱的摻雜條紋的無位錯(cuò)的100mm-200mm的正方形或偽正方形晶片的制備。
[0157]如實(shí)施例2中所描述的進(jìn)行籽晶制備和晶體生長。進(jìn)行籽晶蝕刻以從所有面去除高達(dá)100微米，并在爐內(nèi)進(jìn)行氣體吹掃。除了吹掃液體表面頂部以外，籽晶的側(cè)面也用氬氣吹掃，排出的吹掃氣體(含有S1)從熱區(qū)通過受控路徑排空，以防止在硅附近S1和CO的再循環(huán)。此外，在硅的附近的部件中的材料，特別是在硅的上方的部件中的材料，被指定具有惰性表面。例如，所有石墨涂布用通過化學(xué)氣相沉積(CVD)施加的硅碳化物層包覆，且任何絕緣表面用CVD涂層覆蓋或者用薄的被包覆的石墨片覆蓋。以這種方式，阻止即使很小的外來材料顆粒摻入熔體。使用較少量的原料(例如200克)用于初始熔池的形成，從而在所述片的熔化時(shí)防止熔化熔池的突然膨脹。在整個(gè)晶體生長過程中利用額外的吹掃操作，繼續(xù)進(jìn)行錠的生長。在生長的結(jié)束，通過以受控的方式減小流率并減小直徑，在晶體上生長尾部。錐部的角度在10度和30度之間。以這種方式，如果縮小的熔化熔池經(jīng)歷第二相析出(例如S1-Ga)，則任何結(jié)構(gòu)的損失將被限制在尾部而不會(huì)向后延伸進(jìn)入錠的可形成晶片的部分。如前所述，塊被切割，用如實(shí)施例1所述的LPS觀察在晶片的一個(gè)角部(不居中)上大致居中的L形條紋。晶片的位錯(cuò)蝕刻顯示在晶體生長的過程中沒有摻入位錯(cuò)，從而產(chǎn)生無位錯(cuò)的材料。
[0158]實(shí)施例4:圓形NGM
[0159]本實(shí)施例描述產(chǎn)生具有小于7X 117原子/cm3的氧和集中在晶片的角部的同心摻雜條紋的100mm-200mm正方形或偽正方形晶片的實(shí)驗(yàn)(不包括450mm CZ)。利用由一片或多片結(jié)晶材料構(gòu)成的籽晶層開始。籽晶層的尺寸是將制備的晶片的尺寸的四至九倍。在這個(gè)實(shí)施例中使用具有適當(dāng)厚度的直徑450_的圓形橫截面的籽晶板。籽晶層具有晶體結(jié)構(gòu)(例如，單晶的或多晶的，其具有有利的晶體分布)，該晶體結(jié)構(gòu)將在新形成的錠中復(fù)制。在此實(shí)施例中，描述單晶籽晶的使用。籽晶層的平底被放置在晶體生長爐中的平坦支撐板上，晶體生長爐除了高純度的原料源以外還具有來自下方的排熱器和上方的加熱器。然后將500克高純度硅放置在籽晶層的頂部。抽空爐中的空氣，并用氬氣回充。接下來，共同地提高加熱器的功率和增大來自底部的排熱以在籽晶層上產(chǎn)生近似圓形的熱場。在達(dá)到熔點(diǎn)之前的某個(gè)時(shí)刻，啟動(dòng)保持籽晶板的基座的旋轉(zhuǎn)。在籽晶層上熔化熔池的過程中熔化500克硅(籽晶的頂部的一些也被熔化)。熔池的邊緣由在籽晶層的熔點(diǎn)的等溫線定義，并且其形狀符合前面所述的熱場，通過旋轉(zhuǎn)輔助其圓形度。通過控制加熱器功率使熔池的邊緣接近籽晶層的邊緣。對(duì)于此實(shí)施例，初始熔池被熔化，使得其略高于籽晶的邊緣。熔池用雜質(zhì)摻雜以在所得固體中產(chǎn)生所期望的電阻率。
[0160]當(dāng)熔池被熔化成穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，從上方的源開始原料的流動(dòng)。然后，從管中提供熔化的原料(但在某些情況下也可以提供固態(tài)原料)。通過加入更多的液態(tài)材料，液體熔池的高度增加并且在熔池邊緣的切線更接近90度。在液體熔池在邊緣足夠垂直的點(diǎn)處，減少來自上方的加熱和增大來自下方的冷卻，從而使液體凝固?？刂萍訜崞鞴β室跃S持液體熔池的高度標(biāo)稱恒定，并控制向下運(yùn)動(dòng)的速率以保持固液界面的垂直位置在小范圍內(nèi)。在生長首先的一厘米或兩厘米之后，控制液體熔池，使得它的切線為越過垂直線10度(+/-2度)，從而在生長錠上產(chǎn)生垂直壁。來自加熱器的熱場是晶體形狀的主要決定因素，晶體形狀是標(biāo)稱圓形。摻雜劑以稍微不同的速率摻入硅，該速率精確地取決于熔池高度、提拉速率和在液體中的對(duì)流。在生長25cm后，停止原料的流動(dòng)，稍微移動(dòng)離開供應(yīng)管并凝固熔池中剩余的液體，并保持頂部加熱器和底部冷卻。使用最大限度地減少殘留應(yīng)力的配方冷卻錠。然后將錠從爐中取出并切成四個(gè)具有每邊156mm的正方形橫截面的垂直塊。如果偽正方形是期望的，則如果需要的話可以將角部研磨下來。塊然后可置于其中它們可以被切成晶片的線鋸中。每個(gè)晶片包含在它凝固時(shí)摻入的條紋。這些條紋在錠中形成三維表面。晶片包括這些表面的切片，其可利用局部電阻率的靈敏電氣測量可視化。激光光電壓譜(LPS)可被用于使這些條紋成像。條紋反映加熱器的圓形熱場，所以諸如在切割的晶片中，在水平橫截面完成時(shí)每個(gè)塊(從晶錠的角部切割的)包括成組的弧形條紋。通常，觀察到的條紋是圍繞位于錠的中央的塊的角部同心的成組的嵌套四分之一圓周帶。在生產(chǎn)的9個(gè)塊的錠中，九個(gè)塊中的四個(gè)都會(huì)有這個(gè)特征，而另外四個(gè)將具有偏離邊緣的中央的圓弧形的部分。
[0161]實(shí)施例5:該實(shí)施例描述了如何制備在晶片的角部具有居中的同心摻雜條紋并包含1Vcm2和104/cm2之間的位錯(cuò)密度的100mm-200mm正方形或偽正方形晶片。
[0162]要做到這一點(diǎn)的技術(shù)類似于前面的實(shí)施例，其中制備約450mm直徑和20-50cm的錠。一些分散的位錯(cuò)可以摻入晶體中，但由于熱梯度和固液界面的曲率的控制，在此實(shí)施例中，這些位錯(cuò)不會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)倍增以及最終的結(jié)構(gòu)損失。相反，在晶片中觀察到低到中等的位錯(cuò)密度(例如，通過選擇性蝕刻缺陷)，而摻雜條紋反映塊的位置作為整體晶體的四分之一。
[0163]實(shí)施例6:本實(shí)施例描述了生產(chǎn)具有小于7X117原子/cm3的氧和不居中于晶片的中央附近的點(diǎn)的摻雜條紋的摻鎵的、100mm-200mm正方形或偽正方形晶片的方法。這里，使用類似于實(shí)施例1-5的晶體生長方法，其中錠從熔池形成，熔池從頂部饋送并從底部向上冷凍。在初始熔池中，包括一定量的鎵。這可以通過在籽晶的頂部上放置少量的高純度鎵(如100毫克)來進(jìn)行。鎵會(huì)融化并坐落在硅的頂部，直到硅本身融化，到時(shí)它將非常均勻地混合。因?yàn)殒壴谝簯B(tài)硅中比在固態(tài)硅中具有高得多的溶解度，因此只要小部分的鎵部分進(jìn)入固體，就產(chǎn)生非常均勻的軸向濃度分布。在從硅錠切割塊和硅片之后，鎵的濃度可以通過氣體放電質(zhì)譜法或電感耦合等離子體質(zhì)譜法測量，氧通過紅外光譜測量，摻雜條紋通過LPS測量。
[0164]盡管前面的描述在此已經(jīng)通過參考特定的裝置、材料和實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并不旨在限于本發(fā)明公開的細(xì)節(jié);相反，它延伸到例如在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)的所有功能上等同的結(jié)構(gòu)、方法和用途。此外，盡管以上已經(jīng)詳細(xì)地描述了僅若干示例性實(shí)施方式，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解在不脫離用于生產(chǎn)硅錠的裝置和方法的本公開內(nèi)容的情況下，在示例性實(shí)施方式中許多修改是可行的。因此，所有這些修改都旨在被包括在隨附權(quán)利要求中所限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在權(quán)利要求中，裝置加功能的條款旨在覆蓋本說明中所描述的結(jié)構(gòu)為執(zhí)行所述功能，并不僅是結(jié)構(gòu)等同物，也是等效結(jié)構(gòu)。因此，盡管因?yàn)獒斪邮褂脠A柱表面來將木制零件固定在一起，而螺釘在固定木制部件的環(huán)境中使用螺旋表面，所以釘子和螺釘可以不是結(jié)構(gòu)等同物，但是釘子和螺釘可以是等效結(jié)構(gòu)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于生產(chǎn)錠的設(shè)備，其包括: 室，其提供可控的氣氛，其中所述室具有在縱向方向上彼此隔開的頂部和底部； 可旋轉(zhuǎn)支撐件，其用于支承籽晶層，其中所述可旋轉(zhuǎn)支撐件相對(duì)于所述室在所述縱向方向上能移動(dòng)， 至少一個(gè)裝置，其用于控制在所述室中的給定的生長體積(Vcr)中的溫度場，其中，所述溫度場具有在所述縱向方向上的溫度梯度，以及 饋送裝置，其用于將材料可控地饋送到所述籽晶層上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于控制所述溫度場的所述至少一個(gè)裝置包括布置在用于所述籽晶層的所述可旋轉(zhuǎn)支撐件上方的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于控制所述溫度場的所述至少一個(gè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的能移動(dòng)的絕緣件或熱屏蔽件。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于控制所述溫度場的所述至少一個(gè)裝置包括布置在用于所述籽晶層的所述可旋轉(zhuǎn)支撐件附近的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于控制所述溫度場的所述至少一個(gè)裝置包括布置在用于所述籽晶層的所述可旋轉(zhuǎn)支撐件上方的至少一個(gè)頂部加熱裝置，其中所述頂部加熱裝置被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生具有在垂直于縱向方向的方向上的溫度梯度的溫度場。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中用于控制所述溫度場的所述至少一個(gè)裝置包括至少一個(gè)冷卻裝置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中至少一個(gè)冷卻裝置包括布置在用于所述籽晶層的所述可旋轉(zhuǎn)支撐件附近的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少一個(gè)冷卻裝置包括布置成用于所述籽晶層的所述可旋轉(zhuǎn)支撐件下方的至少一個(gè)底部冷卻裝置。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備是無坩禍的。10.—種用于生產(chǎn)錠的方法，其包括: 提供一種設(shè)備，該設(shè)備包括: 室，其用于提供可控的氣氛， 至少一個(gè)裝置，其用于控制在所述室內(nèi)的給定生長體積(Vcr)中具有在縱向方向上的溫度梯度的溫度場， 可旋轉(zhuǎn)支撐件，其用于籽晶層，所述可旋轉(zhuǎn)支撐件在所述室內(nèi)在所述縱向方向上能移動(dòng)，以及 可控饋送裝置，其用于提供原料； 提供籽晶層在所述可旋轉(zhuǎn)支撐件上，其中所述籽晶層具有預(yù)定的橫截面面積； 移動(dòng)所述可移動(dòng)支撐件，使得所述籽晶層位于所述生長體積(Vcr)內(nèi)的預(yù)定位置上； 在所述生長體積(Vcr)內(nèi)產(chǎn)生具有預(yù)定的垂直溫度梯度的溫度場； 提供熔化的硅的初始層以基本上覆蓋所述籽晶層； 在使液體原料層凝固時(shí)旋轉(zhuǎn)并下降所述可旋轉(zhuǎn)支撐件，以形成具有橫截面面積的錠；以及 添加更多的來自所述饋送裝置的液體原料。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在所述可旋轉(zhuǎn)支撐件旋轉(zhuǎn)和下降時(shí)，將所述錠和原料的液體層之間的相界保持基本上靜止。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中在所述可旋轉(zhuǎn)支撐件旋轉(zhuǎn)和下降時(shí)，連續(xù)地供給原料。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述籽晶層的所述預(yù)定的橫截面面積的平均直徑比所述錠的橫截面面積的平均直徑小。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述籽晶層的預(yù)定的橫截面的平均直徑比所述錠的橫截面的平均直徑小至少約5%。15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述籽晶層的預(yù)定的橫截面的平均直徑比所述錠的橫截面的平均直徑大。16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述籽晶層的預(yù)定的橫截面的平均直徑比所述錠的橫截面的平均直徑大至少約5%。17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其還包括獨(dú)立地控制錠的外周上的位置的生長行為。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述錠的外周的所述生長行為通過布置在所述的邊緣附近的快速升溫或冷卻的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的加熱器控制，以在所述錠旋轉(zhuǎn)時(shí)通過所述加熱器提供對(duì)所述外周的不同部分的相界調(diào)節(jié)。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述錠的所述外周的所述生長行為通過將一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立地能移動(dòng)的絕緣件或熱屏蔽件布置在所述錠的所述外周上的一個(gè)或多個(gè)位置附近來控制，以當(dāng)所述外周的不同部分經(jīng)過移動(dòng)部件時(shí)快速改變它們的輻射視角系數(shù)。20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述錠的所述外周的所述生長行為通過布置供給定向在凝固的錠和原料的液體層之間的相界或該相界的附近的冷卻氣體或過熱氣體的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立受控的氣體入口來控制，并且其中氣體噴射流的強(qiáng)度能夠響應(yīng)于當(dāng)所述錠旋轉(zhuǎn)通過時(shí)在所述錠的所述外周上測得的信號(hào)快速改變。
【文檔編號(hào)】C30B29/06GK105862124SQ201610082305
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發(fā)明人】內(nèi)森·斯托達(dá)德, 卡羅爾·墨菲, 托馬斯·庫拉施, 比約恩·塞佩爾
【申請人】太陽世界工業(yè)美國有限公司