連續(xù)cz方法和設(shè)備的制造方法
【專利說明】連續(xù)CZ方法和設(shè)備
[0001]相關(guān)申請的交互參照
[0002]本申請要求美國臨時(shí)專利申請第61/699，004號(2012年9月10日申請)的權(quán)益。該臨時(shí)專利申請的全部內(nèi)容以參考方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明有關(guān)利用連續(xù)CZ單晶成長法制備晶錠，諸如硅晶錠，以及用于以此方法制備晶錠的裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]制備用于制造集成電路和光伏打太陽能電池用材料的娃晶徒的最有效率和經(jīng)濟(jì)的方法之一為CZ (Czochralski)方法(以下有簡稱為CZ或CZ制程的情形)。在典型的CZ制程中，將硅進(jìn)料置于坩禍內(nèi)，并且將硅進(jìn)料在約1416?的溫度熔化至其液態(tài)。接著，將具預(yù)定結(jié)晶取向的小晶質(zhì)硅晶種下降以接觸熔化物的表面，接著將其逐漸地收回。在適當(dāng)?shù)乜刂茰囟认拢簯B(tài)硅在晶質(zhì)晶種上冷凍成具有與該晶種所具者相同的取向。接著，將晶種緩慢地提高遠(yuǎn)離熔化物，以形成具有最終長度為一公尺或更多和直徑為數(shù)百公厘(_)的成長中的娃晶質(zhì)晶徒。
[0005]已知有兩種類型CZ技術(shù)，通常稱為批式CZ方法和連續(xù)CZ法。于批式CZ，在經(jīng)加熱的坩禍中，將需要用于生長硅晶錠的全部量的進(jìn)料材料在制程開始時(shí)熔化，而且將一塊晶錠取出以使該坩禍實(shí)質(zhì)上耗乏。接著，將坩禍在一塊晶錠之后丟棄。相較于言，于連續(xù)CZ(CCZ)成長，在成長制程的期間連續(xù)地或周期性地補(bǔ)充進(jìn)料材料，結(jié)果可在成長期間從經(jīng)補(bǔ)料的單一坩禍拉出多個(gè)晶錠。僅在許多晶錠循環(huán)之后，丟棄坩禍，并且以新的坩禍置換。
[0006]為了進(jìn)行CCZ制程，需要將傳統(tǒng)的批式CZ成長設(shè)備修改以包含一種用于以連續(xù)或半連續(xù)的方式將額外的進(jìn)料材料供給熔化物，但不會(huì)不利地影響成長中晶錠性質(zhì)的裝置。為了減少此補(bǔ)料行為對同時(shí)結(jié)晶成長的不利效果，通常修改傳統(tǒng)的石英坩禍以提供將經(jīng)添加的材料傳送入其中的外或環(huán)形熔融區(qū)域，以及從其拉出硅晶錠的內(nèi)成長區(qū)域。此等區(qū)域彼此液態(tài)流動(dòng)連通。
[0007]雖然此等和其他已知的修改使得CCZ能用于制備具有良好的整體性質(zhì)的硅晶錠，產(chǎn)業(yè)中對于改良的CCZ方法和裝置仍有需求，尤其是彼等最小化或消除在拉出晶錠時(shí)由補(bǔ)料給坩禍所造成的效果者。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明有關(guān)一種CZ成長設(shè)備，較佳為包括坩禍的連續(xù)CZ成長設(shè)備，該坩禍具有由至少一個(gè)壁分隔的內(nèi)成長區(qū)域和外進(jìn)料區(qū)域，該壁具有至少一個(gè)在該等區(qū)域之間提供限制的流體連通的開口。該設(shè)備進(jìn)一步包括固體原料輸送系統(tǒng)，其包括具有懸伸于坩禍的外進(jìn)料區(qū)域上且在其中輸送固體原料的輸送點(diǎn)的進(jìn)料器，以及至少一個(gè)實(shí)質(zhì)上防止固體原料進(jìn)入坩禍的內(nèi)成長區(qū)域的粒子阻擋裝置。于一個(gè)具體例，該設(shè)備進(jìn)一步包括安置在坩禍的內(nèi)成長區(qū)域上的隔熱屏蔽。較佳地，隔熱屏蔽和坩禍的壁是為空隙所分隔，而且粒子阻擋裝置實(shí)質(zhì)上防止固體原料通過該空隙。粒子阻擋裝置可為至少部分覆蓋坩禍的內(nèi)成長區(qū)域的粒子屏蔽。例如，粒子屏蔽可安置在坩禍的壁上，而且伸入內(nèi)成長區(qū)域。替代地，或額外地，粒子阻擋裝置可為環(huán)繞隔熱屏蔽周圍安置(諸如，環(huán)繞其外底邊緣)的隔離外殼。再者，或替代地，粒子阻擋裝置可為至少部分環(huán)繞或位于該固體原料輸送系統(tǒng)內(nèi)而安置的粒子屏蔽，特別是環(huán)繞進(jìn)料器的輸送點(diǎn)，諸如與進(jìn)料器一同安置的套件。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步有關(guān)一種CZ成長的方法，較佳為一種連續(xù)CZ成長硅晶錠的方法，包括以下步驟:在CZ成長設(shè)備中提供具有由至少一個(gè)壁分隔的內(nèi)成長區(qū)域和外進(jìn)料區(qū)域的坩禍；提供包括硅的固體預(yù)進(jìn)料進(jìn)入該內(nèi)成長區(qū)域和該外進(jìn)料區(qū)域；熔化該固體預(yù)進(jìn)料；起始固體晶錠的成長；以及自該裝置移除所產(chǎn)生的硅晶錠。生長硅晶錠同時(shí)，將固體原料從硅輸送系統(tǒng)傳輸送至坩禍的外進(jìn)料區(qū)域。另外，CZ成長設(shè)備包括至少一個(gè)實(shí)質(zhì)上防止固體硅進(jìn)入坩禍的內(nèi)成長區(qū)域的粒子阻擋裝置。較佳地，用于本發(fā)明的方法的CZ成長設(shè)備為本發(fā)明的設(shè)備。
[0010]如所主張，應(yīng)暸解前述一般性描述和以下詳細(xì)描述兩者為例示性且應(yīng)僅為解釋性，并且意欲以提供本發(fā)明的進(jìn)一步解釋。
【附圖說明】
[0011]圖1、圖2以及圖3為本發(fā)明的CZ成長設(shè)備和方法的具體例的示意圖。
[0012]符號說明
[0013]100,200,300CZ 成長設(shè)備
[0014]110,310坩禍
[0015]lll、211、311a、311b 壁
[0016]112、312內(nèi)成長區(qū)域
[0017]113,313a,313b外進(jìn)料區(qū)域
[0018]114加熱器
[0019]115熔化物
[0020]116、216、316隔熱屏蔽
[0021]117、217、317固體原料輸送系統(tǒng)
[0022]118、218、318進(jìn)料器
[0023]119、219、319輸送點(diǎn)
[0024]120、320空隙
[0025]121、221、321粒子屏蔽
[0026]122水平段
[0027]123垂直段
[0028]124、224、324隔離外殼
[0029]330套件。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明有關(guān)一種硅晶錠的CZ成長設(shè)備和方法。本發(fā)明的CZ成長設(shè)備包括坩禍、固體原料輸送系統(tǒng)以及至少一個(gè)粒子阻擋裝置，各包含于產(chǎn)生晶錠(諸如，硅晶錠)的成長室內(nèi)。成長室包括形成可加熱的空間(其中提供有坩禍)的側(cè)壁和頂壁。坩禍可含有包括硅的預(yù)進(jìn)料，其在成長室內(nèi)的坩禍中熔化。坩禍可用一個(gè)或多個(gè)臺(tái)座從下方支撐，而且可為任何本領(lǐng)域中已知用于結(jié)晶生長且能含有固體和液體材料兩者(特別是固體和液體硅)者。例如，坩禍可為石英坩禍或可為含有石英內(nèi)襯料的石墨坩禍。取決于如結(jié)晶成長系統(tǒng)的幾何，坩禍亦可具有任何橫截面形狀，但典型地具有圓形橫截面形狀。
[0031]坩禍包括至少兩個(gè)區(qū)域，各由具有至少一個(gè)開口(諸如切口、孔或管)的壁或其他分離裝置分隔，以在該等區(qū)域之間提供限制的流體連通。例如，坩禍可包括壁以將其分成兩個(gè)區(qū)域，即內(nèi)區(qū)域(本文中稱為內(nèi)成長區(qū)域)和外區(qū)域(本文中稱為外進(jìn)料區(qū)域)。此等區(qū)域彼此流體連通。內(nèi)區(qū)域?yàn)槠鹗季уV的成長且使晶錠從其生長之處，而外區(qū)域在晶錠生長時(shí)將額外的材料供入內(nèi)區(qū)域。因此，當(dāng)因結(jié)晶制程而從內(nèi)成長區(qū)域移除材料時(shí)，新的材料可從外進(jìn)料區(qū)域進(jìn)入。較佳地，內(nèi)成長區(qū)域及/或外進(jìn)料區(qū)域含有欲于其中熔化的包括硅的固體預(yù)進(jìn)料，而且可進(jìn)一步包括至少一種摻雜物材料，包含，例如、磷、硼、鎵、銦、鋁、砷或鋪。
[0032]在晶質(zhì)晶錠生長和取出之前，或較佳為同時(shí)，本發(fā)明的CZ成長設(shè)備的固體原料輸送系統(tǒng)提供固體原料至坩禍。因此，較佳地，固體原料輸送系統(tǒng)能在坩鍋加熱同時(shí)，輸送固體形式材料至坩禍。在整個(gè)晶錠成長的過程中，可連續(xù)地或分批地(半連續(xù)地)提供原料。較佳地，該原料包括硅(包含冶金等級硅或太陽能等級硅)，而且進(jìn)一步可包括至少一種摻雜物材料，諸如，磷、硼、鎵、銦、鋁、砷或銻。
[0033]可使用各種用于將固體材料運(yùn)輸至坩禍的裝置。例如，固體原料輸送系統(tǒng)可包括進(jìn)料器，諸如，凹槽系統(tǒng)透過該凹槽系統(tǒng)提供控制量的固體硅給坩禍。進(jìn)料器可包括至少一個(gè)懸伸于坩禍上的輸送點(diǎn)。當(dāng)坩禍包括內(nèi)成長區(qū)域和外進(jìn)料區(qū)域時(shí)，較佳為固體原料輸送系統(tǒng)提供材料至坩禍的外進(jìn)料區(qū)域，以對從其生長或拉出晶質(zhì)晶錠的熔化硅的干擾最小化。美國專利申請案第13/446，414號描述有用于本發(fā)明的CZ成長設(shè)備的適合的固體原料輸送系統(tǒng)的具體實(shí)例，其全部內(nèi)容以參考方式并入于本文中。因此，當(dāng)因結(jié)晶制程而從內(nèi)成長區(qū)域移除材料且新的材料從外進(jìn)料區(qū)域進(jìn)入內(nèi)成長區(qū)域時(shí)，藉由輸送系統(tǒng)提供額外的固體原料至外進(jìn)料區(qū)域，藉以維持用于連續(xù)成長晶質(zhì)晶錠的相對穩(wěn)定熔化材料來源。
[0034]本發(fā)明的CZ成長設(shè)備可進(jìn)一步包括安置在坩禍上的隔熱屏蔽，較佳為安置在坩禍的內(nèi)成長區(qū)域上。當(dāng)坩禍中維持熔化的進(jìn)料時(shí)，該屏蔽保護(hù)生長中的晶錠免于過度地加熱，故該屏蔽是由能抵擋成長設(shè)備內(nèi)的高溫和條件低傳熱性的材料所制成，或包括該材料。本領(lǐng)域中已知有各種種類的隔熱屏蔽，而且任何這些都可用于本發(fā)明的設(shè)備。尺寸和形狀將取決于成長設(shè)備的幾何。例如，對于具有圓形橫截面形狀且用以形成具有略圓形橫截面形狀的硅晶錠的坩禍，較佳為隔熱屏蔽亦具有圓形橫截面形狀且?guī)缀温灾位蝈F形。更佳地，隔熱屏蔽具有倒錐形狀，即屏蔽的頂部的橫截面面積大于在底部的橫截面面積，而且具有夠大以使生長中的晶錠通過直徑的底部。
[0035]本發(fā)明的CZ成長設(shè)備可進(jìn)一步包括至少一個(gè)系統(tǒng)，從該系統(tǒng)可起始晶質(zhì)晶錠的成長。例如，該設(shè)備可進(jìn)一步包括拉取機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)包含在其上支撐有小晶質(zhì)晶種(諸如，硅結(jié)晶)的伸縮式索