用於單晶矽連續生長的系統的製作方法
2023-05-10 16:32:41
專利名稱：用於單晶矽連續生長的系統的製作方法
技術領域：
相關申請本專利申請要求享有在2004年2月27日提交的美國專利申請No.10/789,638的權益。
本發明領域一般涉及通過Czochralski(CZ)技術生長矽晶體。具體地，本發明領域涉及基於Czochralski法改進的連續和快速生長超純、高少數載流子壽命單晶矽的系統和方法。
背景技術：
參考圖1A和1B，為了可用於製作半導體電子元件，矽必須形成為大的(約10-30cm直徑)、幾乎無缺陷的單晶，這是由於晶界以及其它晶體缺陷使器件性能降低。需要先進的技術以獲得這種高質量的單晶。參考圖1A和1B，為了可用於製作半導體電子元件，矽必須形成為大的(約10-30cm直徑)、幾乎無缺陷的單晶，這是由於晶界以及其它晶體缺陷使器件性能降低。需要先進的技術以獲得這種高質量的單晶。參考圖1A和1B，為了可用於製作半導體電子元件，矽必須形成為大(約10-30cm直徑)、幾乎無缺陷的單晶，這是由於晶界以及其它晶體缺陷使器件性能降低。需要先進的技術以獲得這種高質量的單晶。這些晶體可以通過Czochralski(CZ)技術或浮區(FZ)法形成。
參考圖1A和1B，在常規的CZ技術中，多晶矽片首先在生長室102內部的熔融石英坩堝100中在剛好高於矽的熔點1412℃的溫度下在惰性氣氛(通常為氬)中熔融。然後將具有所需晶體取向的高質量籽晶101通過提拉室106下降到熔體122中同時旋轉。坩堝100同時反方向旋轉，以促使熔體中的混合和使溫度不均勻最小化。部分籽晶溶解到熔融矽中，以去除被玷汙(strained)的外部以及暴露新的晶體表面。然後通過晶體提拉機構108從熔體122緩慢抬升或提拉籽晶。當籽晶上升時，它冷卻並且來自熔體的材料粘附於它，因此形成較大的晶體或錠103。在生長期間維持的小心控制的條件下，新矽原子使已經固化物質的晶體結構延伸。通過常規反饋機制控制提拉速度和溫度獲得所需的晶體直徑。以這種方法製造矽的圓柱形單晶錠。然後通過晶體提拉機構108緩慢從熔體122抬升或提拉籽晶。當籽晶上升時，它冷卻並且來自熔體的材料粘附於它，因此形成較大的晶體或錠103。在生長期間維持的小心控制的條件下，新矽原子使已經固化物質的晶體結構延伸。通過常規反饋機制控制提拉速度和溫度獲得所需的晶體直徑。以這種方法製造矽的圓柱形單晶錠。
然後通過晶體提拉機構108緩慢從熔體122抬升或提拉籽晶。當籽晶上升時，它冷卻並且來自熔體的材料粘附於它，因此形成較大的晶體或錠103。在生長期間維持的小心控制的條件下，新矽原子使已經固化物質的晶體結構延伸。通過常規反饋機制控制提拉速度和溫度獲得所需的晶體直徑。以這種方法製造矽的圓柱形單晶錠。
發明內容
技術問題當利用布置在坩堝垂直壁周圍的加熱器元件在典型窄直徑、高寬度、高長寬比坩堝100中加熱熔融矽122的高溫裝料(charge)時，在常規CZ方法中出現了問題。驅使熱通過坩堝壁以加熱裝料在坩堝上產生應力並且縮短其使用壽命。在每一個生長循環之後，殘留在坩堝底部的熔融矽固化並且擴張到一定程度，以致可以使坩堝破裂。因此，在常規CZ方法中，坩堝通常是一次性使用的製品。
矽必須持續加熱以在坩堝中保持熔融。因此，參考圖1B，在具有圍繞坩堝垂直壁布置的加熱器118的常規高長寬比、窄直徑CZ坩堝100中，貫穿熔體的溫度分布的特徵在於，在坩堝的熱壁和如109所示熔體/晶體界面處的固化區中晶體中心最冷點之間存在高的熱梯度和大的溫度差。因此，橫跨熔體/晶體界面處的固化區存在明顯的徑向溫度梯度以及對流速度梯度，並且鄰接壁的區域被加熱到所不希望的高溫並附帶有過高的對流速度以及熱擾動。這種條件對高質量無缺陷晶體的最大提拉速度而言不是最佳的。為了以更快的速度生長更高質量的矽，需要不同的坩堝以及加熱器設計，以在熔體/晶體界面107處的固化區中提供具有最小化的熱梯度和對流速度梯度的均勻溫度分布。
常規CZ生長的矽與理想的單晶矽不同，這是由於它包括在製作集成電路器件或高轉換效率太陽能電池中所不希望的缺點或缺陷。在固化之後晶體冷卻時，在晶體生長室中形成單晶矽中的缺陷。缺陷通常分為點缺陷或團聚體(三維缺陷)。點缺陷有兩大類型空位點缺陷和填隙點缺陷。
在空位點缺陷中，矽晶格中矽原子從它的一個正常位置上缺失。這種空位產生點缺陷。
當在矽晶體中發現矽原子在非晶格位置(填隙位置)時，出現填隙點缺陷。如果單晶矽內這種點缺陷的濃度達到臨界飽和水平，以及如果點缺陷的遷移率足夠高，則會發生反應或團聚事件。
在常規CZ方法中，點缺陷通常在矽熔體和固態矽之間的界面處形成。這種缺陷的出現部分是由於晶體周圍的熱擾動，該熱擾動是由對流以及不能夠精密控制和或維持最佳溫度分布而產生，特別是在晶體/熔體界面處的固化區中。
因此，需要具有多個獨立加熱區的改進加熱系統，以有助於控制晶體形成速度和缺陷密度。而且，這種結構應該基本消除導致形成點缺陷的對流以及熱擾動。還希望使在生長期間照射晶體的輻射能最小，允許更快的晶體冷卻和更高的提拉速度。在常規CZ方法中，最熱的表面是沒有浸沒到熔體中的部分坩堝壁。高長寬比坩堝使得該表面緊密靠近冷卻錠，很大程度上通過輻射加熱抑制了錠的最佳冷卻。
常規CZ生長矽的另一個問題是，它含有大量的氧。這是由於典型高長寬比、窄直徑坩堝的組成和結構，其中對流擦洗坩堝壁並且將雜質輸送到熔體中並最終到達晶體本身。對流將氧加入到由容納熔融矽的坩堝壁上熔融石英(二氧化矽)的緩慢溶解而產生的熔體中。將氧引入到熔體中會導致最終晶體中的缺陷。
在光電以及其它應用中，矽中的高氧含量不利地影響少數載流子壽命和大大降低性能，並且在光電器件中降低轉換效率。
因此，需要可以使氧向熔體中的引入最小化以及提供以高的少數載流子壽命為特徵的基本無氧矽的坩堝設計，用於光電和其它應用。對坩堝使用特殊塗層或材料會使坩堝抵抗由於熔融矽而引起的破壞，但是當前這並不切實可行，因為坩堝是一次性使用的製品並且在每一次使用後的冷卻期間被未使用的矽的固化所損壞。
因此，還需要新的坩堝設計，這種設計能夠使可用坩堝壽命延長，經過許多操作循環而沒有損壞，因此可使得潛在較高費用的惰性坩堝表面變得經濟可行。
常規CZ方法的其它問題是，不能夠控制橫跨熔體以及橫跨所產生晶體的摻雜劑濃度。對於許多集成電路工藝，所需摻雜劑密度被加入矽中。這樣的摻雜劑濃度是通過將小心控制的少量所需摻雜劑元素例如硼或磷結合到熔體中來獲得的。為了精確控制，通常將少量重摻雜矽加入到未摻雜熔體中。在矽的提拉晶體中摻雜劑濃度通常小於熔體中摻雜劑濃度，這是由於當矽固化時摻雜劑從晶體中排出到熔體中。當晶體生長時這種偏析導致熔體中摻雜劑濃度不理想地增加。晶體的籽晶端因此不如尾端摻雜得重。
偏析效應還是包括溫度在內的條件的函數。因此通過固化區、晶體/熔體界面的非均勻溫度分布沿晶體半徑提供了不理想的摻雜劑濃度梯度以及伴隨的電阻率梯度。因此，還需要簡化的坩堝設計，該設計使偏析最小化並且使整個晶體的摻雜劑濃度以及電阻率能夠基本均勻。
技術解決方案為了克服常規CZ加工系統的上述缺點，本發明的一個方面提供用於連續晶體生長的系統，包括低長寬比、大直徑以及基本平坦的坩堝，該坩堝包括圍繞晶體的任選堰。大直徑、低長寬比坩堝基本消除對流並減少最終單晶矽錠中的氧含量。多個晶體提拉室相對於坩堝布置，使得當晶體生長完成時第一提拉室將完成的矽錠移出生長區以冷卻，後續提拉室移動來將新晶體定位於生長區中，因此消減了與冷卻晶體相關的時間並提供具有高生產量的連續晶體生長。
獨立的水平控制矽預熔化室為生長坩堝提供熔融矽的連續源。這有利地消除了在晶體提拉過程中對坩堝抬升系統以及生長坩堝垂直移動的需求，因此大大簡化了CZ晶體生長系統。應該理解的是，消除了對坩堝垂直移動以及坩堝抬升系統的需求使得除了圍繞垂直壁布置的加熱器元件之外，可控加熱器元件還能橫跨生長坩堝底部布置。
有利效果具有布置在底部的環形加熱器元件的低長寬比坩堝有利地提供熱分布，該熱分布的特徵在於在坩堝壁和熔體/晶體界面處的固化區中晶體中心最冷點之間的低熱梯度和小的溫度差。因此橫跨熔體/晶體界面處的固化區的徑向溫度梯度以及對流速度梯度明顯減少，從而提供通過熔體/晶體界面處的固化區的均勻和最佳條件。此外，與壁鄰接的區域不再被驅使到過高的溫度。因此，作為引起點缺陷主要原因的對流和熱擾動再次被最小化，從而有助於均勻和最佳的條件。
最小化對流還減少由擦洗石英坩堝壁而引入到熔體中的氧的量，使得能夠生長與利用常規CZ系統可能獲得的晶體相比具有更少缺陷和更低氧含量的晶體。錠生長期間來自獨立預熔化室的熔融矽連續流結合所需摻雜劑的加入使得能夠補償偏析並在生長的晶體中軸向(縱向)和徑向形成基本均勻的摻雜劑濃度。
在最終晶體中實現氧的減少以及其它雜質的減少和晶格中位錯的減少的優點特別是可用於為改進的、高轉換效率光電器件提供提高的少數載流子壽命。
低長寬比坩堝增加了沒有浸入熔體中的熱坩堝壁和冷卻錠之間的距離，從而減少輻射加熱並允許最佳地冷卻所述錠。
多個晶體提拉室關於坩堝可轉動或按序布置，這樣當第一單晶矽錠完成時第一提拉室將完成的矽錠移出生長區以冷卻，後續提拉室移動來將新晶體定位於生長區中。提拉室在生長區的順序定位實現了連續過程，消減了與冷卻每一個晶體和改變到新坩堝相關的時間，因此提供了用於高生產量的連續晶體生長的系統。由於在連續工藝中坩堝和熔體沒有冷卻和再加熱到熔融溫度，因此節省了相當的能量。而且，加熱器和坩堝周圍的大氣不對環境大氣開放，因此較少雜質和汙染物被引入在晶體提拉室中。
引入到熔體中的雜質，例如由坩堝內對流的擦洗作用而引入的，取決於矽在坩堝中的平均停留時間以及熔體和坩堝之間的接觸表面積，特別是坩堝的垂直壁的表面積。在本發明的一個方面，通過改進循環時間使停留時間最小化並通過最佳化的低長寬比坩堝設計使平均接觸面積最小化。應該理解的是，這些考慮將應用於預熔化器，使其尺寸以及停留時間和熔體接觸表面積最優化。
本發明的另一方面提供將熔體中溫度保持為約1420℃的增強的溫度控制，使得溫度在熔體和晶體之間具有最佳熱分布，從而加速晶體生長。為了在晶體和熔體之間的臨界界面處實現這種最佳熱分布，以輻射狀模式橫跨生長坩堝底部布置多個環形、獨立監控的加熱元件，儘可能靠近壁和生長坩堝底部。加熱元件利用主動反饋獨立控制，使得能夠快速熱響應並分配熱工作負荷，從而橫跨晶體和熔體之間以及晶體和坩堝壁之間的界面實現最佳熱分布。這還有助於改進坩堝壽命以及減少在最終單晶矽中的氧和其它雜質。
與常規CZ系統相比，生長坩堝不再是一次性使用的製品，而可以重複使用多個晶體生長循環。因此，接觸熔融矽的生長坩堝表面提供有相對於熔融矽為惰性的α或β碳化矽塗層或類似陶瓷塗層，進一步保護以防止熔體中引入氧。應該理解的是，由於類似的原因，預熔化器可以由這些有利材料來製作。
本發明上述方面有利地防止熔體中引入氧並提供能夠使用約10或更多次晶體生長運行的坩堝，同時實現具有提高的少數載流子壽命的基本上為浮區品質(float zonequality)的單晶矽產品。在最終矽晶體中實現的氧減少對於為諸如改進轉換效率光電器件的應用提供提高的少數載流子壽命而言特別有用。
為了清楚起見，附圖是啟發性的。結合下文說明、所附權利要求以及附圖，將更好地理解本發明的上述和其它特徵、方面以及優點，其中圖1A是常規CZ系統的示意性側視圖。
圖1B是示出貫穿熔體的不理想溫度梯度的常規CZ系統的示意性側視圖。
圖2是根據本發明一方面的用於生長提高純度的單晶矽的系統的示意性側視圖。
圖3A是根據本發明一方面的示出預熔化器和單個可控加熱元件的晶體生長系統的示意性側視圖。
圖3B是根據本發明一方面的如圖3A所示的晶體生長系統的簡化俯視圖。
圖3C是根據本發明一方面的示出貫穿熔體的改進熱梯度的寬直徑、低長寬比坩堝的示意性側視圖。
圖4是根據本發明一方面的用於晶體生長系統的預熔化器的側視圖。
圖5是表示根據本發明一方面的用於建立橫跨坩堝的最佳熱分布的加熱器控制系統的示意圖。
圖6是表示根據本發明一方面的坩堝中水平控制系統的示意圖。
具體實施例方式
參考圖1A和1B，在常規CZ系統中，在生長室102中在惰性氣氛下將多晶矽片熔於熔融石英坩堝100中。室102中的氣氛通常是氬氣並且根據公知技術通過隔離閥104控制。矽容納在剛好高於矽的熔點1412℃的溫度下坩堝100中。然後將具有所需晶體取向的高質量籽晶在晶體提拉室106中下降以接觸坩堝100中晶體熔體界面107處的熔體，並同時旋轉。坩堝100同時反方向旋轉，以促使熔體中的混合和使溫度不均勻最小化。將一部分籽晶溶解於熔融矽中，以去除玷汙(strained)的外部並暴露新的晶體表面。
然後通過常規提拉機構108在晶體提拉室106中從熔體緩慢抬升或提拉籽晶。當籽晶上升時，它冷卻並且來自熔體的材料粘附於它，因此形成較大的晶體或錠103。晶體或錠103的主體通過控制提拉速度以及熔融溫度來生長，同時補償坩堝中降低的熔體水平。即，隨著晶體生長，坩堝100中的熔融矽被消耗。為了相對於布置在坩堝垂直壁周圍的加熱器補償坩堝100中熔體的變化水平，坩堝100必須以小心可控的方式從起始晶體生長位置112垂直抬升到最後或最終位置114。
必須提供複雜機構以使坩堝的垂直移動與晶體的提拉相配合。坩堝的垂直移動必須在垂直方向上精確地與晶體的提拉相配合，這樣小心地保持晶體和熔體之間的恆定界面並且晶體和熔體之間的界面關於加熱器正確定位。
晶體的直徑通過減小或增加它的提拉速度和/或熔融溫度來控制，直到達到所需的或目標直徑。初始提拉速度通常相對較快。提拉持續到熔體幾乎耗盡。設計提供坩堝垂直移動與晶體提拉機構精確配合的裝置是非常昂貴的。
圖1A和1B示出與常規CZ坩堝和加熱器布置相關的另外的缺點。常規CZ坩堝100的特徵在於窄直徑、高長寬比。為了容納用於生長晶體的所有熔融矽，高長寬比是必須的，這是由於通常沒有用於熔體補充的手段。作為替代，當坩堝中的矽被消耗時，坩堝100必須在垂直方向上移動(從起始位置112到最終位置114)以配合晶體的提拉。
加熱器元件118提供在坩堝100的周圍並在熔體中產生溫度分布，其不利地使加熱器、坩堝壁、熔體以及懸浮在熔體中心的晶體之間的熱梯度(DT)最大化，並且會導致坩堝壁達到過高溫度。這不利地使晶體生長變慢。
另外，在窄直徑、高長寬比坩堝100中產生對流。對流不利地影響單晶矽的純度。常規CZ坩堝100由諸如熔融石英的材料構成。熔融矽將常規熔融石英坩堝壁分解為矽和氧。對流擦洗坩堝壁並將氧和其它雜質傳送到熔體中。這不利地影響生長晶體中的純度和缺陷結構。對流還產生圍繞生長晶體的不利熱擾動，這可以招致缺陷進入晶體。
當晶體生長完成時，沒有從坩堝100去除的殘留熔融矽固化時大大膨脹並使坩堝破裂。典型CZ坩堝100因此是一次性使用的製品，在每一個矽錠生長之後即被拋去。
寬直徑、低長寬比的坩堝參考圖2，根據本發明一方面的晶體生長系統提供固定的、寬直徑、低長寬比坩堝200，坩堝200提供在生長室202中，生長室202又提供有底部201。常規隔離閥204以公知的方式在生長室202和多個晶體提拉室210a和210b中提供真空或者控制氣氛。坩堝200的寬直徑、低長寬比結構提供有使輻射熱最小化的裝置，例如熱屏蔽205，用於使生長期間照射晶體或錠203的輻射能量最小。熱屏蔽205是碳化矽、石墨或其它高溫材料的平面部件，其支撐性地安裝在生長室202的壁上並且具有尺寸與矽錠203相配合的內部孔。鄰接孔的環形區域211向下朝熔體偏斜，以減少沿錠203的熱流並且當錠從熔體222中移除時使熱衝擊最小化。
參考圖3A，任選堰220布置在晶體/熔體界面和矽預熔化器208的出口228之間的熔體222中。堰220安置在坩堝200的底部上，或者作為替代，可以通過支撐裝置例如在坩堝內壁上提供的任意方便的由惰性材料組成的支撐結構來支撐。堰220的頂部延伸到熔體222的表面之上。堰的目的是使來自預熔化器208的熔融矽能夠分配到熔體中，而不在熔體中形成紋波或形成熱擾動，這些波紋或熱擾動會干擾熔體中的溫度分布並且不利地影響正在生長的矽晶體224。堰220的特徵在於相對於它的直徑而言高度低，並且堰220通常是圓柱形，並且在延伸到熔體表面之下的堰部分中提供有孔，以使得可以在熔體中實現所需的熱分布。
寬直徑、低長寬比生長坩堝200還防止或大大減少了在熔體中對流的形成以及對坩堝的附帶擦洗作用，還減少了氧的引入。在優選實施方案中，坩堝的低長寬比(直徑對高度)為4∶1-10∶1，優選約8∶1。相反，常規坩堝具有約1∶1-1∶4量級的長寬比。
此外，環形加熱元件以輻射狀模式布置在坩堝底部上或儘可能接近坩堝底部，由於需要抬升機構因此這在常規CZ生長器中是不可能的。除了圍繞坩堝周圍布置的加熱器之外，環形加熱器在熔體中提供相應的加熱區。這產生了貫穿熔體的基本水平的最佳熱分布。還提供了最佳熱分布，特別是在晶體和熔體之間的臨界界面處。改進的溫度控制提供了加速晶體生長，其超出了現有可能的晶體生長。
粒狀多晶矽在低長寬比坩堝中的熔化常規坩堝具有高長寬比以及抬升機構，使得在晶體生長期間坩堝中熔體水平相對於坩堝側面的加熱器可以保持恆定。通常在坩堝底部下面沒有加熱器。
當這種坩堝裝入多晶矽材料時，在熔體下降期間溫度分布高度不均勻。在最接近加熱器的坩堝壁處溫度最高，並且在熔化材料的頂部和底部比中心更涼。當多晶矽是小顆粒(＜1mm直徑)、大表面積、在顆粒之間具有極小接觸點以及空氣是優良絕緣體的粒狀形式時，該問題大大加劇。顆粒之間的熱流趨向於在它們的接觸點處將它們熔合在一起。其它熱流通過輻射產生，在該階段通過對流產生的極少。最接近加熱器的顆粒首先熔融，在邊緣和中心的那些跌落到坩堝的底部，留下橫跨頂部表面的熔合顆粒橋以及橋下面的氣孔。當然液體矽佔據的體積遠小於顆粒。組合效應將妨礙熔化過程，並且必須小心以免驅使接近加熱器的熔融溫度達到過高水平，否則汙染物水平將增加。存在減少問題的技術，但是它們要求嚴格並且費時，例如，使坩堝向上抬升通過加熱器，使得顆粒團的頂部首選熔融，而且應小心以免從側面驅使太多的熱。
參考圖3B，根據本發明的一方面，低長寬比坩堝200除側面加熱器219之外還具有以輻射狀模式布置在其底部之下的多個環形加熱器218，以提供更加均勻的溫度分布，這是由於a)顆粒在坩堝中的深度較低和b)環形底部加熱器218，所述環形底部加熱器218以更加可控的分配橫跨坩堝的整個底部表面積來施加熱。環形底部加熱器218優選是如有關圖5所描述的單個可控的平面電阻加熱元件。每一個加熱元件218在熔體中產生相應加熱區，以提供貫穿熔體的最佳溫度分布。與高長寬比坩堝相比，顆粒和低長寬比坩堝的熱壁之間的接觸表面積更大，將更多的熱驅使到顆粒中。因此，顆粒的整個團熔融更加均勻並且速度更加快，並且不附帶與靠近加熱器溫度過高有關的汙染。
參考圖3C，具有環形底部加熱器218的低長寬比坩堝200實現了以貫穿熔體222的基本水平分布為特徵的熱梯度223。與分批次工藝相比，在使用低長寬比坩堝的連續工藝中，更容易傳遞熱以熔融初始裝料，這是由於a)較少量的多晶矽「裝料」在啟動時熔融和b)預熔化器208提供液態矽以溼潤顆粒，這在顆粒之間提供了更大面積的熱接觸並加速熔化過程。注意預熔化器還被設計用以在顆粒周圍提供均勻加熱而不是從一側加熱，從而進一步增強熔化過程。
預熔化器參考圖3A、4和5，預熔化器208包含單獨的容器，用於熔化一定量的固體原料並為生長坩堝200提供生長晶體的熔融材料的恆定源。在單晶矽的情況下，固態矽原料的源209例如矽片、塊、顆粒或棒通過流控制器件212以足夠補充生長坩堝的速度提供到預熔化器208。
預熔化器可以遠離生長室單獨布置，如圖5和6所示。在優選實施方案中，預熔化器208包含提供在生長室202內部的獨立容器，以熔化一定量的原料並將其提供到熔體222的表面。這有利地將預熔化器208置於可控氣氛的生長坩堝222中，並使來自預熔化器的熔體需移動達到坩堝的距離最小化。
參考圖4，預熔化器包含熔化室400。預熔化器由能夠耐高達約1590℃溫度的石英材料構成。熔融碳化矽、結合碳化矽的氮化矽或類似材料也可用於預熔化器。一個或多個電阻加熱器402適當地布置在熔化室下面或靠近熔化室布置，用於熔化一定量的固態晶體原料。任選的熱導體404可以布置在加熱器402和熔化室400之間。熱導體404還是電絕緣體。熱導體404散射來自加熱器的熱通量並降低由預熔化器石英壁可見的最大溫度。熱導體404還為溫度超出約1590℃溫度的石英熔化室提供機械支撐。加熱器還任選地可布置在熔化室周圍。
摻雜劑和固態矽或晶體原料209的源通過流控制器312提供到熔化室400的第一部分中矽水平410處或之上的進口408。堰414限定包括進口408的熔化室第一部分416，並且還限定包括坩堝出口的第二部分418。熔化室400的獨立第一部分416提供有進口408，以直接或通過原料和摻雜劑源209來接收預定量的固體摻雜劑材料。作為非限制性實例，摻雜劑材料可以是0.125×0.125×0.25英寸量級的重摻雜晶圓小片，加入速度至多10小片/錠。錠流中的後續錠將需要較少小片。所需摻雜劑小片的量是晶體生長時所吸收摻雜劑的量的函數。即，小片簡單地注滿從熔體吸附到晶體中的摻雜劑。將摻雜劑加入預熔化器中避免了可由固體塊摻雜劑加入熔體中而產生的熱擾動以及非均勻的溫度分布，這種溫度分布問題可由熔合潛熱和熱容量(質量×比熱×DT)使摻雜劑材料高達熔融溫度而產生。注意這種熱擾動溫度與當直接將固態矽原料加入到熔體中很相似，但是減少很多。由於橫跨熔體的最佳熱梯度以及通過分別單個控制加熱元件而控制熔體中的熱區，可以在橫跨生長晶體的半徑範圍內維持均勻熱分布。因此，摻雜劑材料在進口408的加入可以在最終錠中提供基本均勻的軸向(縱向)和徑向電阻率或電導率。第一堰414在第一部分416底部提供有流控制出口420。
熔融矽從第一部分416的底部通過出口420進入熔化室400的第二部分418。然後熔融矽使第一部分中水平410升高。由於固態顆粒或未熔融的矽片浮動，關鍵的是在預熔化器中提供堰414，以確保僅僅熔融矽或晶體原料利用堰的流控制出口420流通到第一預熔化器部分416的底部然後從底部向上填充第二部分418。從出口424進入坩堝熔體的熔融矽或熔融晶體原料因此從預熔化器的底部被抽取。這種設置有利地保證了由於密度低於熔融矽而漂浮在熔融矽中的未熔融、固態材料不直接穿過從而到達熔化室400的第二部分418以及生長坩堝。
出口管424還可用作第二堰並控制預熔化器的熔化室400中的熔體水平。出口管424包含具有進口以及在其遠端的出口的管，所述進口接收來自熔化室400的第二部分418的熔融晶體原料，所述出口提供基本恆定的源，用於將熔融晶體原料補充到坩堝的熔體中。出口管424促使熔融晶體原料流沿其內表面進入生長坩堝的熔體中。
出口管424的特徵在於足夠尺寸的內徑，約1cm，以克服熔融原料的表面張力(熔融矽的表面張力比水高約30倍)。對於預熔化器中給定高差的熔融晶體原料，表面張力傾向於阻止或限制流過出口管。因此，管的直徑被最優化以克服表面張力，同時使可引起坩堝中熔體過度擾動的飛濺影響最小化。出口管的遠端位於坩堝中熔體水平之上的位置，選擇一定的高度使得當將熔融原料和摻雜劑排入熔體以連續補充坩堝時擾動最小化。因此出口管的設計進一步在晶體熔體界面保持靜態熱條件，從而在最終晶錠中產生基本均勻的軸向(縱向)和徑向電阻率或電導率。
以這種方式，預熔化器208為生長坩堝200提供熔融矽的基本恆定的源，補充由生長晶體所吸收的矽。這使得生長坩堝200中的熔體能夠相對於生長晶體保持在恆定的水平，而不需要坩堝垂直移動，並且還使得坩堝中的熔體水平能夠根據需要增加或減少。這有利地消除了在常規CZ系統中必須用來使坩堝垂直移動以配合晶體提拉的複雜機構。這種通過預熔化器的補充還使加熱器能夠布置在坩堝的底部。本發明的這方面大大簡化了生長單晶矽所需的裝置並最終能夠以較低成本加速生產單晶矽。
通過使用預熔化器208而基本連續添加熔融矽消除了在關閉爐或加熱元件以再裝填坩堝200和再熔化矽中所涉及的時間消耗和能量浪費。使用熔融矽原料的基本連續源來補充熔體使得熔體與坩堝接觸的時間最小，因此進一步限制了氧被吸收到熔體中。由於原矽在預熔化器中熔融的量非常小並且很快流入生長坩堝中，停留時間以及接觸表面積同樣被最小化。此外，不需要將生長室對環境大氣開放以置換坩堝和提供新的矽裝料的過程，該過程將新汙染物引入生長室中。
矽預熔化器208的另一個優點是，由於可以在再裝填過程中加入摻雜劑，因此可以更好地控制晶體的軸向電阻。這有利地消除了在通過常規CZ法生長的晶體表現出的軸向電阻率梯度。熔體中偏析的影響以及晶體中所產生非均勻摻雜劑特徵被基本消除。利用與生長坩堝200連通的獨立矽預熔化器208的另一個優點是消除了矽裝料的高溫初始熔化，使生長坩堝上的應力最小化並減少沉澱到熔體中的氧。
應該理解的是，預熔化器可以由惰性材料製成或塗覆，例如燒結的碳化矽或類似陶瓷，或者由其它相對於熔融矽具有惰性特徵的材料塗覆，例如鉭、鈮或其氧化物和化合物，以減少熔體中的氧和其它雜質，這對坩堝是常有的情況。
結合低長寬比、非反應性、燒結碳化矽坩堝200的矽預熔化器208以及晶體生長期間可控摻雜劑原料基本上消除了引起少數載流子複合的缺陷結構和位置的偏析、高純度水平和氧沉澱。本發明的這方面在為高轉換效率太陽能電池提供更高少數載流子壽命矽方面特別有用。
多個晶體提拉室再參考圖2和3A，在旋轉圓柱體212上提供多個提拉室210a、210b，圓柱體212又通過軸214來支撐。應該理解的是，多個提拉室210a、210b還可以布置成可移動、線型支撐元件，用於將每一個連續提拉室中的籽晶相繼定位到生長室202內的坩堝200中的生長區中。多個提拉室210a、210b因此相對於生長室202可旋轉或按序布置。當第一單晶矽錠完成時第一提拉室210a將完成的矽錠移出坩堝200中的生長區以及生長室202以冷卻，後續提拉室210b移動來將新晶體定位於生長室202中並移到坩堝200中的晶體/熔體界面處的生長區。隔離閥206關閉以控制生長室202和相關提拉室中的氣氛，並生長新的晶體。
提拉室210a、210b在坩堝200中生長區處的相繼定位是連續過程中的最終步驟，使矽在生長坩堝中的停留時間最小化、消減了與冷卻每一個晶體、變換新坩堝、再裝填坩堝、排空生長室以及將裝料再加熱到熔融溫度相關的時間；因此提供了具有高生產量的加速、連續晶體生長系統。而且，這種連續過程消除了生長坩堝的一次性使用的特徵，並且使生長坩堝能夠用於多個(10個或更多)晶體生長循環。
坩堝的組成再參考圖2、3A、3B和3C，本發明另一方面提供低長寬比、寬直徑的坩堝200，該坩堝由對熔融矽為惰性的材料構成，例如α或β燒結碳化矽、氮化鉭或類似不含二氧化矽的陶瓷。作為替代方案，坩堝200的內部含矽表面可以根據公知技術提供有這種惰性材料塗層。這種理想的惰性材料由壓縮並燒結的碳化矽顆粒和燒結助劑的混合物組成。與反應結合的碳化物不同，不存在游離矽。這種直接燒結材料沒有金屬相併因此耐化學侵襲。α碳化矽是指六角結構，β碳化矽是指立方結構。
這種燒結碳化矽材料可以從CARBORUNDUM Corp.獲得，名為SA-80；從GENERAL ELECTRIC獲得，名為Sintride；和從KYOCERA獲得，名為SC-201。
由上述燒結碳化矽材料組成的化學惰性生長坩堝200在常規CZ生長法中是未知的，這是由於常規坩堝是一次性使用後即丟棄的製品，並且沒有在坩堝表面上提供燒結碳化矽或陶瓷坩堝或這種塗層的動機。
常規CZ生長法沒有考慮使用坩堝材料例如燒結碳化矽，以基本消除氧向熔體中的引入。在常規CZ系統中，生長坩堝通常是在一次或兩次生長循環之後即被丟去。因此，碳化矽塗層或由更高成本材料製成的坩堝將大大增加常規CZ系統的成本。應該理解是，出於同樣的原因，這些材料還可有利地用於預熔化器中。
此外，源自生長坩堝壁的氧沉澱先前沒有被認為是嚴重的問題，並且甚至可能在集成電路或其它電子器件中有益。氧從其它雜質趨向於積累的位置沉澱。這種氧沉澱可以以預定方式從有源器件區遙控定位到最終IC晶片中。然後氧沉澱用作吸引所不需要的雜質遠離電學上的有源區域的收集位置，由此改進器件性能。
但是，根據本發明的一方面，認為氧沉澱和相關的缺陷對將用於特定應用例如太陽能電池的矽中的少數電荷載流子壽命而言是問題。在太陽能電池中，如果在到達電接觸之前，光電池中一些所產生的載流子在矽中缺陷、雜質或氧沉澱位置處複合，那麼輸出電流減少。跨越多個太陽能電池，這種缺陷會嚴重地減少輸出電流。
加熱器和熔體溫度控制圖3B、3C和5表示提供溫度的封閉環路控制的加熱器和熔體溫度控制系統，其特徵在於橫跨熔體的最佳溫度分布和在熔體/晶體界面207處的固化區中均勻的最佳溫度條件有助於控制晶體形成速度和進一步使缺陷密度最小化。
參考圖3B和5，多個環形電阻加熱元件218以輻射狀模式布置在低長寬比坩堝200的下面。另外的電阻加熱元件219圍繞坩堝200外壁的周圍布置。環形加熱元件218和側壁加熱元件219由加熱器控制240單個控制以產生獨立的加熱區，從而提供橫跨熔體的最佳溫度分布。加熱器控制240包括微處理器控制器，用於對來自傳感器234的信號作出響應從而控制並監測每一個加熱器元件的作用時間、功率消耗以及由此的熱輸出。
對於每一個單獨可控電阻加熱元件可以維持所需的熱輸出，由此實現橫跨熔體和橫跨生長晶體半徑範圍的最佳溫度分布。所需的熱輸出和所產生的溫度分布通過加熱器控制240的微處理器來測量每一個單獨可控電阻加熱元件的功率消耗來推出。每一個加熱器的功率消耗對應於實現最佳溫度分布所需的熱輸出。加熱器控制240根據監測的功率消耗將功率施加到每一個加熱器元件，以獲得可重複狀態，這樣相應熱區驅使熱均勻地進入熔體中。應該理解的是，有利的加熱器布置和可控熱區還可用於驅使熱均勻進入包括固體顆粒的熔融材料。加熱器布置還可用於均勻加熱和熔融固體，例如顆粒、顆粒和片的組合以及固態晶體原料的片或塊。由於在低長寬比坩堝下面單獨控制的加熱器的最佳布置，橫跨固態材料片之間的接觸點進入原料的熱通道被最小化。當使用小片或顆粒時，這是特別重要的，這是由於給定團塊或材料的相鄰片或顆粒之間具有更多的接觸點，因此減少或限制了熱流。這有效地在坩堝中提供更大的接觸表面積並縮短進入包括固體材料的原料的熱通道。
這克服了在常規CZ系統中的問題，在常規CZ系統中，最靠近加熱器的固體材料特別是小片和顆粒首先熔融並且在邊緣和中心的那些跌落到坩堝的底部，留下橫跨頂部表面的熔合顆粒橋以及橋下面的氣孔。
因此，橫跨熔體建立了代表最佳熱分布的一系列熱區。每一個熱區對應於獨立可控電阻加熱器元件218的熱輸出。包含一個或多個光學高溫計的溫度傳感器234採集橫跨熔體的每一個獨立熱區的溫度讀數，每一個熱區由相應加熱器元件控制。單個高溫計也可以掃描獨立的區，提供代表各區溫度的在線輸出信號236。溫度傳感器234還可以包括熱電偶，用於檢測圍繞坩堝200周圍布置的外加熱元件219的溫度。
根據標準封閉環路負載調節技術，溫度傳感器234將代表各個熱區溫度的在線信號236發送到加熱器控制單元240。加熱器控制單元240將相應激活信號發送到每一個加熱元件，以將加熱元件維持在預定範圍。在實現了所需的控制設定點之後，加熱器和熔體溫度可以維持在窄範圍。應該理解的是，電阻加熱元件218的分別控制在坩堝壁和晶體之間提供最佳溫度分布。提拉的速度(晶體生長速度)通過在晶體和熔體之間界面處的溫度分布來控制。因此，本發明的該方面提供了橫跨熔體基本水平維持的最佳溫度分布，特別是在晶體熔體界面處提供了前所未有的更大控制的最佳溫度分布。應該理解的是，這種最佳溫度分布是通過寬的長寬比坩堝結合布置在坩堝下面或周圍的單獨控制加熱元件以及較淺深度的熔體來實現的。
再參考圖4，由於經固態矽原料引入熔體中可引起溫度擾動，因此通過矽預熔化器208實現熔體的改進控制，其中矽的所有熔化均在坩堝外部完成。固態矽原料源209包含各種形式的矽原料，例如粉碎的矽、片、塊、來自流化床的顆粒、矽棒等。
如圖5所示，預定直徑的晶體244可以用主動反饋來精密地控制。當晶體利用常規光學圖案識別技術生長時，利用包含照相機或類似光檢測器系統的彎月面傳感器232來監測晶體直徑。晶體生長在晶體244和熔體222之間的彎月面界面207處發生並且調節提拉速度以產生所需晶錠直徑。以這種方法，利用主動反饋可以精密地控制預定晶體直徑和晶體生長速度。
水平控制參考圖6，在優選實施方案中，通過主動反饋系統檢測生長坩堝中矽熔體重量和調節提供給預熔化器的矽原料的量以及從預熔化器208排放到熔體中的熔融矽的量或速度，從而實現生長坩堝200中熔體222以及熔融矽原料從預熔化器208排放到熔體222中的速度的改進水平控制。
用於測定未裝填以及裝填有所需水平熔體的生長坩堝的重量的敏感裝置由重量傳感器300來提供。適合的重量傳感器300包括一個或多個基於應變計的測壓元件(load cell)。每一個測壓元件均是將作用在其上的負荷或重量轉換為代表該負荷的電信號的轉換器。坩堝200中矽熔體的重量使得與坩堝200接觸的機械杆或臂304的產生偏轉。這反過來又產生與負荷成比例的電阻變化。測壓元件或重量傳感器300隨後產生代表熔體222重量的輸出信號，經通信連接308輸送到基於微處理器的水平控制器306。通信連接308可以是電纜或光纖、遠紅外或無線連接以提供穩定的高溫操作。
水平控制器306對重量傳感器300響應從而產生輸出信號，經通信連接310激勵分配器或流控制器312，該控制器312控制釋放預定量的固態矽原料209進入預熔化器208。水平控制器306包含微處理器，該微處理器用於測定基於生長坩堝中熔體所需深度D的預熔化器輸出。根據本發明一方面，這是由下列關係式確定的D＝(W-Wt)/(p R2r)其中W是包含熔體222的坩堝200的總重量；Wt是未裝載時測量的坩堝200的重量；R是坩堝的內徑；r是液態矽的密度。
以這種方式，可以控制預熔化器中矽的水平和熔體222的水平。
應該理解的是，上述系統提供預熔化器的最佳輸出能力並使得能夠實現預熔化器和生長坩堝的精密控制的最佳補充。通過利用遠低於常規CZ方法中的熔體裝料來進行晶體生長，這有利地增加生產量，並且還有助於減少矽在坩堝中的停留時間以及附帶減少雜質。通過晶體生長和從預熔化器截流的組合，這還使得新晶體能夠在清空坩堝之後更快地開始。
本發明上述特徵提供單晶矽生長方法，該方法使進入熔體中的沉澱氧最小化並且使熔體中雜質和偏析最小化或被消除。由於這些因素使得產生載流子複合位置的雜質水平和缺陷結構最小化，因此本發明方法在矽中直接實現了增加的少數載流子壽命。由於簡化的晶體生長裝置，與現有可能的生長速度和成本相比，可以以更高的生長速度和更低的成本來實現這種具有增加的少數載流子壽命的矽。由根據本發明方法生產的矽在提供更高效、低成本高壽命太陽能電池方面具有特別的優勢。
工業適用性範圍雖然結合目前被認為是最實用和優選的實施方案描述了本發明，但應該理解的是，本發明並不限於上述公開的實施方案和替代方案，相反，本發明旨在覆蓋包括在所附權利要求範圍內的各種修改和等價布置。例如，可按照CZ方法生長的其它材料可用作熔融材料，例如砷化鎵、磷化鎵、藍寶石以及各種金屬、氧化物和氮化物。而且，抵抗由熔融矽引起的破壞的其它材料例如陶瓷塗層或各種金屬、氧化物、氮化物以及它們的組合也可以用於坩堝的組成，或者作為坩堝內壁上的塗層。
可以提供單獨的堰或隔板以保護晶體免受對流和熱擾動。可以提供多個提拉室以連續提拉相繼的晶體，而不必在坩堝之上的適當位置處旋轉。重要的是，一系列晶體提拉室相繼位於坩堝之上，以重複基本連續的晶體生長，而不需要在每一個生長循環之後移除坩堝。因此，本領域普通技術人員應該理解，所有的這種等價布置和修改均包括在所附權利要求的範圍內。
序列清單
權利要求
1.一種用於從熔融晶體原料生長單晶錠的改進CZ系統，包括包括底部和側壁的低長寬比、寬直徑坩堝，用於容納與從熔融材料生長錠的籽晶相關的熔體/晶體界面處的一定量熔融材料；預熔化器，用於為坩堝提供熔融晶體原料的基本連續源，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒有坩堝的垂直移動；布置在坩堝底部之下的環形加熱裝置，用於橫跨熔體和在晶體熔體界面處為最佳晶體生長提供均勻熱分布。
2.如權利要求1中的改進CZ系統，其中環形加熱裝置包括以輻射狀模式布置的多個獨立控制的電阻加熱器，以建立橫跨熔體的相應熱區，每一個熱區由各電阻加熱器的熱輸出控制，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。
3.如權利要求1中的改進CZ系統，還包括一個或多個分別控制的側壁加熱器以及一個或多個用於監測每一個熱區溫度和用於產生代表檢測溫度的信號的傳感器；對傳感器信號作出響應的控制裝置，用於激活每一個側壁加熱器和環形加熱裝置，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。
4.如權利要求1中的改進CZ生長器，還包括多個相繼關於坩堝布置的晶體提拉室，每一個提拉室包括用於在熔體/晶體界面處定位籽晶和用於提拉生長錠的裝置，使得當第一錠的生長完成時第一提拉室將第一錠移離坩堝以冷卻，並且後續提拉室移動來將新晶體定位於坩堝中的熔體/晶體界面處。
5.如權利要求1中的改進CZ系統，其中坩堝的低長寬比(直徑對高度)為4∶1-10∶1，優選約8∶1。
6.如權利要求1中的用於連續生長單晶錠的系統，還包括用於將一定量的摻雜劑材料加入到預熔化器中使得整個錠中摻雜劑濃度周向和徑向基本均勻的裝置。
7.如權利要求1或5中的改進CZ系統，還包括低長寬比、寬直徑坩堝，該坩堝具有塗覆有選自α或β燒結碳化矽、氮化鉭或類似陶瓷的材料的內表面，用於容納熔融材料。
8.如權利要求1或5中的改進CZ系統，還包括低長寬比、寬直徑坩堝，該坩堝包含選自α或β燒結碳化矽、氮化鉭或類似陶瓷的材料。
9.一種用於連續生長單晶錠的系統，包括包括底部的低長寬比、大直徑坩堝，用於容納晶體材料的熔體；預熔化器，該預熔化器具有用於接收晶體材料供給的進口、用於熔化所述材料的裝置和用於當熔體被生長晶體吸收時補充熔體的與坩堝連通的出口，使得坩堝中的熔體相對於晶體維持在所需水平而沒有坩堝的垂直移動；多個相繼關於坩堝布置的晶體提拉室，使得在生長第一錠時第一提拉室將第一錠移離坩堝以冷卻，並且後續提拉室移動來將新晶體定位於坩堝中。分別可控的加熱裝置，靠近坩堝底部布置，用於橫跨熔體和在晶體熔體界面處為改進晶體生長提供最佳熱分布。
10.如權利要求9中的用於連續生長單晶錠的系統，還包括布置在晶體/熔體界面和預熔化器出口之間的熔體中的堰；該堰包括在熔體上方延伸的頂表面，以阻止當將預熔化器中的熔融材料分配到熔體中時在熔體中形成波紋或熱擾動。
11.一種用於從熔融晶體原料生長單晶錠的改進CZ系統，包括低長寬比、寬直徑坩堝，用於容納與從熔融材料生長錠的籽晶相關的熔體/晶體界面處的一定量熔融材料；預熔化器，用於接收固態晶體原料和摻雜劑的源和為坩堝提供熔融摻雜晶體原料的基本連續源；分別可控的加熱裝置，圍繞坩堝側面和靠近坩堝底部布置，用於橫跨熔體和在晶體熔體界面處為改進晶體生長提供最佳熱分布。
12.對用於從熔融晶體原料生長單晶錠的CZ系統的改進，包括用於容納熔融晶體原料的低長寬比、寬直徑坩堝，該坩堝包含選自α或β燒結碳化矽或類似陶瓷的材料。
13.對用於從熔融晶體原料生長單晶錠的CZ系統的改進，包括低長寬比、寬直徑坩堝，該坩堝具有塗覆有選自α或β燒結碳化矽、氮化鉭或類似陶瓷的材料的內表面，用於容納熔融原料。
14.一種用於從置於坩堝中生長界面處的籽晶來生長錠的改進CZ系統，包括用於使接收自源的固態晶體原料熔融和為坩堝提供熔融晶體原料輸出的預熔化器，該系統包括測壓元件裝置，用於檢測坩堝中熔體的重量和產生代表該檢測重量的輸出信號；水平控制器，包括對來自測壓元件的信號作出響應的微處理器，用於確定基於生長坩堝中熔體的所需深度D的預熔化器輸出；流控制裝置，與水平控制器通信連接並且布置在固態原料源和預熔化器之間，用於對來自水平控制器的信號響應從而截取或分配來自源的原料至預熔化器，使得預熔化器輸出將坩堝中熔體水平維持在最佳晶體生長的預定深度。
15.一種從置於熔融材料中晶體/熔體界面處的籽晶來改進單晶錠生長的方法，包括在低長寬比、寬直徑坩堝中容納熔融材料，以減少熔體中的對流和熱變化；在預熔化器中熔化固態晶體材料，為坩堝提供熔融材料的基本連續的補充，從而將坩堝中的晶體/熔體界面維持在所需水平；在坩堝下面提供多個加熱器，用於橫跨熔體建立相應熱區；控制加熱器的熱輸出，用於橫跨熔體和在晶體/熔體界面處為改進晶體生長提供最佳熱分布。
16.根據權利要求15的方法，其中為坩堝提供熔融材料的基本連續的補充從而將晶體/熔體界面維持在所需水平的步驟還包括測定坩堝中未裝填和裝填所需深度的熔體時坩堝的重量；檢測晶體生長期間生長坩堝的實際重量；和基於晶體生長期間坩堝和熔體的實際重量和含有所需深度熔體的坩堝的測定重量之間的差異，通過驅動分配器以釋放預定量的固態晶體原料進入預熔化器從而在坩堝中維持所需深度的熔體來控制預熔化器的輸出。
17.一種改進的單晶材料，其特徵在於高的少數載流子壽命，該單晶材料通過包括下列步驟的方法製成從籽晶生長單晶材料，該籽晶容納在寬直徑、低長寬比坩堝中的晶體熔體界面處，以防止形成對流和使熔體中的氧最少化；在預熔化器中熔化晶體原料，用於坩堝中熔體的無擾動補充；橫跨熔體提供多個分別可控的熱區，使得橫跨熔體以及特別是在熔體晶體界面處產生最佳熱分布。
18.對用於從置於熔融材料中晶體熔體界面處的晶體來生長錠的系統的改進，所述熔融材料容納在具有可控氣氛的坩堝中，所述改進包括布置在坩堝可控氣氛中的預熔化器，用於為坩堝提供熔融晶體原料的連續源，使得晶體熔體界面相對於生長錠維持在所需水平而沒有坩堝的垂直移動；包括熔化室的預熔化器，所述熔化室包括具有接收固態晶體原料源的進口的第一部分和包括出口的第二部分，所述出口具有基本布置在坩堝中熔體水平處的出口端，用於為坩堝提供熔融原料的無擾動分布；和靠近熔化室提供的加熱器，用於熔化固態晶體原料；和布置在熔化室中的堰，用於限定第一和第二部分，使得從第一部分的底部向上來填充第二部分，由此防止任意未熔融的、固態晶體原料進入坩堝。
19.如權利要求18中的系統，還包括對坩堝中晶體熔體界面水平作出響應的控制裝置，該裝置與固態晶體原料的源連接，以可控地將固態晶體原料分配到預熔化器中，使得坩堝中熔融材料的深度維持在最佳晶體生長的所需水平；和其中熔化室的出口包括具有進口和出口的第二堰，用於將熔融原料連續補充到坩堝中。
20.如權利要求19中的系統，其中第二堰包括特徵在於具有足夠尺寸的內徑的管，以克服表面張力的影響和/或使熱擾動最小化，同時維持熔融原料向坩堝中的補充。
21.預熔化器，用於為在其中的晶體熔體界面處生長錠的坩堝提供熔融晶體原料的連續流，該預熔化器包括具有接收固態晶體原料的進口和出口的熔化室，所述出口具有基本布置在晶體熔體界面水平處的遠端，用於為坩堝提供熔融晶體原料的基本連續的補充；靠近熔化室的加熱器，用於使熔融晶體原料熔融；堰，提供在進口和出口之間的熔化室中，以引導熔融晶體原料在堰之下向下流並且向上流入出口，由此防止由於密度低於熔融原料而不需要的固態晶體原料經過出口到達坩堝。
22.根據權利要求21的裝置，還包括用於檢測坩堝中熔融材料的重量的裝置，所述重量對應於與錠的生長相關的晶體熔體界面的最佳水平；控制裝置，具有對檢測裝置作出響應的輸入和與固態晶體原料源連接的輸出引線，用於可控地將固態晶體原料分配到預熔化器中，使得在坩堝中維持最佳的錠生長。
23.一種用於在坩堝中基本均勻熔化晶體原料的裝料的改進方法，所述裝料包括特徵在於主要尺寸在小至1mm或更小量級上的固體塊、棒或顆粒，所述改進方法包括在以低長寬比和寬直徑底部為特徵的坩堝中容納晶體原料；在坩堝底部下面提供多個獨立可控的加熱器，以橫跨坩堝建立多個可控熱區，這樣由於更大的接觸表面積以及進入坩堝中裝料的更短熱通道，熱被均勻地驅入顆粒中；激活每一個加熱器，使得每一個加熱器的熱輸出提供通過裝料的最佳溫度分布，從而均勻並快速地熔化顆粒；通過測量每一個加熱器相對於快速實現均勻熔化顆粒所需時間的功率消耗，從而測定最佳溫度分布；和根據所測定的功率消耗，將功率施加到每一個加熱器，從而控制每一個加熱器。
24.一種用於在坩堝中基本均勻熔化晶體原料的裝料的裝置，所述裝料包括特徵在於主要尺寸在小至1mm或更小量級上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括低長寬比、寬直徑坩堝底，用於容納熔融晶體原料；提供在坩堝底部下面的多個獨立可控的加熱器，用於橫跨坩堝中熔融晶體原料建立相應熱區，這樣由於更大的接觸表面積以及進入坩堝中包括固體材料的裝料的更短熱通道，熱被均勻地驅入顆粒中；和用於施加功率的裝置，用於熱激活每一個加熱器以實現最佳溫度分布，使得熱區以所需的速度將熱均勻地驅入固體材料中。
25.根據權利要求24的裝置，還包括控制裝置，用於監測實現最佳溫度分布所需的每一個加熱器的功率消耗和用於根據所測定的功率消耗來施加功率以熱激活每一個加熱器，從而以所需速度實現顆粒均勻熔化的可重複狀態。
26.根據權利要求24的裝置，其中坩堝的直徑對高度的低長寬比為4∶1-10∶1，優選約8∶1。
27.一種用於在坩堝中基本均勻熔化矽或多晶矽晶體材料的裝料的裝置，所述裝料包括下至主要尺寸在1mm或更小量級上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括低長寬比、寬直徑坩堝，用於容納矽或多晶矽熔體；布置在坩堝之下的多個獨立可控的加熱器，用於建立穿過熔體的相應熱區，這樣熱被均勻地驅入到更大的接觸表面積中以及通向坩堝中包括固體材料的裝料的更短熱通道中；用於熱激活每一個加熱器的裝置，以實現橫跨熔體的最佳熱分布，使得顆粒以所需速度均勻熔化；和控制裝置，用於通過監測被每一個加熱器所消耗的功率來選擇性控制每一個加熱器的熱激活，以實現橫跨熔體的最佳熱分布。
28.根據權利要求27的裝置，其中坩堝的低長寬比(直徑對高度)為4∶1-10∶1，最優選約8∶1。
29.一種用於從熔融矽材料生長單晶矽錠的改進CZ系統，包括包括底部和側壁的低長寬比、寬直徑坩堝，用於容納與從熔融材料生長錠的籽晶相關的熔體/晶體界面處的一定量熔融矽；預熔化器，用於為坩堝提供熔融矽原料的連續源，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒有坩堝的垂直移動；布置在坩堝底部之下的環形加熱裝置，用於橫跨熔體和在晶體熔體界面處為最佳晶體生長提供均勻熱分布。
30.如權利要求29中的改進CZ系統，其中環形加熱裝置包括以輻射狀模式布置的多個獨立控制的電阻加熱器，以建立橫跨熔體的相應熱區，每一個熱區由各電阻加熱器的熱輸出控制，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。
31.一種高純度單晶錠，其特徵在於大量減少的位錯缺陷以及軸向和徑向均勻的電阻率或電導率，該單晶錠通過包括下列步驟的方法製成從籽晶生長單晶錠，該籽晶容納在寬直徑、低長寬比坩堝中的晶體熔體界面處，以防止形成對流和使熔體中的氧最少化；在與坩堝連通的預熔化器中熔化晶體原料並提供摻雜劑，以便維持坩堝中熔體無熱擾動的補充；在坩堝之下提供多個獨立可控加熱器，以建立橫跨熔體以及特別是在晶體熔體界面處的可控熱區，使得橫跨生長錠的半徑而維持均勻熱分布。
全文摘要
用於單晶矽錠連續生長的基於Czochralski法的改進系統，包括低長寬比、大直徑以及基本平坦的坩堝，該坩堝包括圍繞晶體的任選堰。低長寬比坩堝基本消除對流並減少最終單晶矽錠中的氧含量。獨立的水平可控矽預熔化室為生長坩堝提供熔融矽的連續源，有利地消除了在晶體提拉過程中對垂直移動以及坩堝抬升系統的需求。坩堝下面的多個加熱器建立橫跨熔體的相應熱區。分別控制各加熱器的熱輸出以提供橫跨熔體以及在晶體/熔體界面處的最佳熱分布。提供多個晶體提拉室用於連續加工和高生產量。
文檔編號C30B15/00GK101076618SQ200580006256
公開日2007年11月21日 申請日期2005年2月25日 優先權日2004年2月27日
發明者大衛·L·本德 申請人:索拉克斯有限公司