CN102400218A - 用于单晶硅连续生长的系统 - Google Patents

Abstract

用于单晶锭连续生长的基于Czochralski法的改进系统，包括低长宽比、大直径以及基本平坦的坩埚，该坩埚包括围绕晶体的任选堰。低长宽比坩埚基本消除对流并减少最终单晶硅锭中的氧含量。独立的水平可控硅预熔化室为生长坩埚提供熔融硅的连续源，有利地消除了在晶体提拉过程中对垂直移动以及坩埚抬升系统的需求。坩埚下面的多个加热器建立横跨熔体的相应热区。分别控制各加热器的热输出以提供横跨熔体以及在晶体/熔体界面处的最佳热分布。提供多个晶体提拉室用于连续加工和高生产量。

Description

用于单晶硅连续生长的系统

本申请是申请日为2005年2月25日、申请号为200580006256.2、发明名称为“用于单晶硅连续生长的系统”(PCT/US2005/006058，进入国家阶段日期2006年8月28日)之申请的分案申请。

技术领域

相关申请

本专利申请要求享有在2004年2月27日提交的美国专利申请No.10/789,638的权益。

本发明领域一般涉及通过Czochralski(CZ)技术生长硅晶体。具体地，本发明领域涉及基于Czochralski法改进的连续和快速生长超纯、高少数载流子寿命单晶硅的系统和方法。

背景技术

参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大的(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大的(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。参考图1A和1B，为了可用于制作半导体电子元件，硅必须形成为大(约10-30cm直径)、几乎无缺陷的单晶，这是由于晶界以及其它晶体缺陷使器件性能降低。需要先进的技术以获得这种高质量的单晶。这些晶体可以通过Czochralski(CZ)技术或浮区(FZ)法形成。

参考图1A和1B，在常规的CZ技术中，多晶硅片首先在生长室102内部的熔融石英坩埚100中在刚好高于硅的熔点1412℃的温度下在惰性气氛(通常为氩)中熔融。然后将具有所需晶体取向的高质量籽晶101通过提拉室106下降到熔体122中同时旋转。坩埚100同时反方向旋转，以促使熔体中的混合和使温度不均匀最小化。部分籽晶溶解到熔融硅中，以去除被玷污(strained)的外部以及暴露新的晶体表面。然后通过晶体提拉机构108从熔体122缓慢抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。然后通过晶体提拉机构108缓慢从熔体122抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。

然后通过晶体提拉机构108缓慢从熔体122抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。在生长期间维持的小心控制的条件下，新硅原子使已经固化物质的晶体结构延伸。通过常规反馈机制控制提拉速度和温度获得所需的晶体直径。以这种方法制造硅的圆柱形单晶锭。

发明内容

技术问题

当利用布置在坩埚垂直壁周围的加热器元件在典型窄直径、高宽度、高长宽比坩埚100中加热熔融硅122的高温装料(charge)时，在常规CZ方法中出现了问题。驱使热通过坩埚壁以加热装料在坩埚上产生应力并且缩短其使用寿命。在每一个生长循环之后，残留在坩埚底部的熔融硅固化并且扩张到一定程度，以致可以使坩埚破裂。因此，在常规CZ方法中，坩埚通常是一次性使用的制品。

硅必须持续加热以在坩埚中保持熔融。因此，参考图1B，在具有围绕坩埚垂直壁布置的加热器118的常规高长宽比、窄直径CZ坩埚100中，贯穿熔体的温度分布的特征在于，在坩埚的热壁和如109所示熔体/晶体界面处的固化区中晶体中心最冷点之间存在高的热梯度和大的温度差。因此，横跨熔体/晶体界面处的固化区存在明显的径向温度梯度以及对流速度梯度，并且邻接壁的区域被加热到所不希望的高温并附带有过高的对流速度以及热扰动。这种条件对高质量无缺陷晶体的最大提拉速度而言不是最佳的。为了以更快的速度生长更高质量的硅，需要不同的坩埚以及加热器设计，以在熔体/晶体界面107处的固化区中提供具有最小化的热梯度和对流速度梯度的均匀温度分布。

常规CZ生长的硅与理想的单晶硅不同，这是由于它包括在制作集成电路器件或高转换效率太阳能电池中所不希望的缺点或缺陷。在固化之后晶体冷却时，在晶体生长室中形成单晶硅中的缺陷。缺陷通常分为点缺陷或团聚体(三维缺陷)。点缺陷有两大类型：空位点缺陷和填隙点缺陷。

在空位点缺陷中，硅晶格中硅原子从它的一个正常位置上缺失。这种空位产生点缺陷。

当在硅晶体中发现硅原子在非晶格位置(填隙位置)时，出现填隙点缺陷。如果单晶硅内这种点缺陷的浓度达到临界饱和水平，以及如果点缺陷的迁移率足够高，则会发生反应或团聚事件。

在常规CZ方法中，点缺陷通常在硅熔体和固态硅之间的界面处形成。这种缺陷的出现部分是由于晶体周围的热扰动，该热扰动是由对流以及不能够精密控制和或维持最佳温度分布而产生，特别是在晶体/熔体界面处的固化区中。

因此，需要具有多个独立加热区的改进加热系统，以有助于控制晶体形成速度和缺陷密度。而且，这种结构应该基本消除导致形成点缺陷的对流以及热扰动。还希望使在生长期间照射晶体的辐射能最小，允许更快的晶体冷却和更高的提拉速度。在常规CZ方法中，最热的表面是没有浸没到熔体中的部分坩埚壁。高长宽比坩埚使得该表面紧密靠近冷却锭，很大程度上通过辐射加热抑制了锭的最佳冷却。

常规CZ生长硅的另一个问题是，它含有大量的氧。这是由于典型高长宽比、窄直径坩埚的组成和结构，其中对流擦洗坩埚壁并且将杂质输送到熔体中并最终到达晶体本身。对流将氧加入到由容纳熔融硅的坩埚壁上熔融石英(二氧化硅)的缓慢溶解而产生的熔体中。将氧引入到熔体中会导致最终晶体中的缺陷。

在光电以及其它应用中，硅中的高氧含量不利地影响少数载流子寿命和大大降低性能，并且在光电器件中降低转换效率。

因此，需要可以使氧向熔体中的引入最小化以及提供以高的少数载流子寿命为特征的基本无氧硅的坩埚设计，用于光电和其它应用。对坩埚使用特殊涂层或材料会使坩埚抵抗由于熔融硅而引起的破坏，但是当前这并不切实可行，因为坩埚是一次性使用的制品并且在每一次使用后的冷却期间被未使用的硅的固化所损坏。

因此，还需要新的坩埚设计，这种设计能够使可用坩埚寿命延长，经过许多操作循环而没有损坏，因此可使得潜在较高费用的惰性坩埚表面变得经济可行。

常规CZ方法的其它问题是，不能够控制横跨熔体以及横跨所产生晶体的掺杂剂浓度。对于许多集成电路工艺，所需掺杂剂密度被加入硅中。这样的掺杂剂浓度是通过将小心控制的少量所需掺杂剂元素例如硼或磷结合到熔体中来获得的。为了精确控制，通常将少量重掺杂硅加入到未掺杂熔体中。在硅的提拉晶体中掺杂剂浓度通常小于熔体中掺杂剂浓度，这是由于当硅固化时掺杂剂从晶体中排出到熔体中。当晶体生长时这种偏析导致熔体中掺杂剂浓度不理想地增加。晶体的籽晶端因此不如尾端掺杂得重。

偏析效应还是包括温度在内的条件的函数。因此通过固化区、晶体/熔体界面的非均匀温度分布沿晶体半径提供了不理想的掺杂剂浓度梯度以及伴随的电阻率梯度。因此，还需要简化的坩埚设计，该设计使偏析最小化并且使整个晶体的掺杂剂浓度以及电阻率能够基本均匀。

技术解决方案

为了克服常规CZ加工系统的上述缺点，本发明的一个方面提供用于连续晶体生长的系统，包括低长宽比、大直径以及基本平坦的坩埚，该坩埚包括围绕晶体的任选堰。大直径、低长宽比坩埚基本消除对流并减少最终单晶硅锭中的氧含量。多个晶体提拉室相对于坩埚布置，使得当晶体生长完成时第一提拉室将完成的硅锭移出生长区以冷却，后续提拉室移动来将新晶体定位于生长区中，因此消减了与冷却晶体相关的时间并提供具有高生产量的连续晶体生长。

独立的水平控制硅预熔化室为生长坩埚提供熔融硅的连续源。这有利地消除了在晶体提拉过程中对坩埚抬升系统以及生长坩埚垂直移动的需求，因此大大简化了CZ晶体生长系统。应该理解的是，消除了对坩埚垂直移动以及坩埚抬升系统的需求使得除了围绕垂直壁布置的加热器元件之外，可控加热器元件还能横跨生长坩埚底部布置。

有利效果

具有布置在底部的环形加热器元件的低长宽比坩埚有利地提供热分布，该热分布的特征在于在坩埚壁和熔体/晶体界面处的固化区中晶体中心最冷点之间的低热梯度和小的温度差。因此横跨熔体/晶体界面处的固化区的径向温度梯度以及对流速度梯度明显减少，从而提供通过熔体/晶体界面处的固化区的均匀和最佳条件。此外，与壁邻接的区域不再被驱使到过高的温度。因此，作为引起点缺陷主要原因的对流和热扰动再次被最小化，从而有助于均匀和最佳的条件。

最小化对流还减少由擦洗石英坩埚壁而引入到熔体中的氧的量，使得能够生长与利用常规CZ系统可能获得的晶体相比具有更少缺陷和更低氧含量的晶体。锭生长期间来自独立预熔化室的熔融硅连续流结合所需掺杂剂的加入使得能够补偿偏析并在生长的晶体中轴向(纵向)和径向形成基本均匀的掺杂剂浓度。

在最终晶体中实现氧的减少以及其它杂质的减少和晶格中位错的减少的优点特别是可用于为改进的、高转换效率光电器件提供提高的少数载流子寿命。

低长宽比坩埚增加了没有浸入熔体中的热坩埚壁和冷却锭之间的距离，从而减少辐射加热并允许最佳地冷却所述锭。

多个晶体提拉室关于坩埚可转动或按序布置，这样当第一单晶硅锭完成时第一提拉室将完成的硅锭移出生长区以冷却，后续提拉室移动来将新晶体定位于生长区中。提拉室在生长区的顺序定位实现了连续过程，消减了与冷却每一个晶体和改变到新坩埚相关的时间，因此提供了用于高生产量的连续晶体生长的系统。由于在连续工艺中坩埚和熔体没有冷却和再加热到熔融温度，因此节省了相当的能量。而且，加热器和坩埚周围的大气不对环境大气开放，因此较少杂质和污染物被引入在晶体提拉室中。

引入到熔体中的杂质，例如由坩埚内对流的擦洗作用而引入的，取决于硅在坩埚中的平均停留时间以及熔体和坩埚之间的接触表面积，特别是坩埚的垂直壁的表面积。在本发明的一个方面，通过改进循环时间使停留时间最小化并通过最佳化的低长宽比坩埚设计使平均接触面积最小化。应该理解的是，这些考虑将应用于预熔化器，使其尺寸以及停留时间和熔体接触表面积最优化。

本发明的另一方面提供将熔体中温度保持为约1420℃的增强的温度控制，使得温度在熔体和晶体之间具有最佳热分布，从而加速晶体生长。为了在晶体和熔体之间的临界界面处实现这种最佳热分布，以辐射状模式横跨生长坩埚底部布置多个环形、独立监控的加热元件，尽可能靠近壁和生长坩埚底部。加热元件利用主动反馈独立控制，使得能够快速热响应并分配热工作负荷，从而横跨晶体和熔体之间以及晶体和坩埚壁之间的界面实现最佳热分布。这还有助于改进坩埚寿命以及减少在最终单晶硅中的氧和其它杂质。

与常规CZ系统相比，生长坩埚不再是一次性使用的制品，而可以重复使用多个晶体生长循环。因此，接触熔融硅的生长坩埚表面提供有相对于熔融硅为惰性的α或β碳化硅涂层或类似陶瓷涂层，进一步保护以防止熔体中引入氧。应该理解的是，由于类似的原因，预熔化器可以由这些有利材料来制作。

本发明上述方面有利地防止熔体中引入氧并提供能够使用约10或更多次晶体生长运行的坩埚，同时实现具有提高的少数载流子寿命的基本上为浮区品质(float zonequality)的单晶硅产品。在最终硅晶体中实现的氧减少对于为诸如改进转换效率光电器件的应用提供提高的少数载流子寿命而言特别有用。

附图说明

为了清楚起见，附图是启发性的。结合下文说明、所附权利要求以及附图，将更好地理解本发明的上述和其它特征、方面以及优点，其中：

图1A是常规CZ系统的示意性侧视图。

图1B是示出贯穿熔体的不理想温度梯度的常规CZ系统的示意性侧视图。

图2是根据本发明一方面的用于生长提高纯度的单晶硅的系统的示意性侧视图。

图3A是根据本发明一方面的示出预熔化器和单个可控加热元件的晶体生长系统的示意性侧视图。

图3B是根据本发明一方面的如图3A所示的晶体生长系统的简化俯视图。

图3C是根据本发明一方面的示出贯穿熔体的改进热梯度的宽直径、低长宽比坩埚的示意性侧视图。

图4是根据本发明一方面的用于晶体生长系统的预熔化器的侧视图。

图5是表示根据本发明一方面的用于建立横跨坩埚的最佳热分布的加热器控制系统的示意图。

图6是表示根据本发明一方面的坩埚中水平控制系统的示意图。

具体实施方式

参考图1A和1B，在常规CZ系统中，在生长室102中在惰性气氛下将多晶硅片熔于熔融石英坩埚100中。室102中的气氛通常是氩气并且根据公知技术通过隔离阀104控制。硅容纳在刚好高于硅的熔点1412℃的温度下坩埚100中。然后将具有所需晶体取向的高质量籽晶在晶体提拉室106中下降以接触坩埚100中晶体熔体界面107处的熔体，并同时旋转。坩埚100同时反方向旋转，以促使熔体中的混合和使温度不均匀最小化。将一部分籽晶溶解于熔融硅中，以去除玷污(strained)的外部并暴露新的晶体表面。

然后通过常规提拉机构108在晶体提拉室106中从熔体缓慢抬升或提拉籽晶。当籽晶上升时，它冷却并且来自熔体的材料粘附于它，因此形成较大的晶体或锭103。晶体或锭103的主体通过控制提拉速度以及熔融温度来生长，同时补偿坩埚中降低的熔体水平。即，随着晶体生长，坩埚100中的熔融硅被消耗。为了相对于布置在坩埚垂直壁周围的加热器补偿坩埚100中熔体的变化水平，坩埚100必须以小心可控的方式从起始晶体生长位置112垂直抬升到最后或最终位置114。

必须提供复杂机构以使坩埚的垂直移动与晶体的提拉相配合。坩埚的垂直移动必须在垂直方向上精确地与晶体的提拉相配合，这样小心地保持晶体和熔体之间的恒定界面并且晶体和熔体之间的界面关于加热器正确定位。

晶体的直径通过减小或增加它的提拉速度和/或熔融温度来控制，直到达到所需的或目标直径。初始提拉速度通常相对较快。提拉持续到熔体几乎耗尽。设计提供坩埚垂直移动与晶体提拉机构精确配合的装置是非常昂贵的。

图1A和1B示出与常规CZ坩埚和加热器布置相关的另外的缺点。常规CZ坩埚100的特征在于窄直径、高长宽比。为了容纳用于生长晶体的所有熔融硅，高长宽比是必须的，这是由于通常没有用于熔体补充的手段。作为替代，当坩埚中的硅被消耗时，坩埚100必须在垂直方向上移动(从起始位置112到最终位置114)以配合晶体的提拉。

加热器元件118提供在坩埚100的周围并在熔体中产生温度分布，其不利地使加热器、坩埚壁、熔体以及悬浮在熔体中心的晶体之间的热梯度(DT)最大化，并且会导致坩埚壁达到过高温度。这不利地使晶体生长变慢。

另外，在窄直径、高长宽比坩埚100中产生对流。对流不利地影响单晶硅的纯度。常规CZ坩埚100由诸如熔融石英的材料构成。熔融硅将常规熔融石英坩埚壁分解为硅和氧。对流擦洗坩埚壁并将氧和其它杂质传送到熔体中。这不利地影响生长晶体中的纯度和缺陷结构。对流还产生围绕生长晶体的不利热扰动，这可以招致缺陷进入晶体。

当晶体生长完成时，没有从坩埚100去除的残留熔融硅固化时大大膨胀并使坩埚破裂。典型CZ坩埚100因此是一次性使用的制品，在每一个硅锭生长之后即被抛去。

宽直径、低长宽比的坩埚

参考图2，根据本发明一方面的晶体生长系统提供固定的、宽直径、低长宽比坩埚200，坩埚200提供在生长室202中，生长室202又提供有底部201。常规隔离阀204以公知的方式在生长室202和多个晶体提拉室210a和210b中提供真空或者控制气氛。坩埚200的宽直径、低长宽比结构提供有使辐射热最小化的装置，例如热屏蔽205，用于使生长期间照射晶体或锭203的辐射能量最小。热屏蔽205是碳化硅、石墨或其它高温材料的平面部件，其支撑性地安装在生长室202的壁上并且具有尺寸与硅锭203相配合的内部孔。邻接孔的环形区域211向下朝熔体偏斜，以减少沿锭203的热流并且当锭从熔体222中移除时使热冲击最小化。

参考图3A，任选堰220布置在晶体/熔体界面和硅预熔化器208的出口228之间的熔体222中。堰220安置在坩埚200的底部上，或者作为替代，可以通过支撑装置例如在坩埚内壁上提供的任意方便的由惰性材料组成的支撑结构来支撑。堰220的顶部延伸到熔体222的表面之上。堰的目的是使来自预熔化器208的熔融硅能够分配到熔体中，而不在熔体中形成纹波或形成热扰动，这些波纹或热扰动会干扰熔体中的温度分布并且不利地影响正在生长的硅晶体224。堰220的特征在于相对于它的直径而言高度低，并且堰220通常是圆柱形，并且在延伸到熔体表面之下的堰部分中提供有孔，以使得可以在熔体中实现所需的热分布。

宽直径、低长宽比生长坩埚200还防止或大大减少了在熔体中对流的形成以及对坩埚的附带擦洗作用，还减少了氧的引入。在优选实施方案中，坩埚的低长宽比(直径对高度)为4∶1-10∶1，优选约8∶1。相反，常规坩埚具有约1∶1-1∶4量级的长宽比。

此外，环形加热元件以辐射状模式布置在坩埚底部上或尽可能接近坩埚底部，由于需要抬升机构因此这在常规CZ生长器中是不可能的。除了围绕坩埚周围布置的加热器之外，环形加热器在熔体中提供相应的加热区。这产生了贯穿熔体的基本水平的最佳热分布。还提供了最佳热分布，特别是在晶体和熔体之间的临界界面处。改进的温度控制提供了加速晶体生长，其超出了现有可能的晶体生长。

粒状多晶硅在低长宽比坩埚中的熔化

常规坩埚具有高长宽比以及抬升机构，使得在晶体生长期间坩埚中熔体水平相对于坩埚侧面的加热器可以保持恒定。通常在坩埚底部下面没有加热器。

当这种坩埚装入多晶硅材料时，在熔体下降期间温度分布高度不均匀。在最接近加热器的坩埚壁处温度最高，并且在熔化材料的顶部和底部比中心更凉。当多晶硅是小颗粒(＜1mm直径)、大表面积、在颗粒之间具有极小接触点以及空气是优良绝缘体的粒状形式时，该问题大大加剧。颗粒之间的热流趋向于在它们的接触点处将它们熔合在一起。其它热流通过辐射产生，在该阶段通过对流产生的极少。最接近加热器的颗粒首先熔融，在边缘和中心的那些跌落到坩埚的底部，留下横跨顶部表面的熔合颗粒桥以及桥下面的气孔。当然液体硅占据的体积远小于颗粒。组合效应将妨碍熔化过程，并且必须小心以免驱使接近加热器的熔融温度达到过高水平，否则污染物水平将增加。存在减少问题的技术，但是它们要求严格并且费时，例如，使坩埚向上抬升通过加热器，使得颗粒团的顶部首选熔融，而且应小心以免从侧面驱使太多的热。

参考图3B，根据本发明的一方面，低长宽比坩埚200除侧面加热器219之外还具有以辐射状模式布置在其底部之下的多个环形加热器218，以提供更加均匀的温度分布，这是由于a)颗粒在坩埚中的深度较低和b)环形底部加热器218，所述环形底部加热器218以更加可控的分配横跨坩埚的整个底部表面积来施加热。环形底部加热器218优选是如有关图5所描述的单个可控的平面电阻加热元件。每一个加热元件218在熔体中产生相应加热区，以提供贯穿熔体的最佳温度分布。与高长宽比坩埚相比，颗粒和低长宽比坩埚的热壁之间的接触表面积更大，将更多的热驱使到颗粒中。因此，颗粒的整个团熔融更加均匀并且速度更加快，并且不附带与靠近加热器温度过高有关的污染。

参考图3C，具有环形底部加热器218的低长宽比坩埚200实现了以贯穿熔体222的基本水平分布为特征的热梯度223。与分批次工艺相比，在使用低长宽比坩埚的连续工艺中，更容易传递热以熔融初始装料，这是由于：a)较少量的多晶硅“装料”在启动时熔融和b)预熔化器208提供液态硅以湿润颗粒，这在颗粒之间提供了更大面积的热接触并加速熔化过程。注意：预熔化器还被设计用以在颗粒周围提供均匀加热而不是从一侧加热，从而进一步增强熔化过程。

预熔化器

参考图3A、4和5，预熔化器208包含单独的容器，用于熔化一定量的固体原料并为生长坩埚200提供生长晶体的熔融材料的恒定源。在单晶硅的情况下，固态硅原料的源209例如硅片、块、颗粒或棒通过流控制器件212以足够补充生长坩埚的速度提供到预熔化器208。

预熔化器可以远离生长室单独布置，如图5和6所示。在优选实施方案中，预熔化器208包含提供在生长室202内部的独立容器，以熔化一定量的原料并将其提供到熔体222的表面。这有利地将预熔化器208置于可控气氛的生长坩埚222中，并使来自预熔化器的熔体需移动达到坩埚的距离最小化。

参考图4，预熔化器包含熔化室400。预熔化器由能够耐高达约1590℃温度的石英材料构成。熔融碳化硅、结合碳化硅的氮化硅或类似材料也可用于预熔化器。一个或多个电阻加热器402适当地布置在熔化室下面或靠近熔化室布置，用于熔化一定量的固态晶体原料。任选的热导体404可以布置在加热器402和熔化室400之间。热导体404还是电绝缘体。热导体404散射来自加热器的热通量并降低由预熔化器石英壁可见的最大温度。热导体404还为温度超出约1590℃温度的石英熔化室提供机械支撑。加热器还任选地可布置在熔化室周围。

掺杂剂和固态硅或晶体原料209的源通过流控制器312提供到熔化室400的第一部分中硅水平410处或之上的进口408。堰414限定包括进口408的熔化室第一部分416，并且还限定包括坩埚出口的第二部分418。熔化室400的独立第一部分416提供有进口408，以直接或通过原料和掺杂剂源209来接收预定量的固体掺杂剂材料。作为非限制性实例，掺杂剂材料可以是0.125×0.125×0.25英寸量级的重掺杂晶圆小片，加入速度至多10小片/锭。锭流中的后续锭将需要较少小片。所需掺杂剂小片的量是晶体生长时所吸收掺杂剂的量的函数。即，小片简单地注满从熔体吸附到晶体中的掺杂剂。将掺杂剂加入预熔化器中避免了可由固体块掺杂剂加入熔体中而产生的热扰动以及非均匀的温度分布，这种温度分布问题可由熔合潜热和热容量(质量×比热×DT)使掺杂剂材料高达熔融温度而产生。注意：这种热扰动温度与当直接将固态硅原料加入到熔体中很相似，但是减少很多。由于横跨熔体的最佳热梯度以及通过分别单个控制加热元件而控制熔体中的热区，可以在横跨生长晶体的半径范围内维持均匀热分布。因此，掺杂剂材料在进口408的加入可以在最终锭中提供基本均匀的轴向(纵向)和径向电阻率或电导率。第一堰414在第一部分416底部提供有流控制出口420。

熔融硅从第一部分416的底部通过出口420进入熔化室400的第二部分418。然后熔融硅使第一部分中水平410升高。由于固态颗粒或未熔融的硅片浮动，关键的是在预熔化器中提供堰414，以确保仅仅熔融硅或晶体原料利用堰的流控制出口420流通到第一预熔化器部分416的底部然后从底部向上填充第二部分418。从出口424进入坩埚熔体的熔融硅或熔融晶体原料因此从预熔化器的底部被抽取。这种设置有利地保证了由于密度低于熔融硅而漂浮在熔融硅中的未熔融、固态材料不直接穿过从而到达熔化室400的第二部分418以及生长坩埚。

出口管424还可用作第二堰并控制预熔化器的熔化室400中的熔体水平。出口管424包含具有进口以及在其远端的出口的管，所述进口接收来自熔化室400的第二部分418的熔融晶体原料，所述出口提供基本恒定的源，用于将熔融晶体原料补充到坩埚的熔体中。出口管424促使熔融晶体原料流沿其内表面进入生长坩埚的熔体中。

出口管424的特征在于足够尺寸的内径，约1cm，以克服熔融原料的表面张力(熔融硅的表面张力比水高约30倍)。对于预熔化器中给定高差的熔融晶体原料，表面张力倾向于阻止或限制流过出口管。因此，管的直径被最优化以克服表面张力，同时使可引起坩埚中熔体过度扰动的飞溅影响最小化。出口管的远端位于坩埚中熔体水平之上的位置，选择一定的高度使得当将熔融原料和掺杂剂排入熔体以连续补充坩埚时扰动最小化。因此出口管的设计进一步在晶体熔体界面保持静态热条件，从而在最终晶锭中产生基本均匀的轴向(纵向)和径向电阻率或电导率。

以这种方式，预熔化器208为生长坩埚200提供熔融硅的基本恒定的源，补充由生长晶体所吸收的硅。这使得生长坩埚200中的熔体能够相对于生长晶体保持在恒定的水平，而不需要坩埚垂直移动，并且还使得坩埚中的熔体水平能够根据需要增加或减少。这有利地消除了在常规CZ系统中必须用来使坩埚垂直移动以配合晶体提拉的复杂机构。这种通过预熔化器的补充还使加热器能够布置在坩埚的底部。本发明的这方面大大简化了生长单晶硅所需的装置并最终能够以较低成本加速生产单晶硅。

通过使用预熔化器208而基本连续添加熔融硅消除了在关闭炉或加热元件以再装填坩埚200和再熔化硅中所涉及的时间消耗和能量浪费。使用熔融硅原料的基本连续源来补充熔体使得熔体与坩埚接触的时间最小，因此进一步限制了氧被吸收到熔体中。由于原硅在预熔化器中熔融的量非常小并且很快流入生长坩埚中，停留时间以及接触表面积同样被最小化。此外，不需要将生长室对环境大气开放以置换坩埚和提供新的硅装料的过程，该过程将新污染物引入生长室中。

硅预熔化器208的另一个优点是，由于可以在再装填过程中加入掺杂剂，因此可以更好地控制晶体的轴向电阻。这有利地消除了在通过常规CZ法生长的晶体表现出的轴向电阻率梯度。熔体中偏析的影响以及晶体中所产生非均匀掺杂剂特征被基本消除。利用与生长坩埚200连通的独立硅预熔化器208的另一个优点是消除了硅装料的高温初始熔化，使生长坩埚上的应力最小化并减少沉淀到熔体中的氧。

应该理解的是，预熔化器可以由惰性材料制成或涂覆，例如烧结的碳化硅或类似陶瓷，或者由其它相对于熔融硅具有惰性特征的材料涂覆，例如钽、铌或其氧化物和化合物，以减少熔体中的氧和其它杂质，这对坩埚是常有的情况。

结合低长宽比、非反应性、烧结碳化硅坩埚200的硅预熔化器208以及晶体生长期间可控掺杂剂原料基本上消除了引起少数载流子复合的缺陷结构和位置的偏析、高纯度水平和氧沉淀。本发明的这方面在为高转换效率太阳能电池提供更高少数载流子寿命硅方面特别有用。

多个晶体提拉室

再参考图2和3A，在旋转圆柱体212上提供多个提拉室210a、210b，圆柱体212又通过轴214来支撑。应该理解的是，多个提拉室210a、210b还可以布置成可移动、线型支撑元件，用于将每一个连续提拉室中的籽晶相继定位到生长室202内的坩埚200中的生长区中。多个提拉室210a、210b因此相对于生长室202可旋转或按序布置。当第一单晶硅锭完成时第一提拉室210a将完成的硅锭移出坩埚200中的生长区以及生长室202以冷却，后续提拉室210b移动来将新晶体定位于生长室202中并移到坩埚200中的晶体/熔体界面处的生长区。隔离阀206关闭以控制生长室202和相关提拉室中的气氛，并生长新的晶体。

提拉室210a、210b在坩埚200中生长区处的相继定位是连续过程中的最终步骤，使硅在生长坩埚中的停留时间最小化、消减了与冷却每一个晶体、变换新坩埚、再装填坩埚、排空生长室以及将装料再加热到熔融温度相关的时间；因此提供了具有高生产量的加速、连续晶体生长系统。而且，这种连续过程消除了生长坩埚的一次性使用的特征，并且使生长坩埚能够用于多个(10个或更多)晶体生长循环。

坩埚的组成

再参考图2、3A、3B和3C，本发明另一方面提供低长宽比、宽直径的坩埚200，该坩埚由对熔融硅为惰性的材料构成，例如α或β烧结碳化硅、氮化钽或类似不含二氧化硅的陶瓷。作为替代方案，坩埚200的内部含硅表面可以根据公知技术提供有这种惰性材料涂层。这种理想的惰性材料由压缩并烧结的碳化硅颗粒和烧结助剂的混合物组成。与反应结合的碳化物不同，不存在游离硅。这种直接烧结材料没有金属相并因此耐化学侵袭。α碳化硅是指六角结构，β碳化硅是指立方结构。

这种烧结碳化硅材料可以从CARBORUNDUM Corp.获得，名为SA-80；从GENERAL ELECTRIC获得，名为Sintride；和从KYOCERA获得，名为SC-201。

由上述烧结碳化硅材料组成的化学惰性生长坩埚200在常规CZ生长法中是未知的，这是由于常规坩埚是一次性使用后即丢弃的制品，并且没有在坩埚表面上提供烧结碳化硅或陶瓷坩埚或这种涂层的动机。

常规CZ生长法没有考虑使用坩埚材料例如烧结碳化硅，以基本消除氧向熔体中的引入。在常规CZ系统中，生长坩埚通常是在一次或两次生长循环之后即被丢去。因此，碳化硅涂层或由更高成本材料制成的坩埚将大大增加常规CZ系统的成本。应该理解是，出于同样的原因，这些材料还可有利地用于预熔化器中。

此外，源自生长坩埚壁的氧沉淀先前没有被认为是严重的问题，并且甚至可能在集成电路或其它电子器件中有益。氧从其它杂质趋向于积累的位置沉淀。这种氧沉淀可以以预定方式从有源器件区遥控定位到最终IC晶片中。然后氧沉淀用作吸引所不需要的杂质远离电学上的有源区域的收集位置，由此改进器件性能。

但是，根据本发明的一方面，认为氧沉淀和相关的缺陷对将用于特定应用例如太阳能电池的硅中的少数电荷载流子寿命而言是问题。在太阳能电池中，如果在到达电接触之前，光电池中一些所产生的载流子在硅中缺陷、杂质或氧沉淀位置处复合，那么输出电流减少。跨越多个太阳能电池，这种缺陷会严重地减少输出电流。

加热器和熔体温度控制

图3B、3C和5表示提供温度的封闭环路控制的加热器和熔体温度控制系统，其特征在于横跨熔体的最佳温度分布和在熔体/晶体界面207处的固化区中均匀的最佳温度条件有助于控制晶体形成速度和进一步使缺陷密度最小化。

参考图3B和5，多个环形电阻加热元件218以辐射状模式布置在低长宽比坩埚200的下面。另外的电阻加热元件219围绕坩埚200外壁的周围布置。环形加热元件218和侧壁加热元件219由加热器控制240单个控制以产生独立的加热区，从而提供横跨熔体的最佳温度分布。加热器控制240包括微处理器控制器，用于对来自传感器234的信号作出响应从而控制并监测每一个加热器元件的作用时间、功率消耗以及由此的热输出。

对于每一个单独可控电阻加热元件可以维持所需的热输出，由此实现横跨熔体和横跨生长晶体半径范围的最佳温度分布。所需的热输出和所产生的温度分布通过加热器控制240的微处理器来测量每一个单独可控电阻加热元件的功率消耗来推出。每一个加热器的功率消耗对应于实现最佳温度分布所需的热输出。加热器控制240根据监测的功率消耗将功率施加到每一个加热器元件，以获得可重复状态，这样相应热区驱使热均匀地进入熔体中。应该理解的是，有利的加热器布置和可控热区还可用于驱使热均匀进入包括固体颗粒的熔融材料。加热器布置还可用于均匀加热和熔融固体，例如颗粒、颗粒和片的组合以及固态晶体原料的片或块。由于在低长宽比坩埚下面单独控制的加热器的最佳布置，横跨固态材料片之间的接触点进入原料的热通道被最小化。当使用小片或颗粒时，这是特别重要的，这是由于给定团块或材料的相邻片或颗粒之间具有更多的接触点，因此减少或限制了热流。这有效地在坩埚中提供更大的接触表面积并缩短进入包括固体材料的原料的热通道。

这克服了在常规CZ系统中的问题，在常规CZ系统中，最靠近加热器的固体材料特别是小片和颗粒首先熔融并且在边缘和中心的那些跌落到坩埚的底部，留下横跨顶部表面的熔合颗粒桥以及桥下面的气孔。

因此，横跨熔体建立了代表最佳热分布的一系列热区。每一个热区对应于独立可控电阻加热器元件218的热输出。包含一个或多个光学高温计的温度传感器234采集横跨熔体的每一个独立热区的温度读数，每一个热区由相应加热器元件控制。单个高温计也可以扫描独立的区，提供代表各区温度的在线输出信号236。温度传感器234还可以包括热电偶，用于检测围绕坩埚200周围布置的外加热元件219的温度。

根据标准封闭环路负载调节技术，温度传感器234将代表各个热区温度的在线信号236发送到加热器控制单元240。加热器控制单元240将相应激活信号发送到每一个加热元件，以将加热元件维持在预定范围。在实现了所需的控制设定点之后，加热器和熔体温度可以维持在窄范围。应该理解的是，电阻加热元件218的分别控制在坩埚壁和晶体之间提供最佳温度分布。提拉的速度(晶体生长速度)通过在晶体和熔体之间界面处的温度分布来控制。因此，本发明的该方面提供了横跨熔体基本水平维持的最佳温度分布，特别是在晶体熔体界面处提供了前所未有的更大控制的最佳温度分布。应该理解的是，这种最佳温度分布是通过宽的长宽比坩埚结合布置在坩埚下面或周围的单独控制加热元件以及较浅深度的熔体来实现的。

再参考图4，由于经固态硅原料引入熔体中可引起温度扰动，因此通过硅预熔化器208实现熔体的改进控制，其中硅的所有熔化均在坩埚外部完成。固态硅原料源209包含各种形式的硅原料，例如粉碎的硅、片、块、来自流化床的颗粒、硅棒等。

如图5所示，预定直径的晶体244可以用主动反馈来精密地控制。当晶体利用常规光学图案识别技术生长时，利用包含照相机或类似光检测器系统的弯月面传感器232来监测晶体直径。晶体生长在晶体244和熔体222之间的弯月面界面207处发生并且调节提拉速度以产生所需晶锭直径。以这种方法，利用主动反馈可以精密地控制预定晶体直径和晶体生长速度。

水平控制

参考图6，在优选实施方案中，通过主动反馈系统检测生长坩埚中硅熔体重量和调节提供给预熔化器的硅原料的量以及从预熔化器208排放到熔体中的熔融硅的量或速度，从而实现生长坩埚200中熔体222以及熔融硅原料从预熔化器208排放到熔体222中的速度的改进水平控制。

用于测定未装填以及装填有所需水平熔体的生长坩埚的重量的敏感装置由重量传感器300来提供。适合的重量传感器300包括一个或多个基于应变计的测压元件(load cell)。每一个测压元件均是将作用在其上的负荷或重量转换为代表该负荷的电信号的转换器。坩埚200中硅熔体的重量使得与坩埚200接触的机械杆或臂304的产生偏转。这反过来又产生与负荷成比例的电阻变化。测压元件或重量传感器300随后产生代表熔体222重量的输出信号，经通信连接308输送到基于微处理器的水平控制器306。通信连接308可以是电缆或光纤、远红外或无线连接以提供稳定的高温操作。

水平控制器306对重量传感器300响应从而产生输出信号，经通信连接310激励分配器或流控制器312，该控制器312控制释放预定量的固态硅原料209进入预熔化器208。水平控制器306包含微处理器，该微处理器用于测定基于生长坩埚中熔体所需深度D的预熔化器输出。根据本发明一方面，这是由下列关系式确定的：

D＝(W-Wt)/(p R² r)

其中W是包含熔体222的坩埚200的总重量；Wt是未装载时测量的坩埚200的重量；R是坩埚的内径；r是液态硅的密度。

以这种方式，可以控制预熔化器中硅的水平和熔体222的水平。

应该理解的是，上述系统提供预熔化器的最佳输出能力并使得能够实现预熔化器和生长坩埚的精密控制的最佳补充。通过利用远低于常规CZ方法中的熔体装料来进行晶体生长，这有利地增加生产量，并且还有助于减少硅在坩埚中的停留时间以及附带减少杂质。通过晶体生长和从预熔化器截流的组合，这还使得新晶体能够在清空坩埚之后更快地开始。

本发明上述特征提供单晶硅生长方法，该方法使进入熔体中的沉淀氧最小化并且使熔体中杂质和偏析最小化或被消除。由于这些因素使得产生载流子复合位置的杂质水平和缺陷结构最小化，因此本发明方法在硅中直接实现了增加的少数载流子寿命。由于简化的晶体生长装置，与现有可能的生长速度和成本相比，可以以更高的生长速度和更低的成本来实现这种具有增加的少数载流子寿命的硅。由根据本发明方法生产的硅在提供更高效、低成本高寿命太阳能电池方面具有特别的优势。

工业适用性

范围

虽然结合目前被认为是最实用和优选的实施方案描述了本发明，但应该理解的是，本发明并不限于上述公开的实施方案和替代方案，相反，本发明旨在覆盖包括在所附权利要求范围内的各种修改和等价布置。例如，可按照CZ方法生长的其它材料可用作熔融材料，例如砷化镓、磷化镓、蓝宝石以及各种金属、氧化物和氮化物。而且，抵抗由熔融硅引起的破坏的其它材料例如陶瓷涂层或各种金属、氧化物、氮化物以及它们的组合也可以用于坩埚的组成，或者作为坩埚内壁上的涂层。

可以提供单独的堰或隔板以保护晶体免受对流和热扰动。可以提供多个提拉室以连续提拉相继的晶体，而不必在坩埚之上的适当位置处旋转。重要的是，一系列晶体提拉室相继位于坩埚之上，以重复基本连续的晶体生长，而不需要在每一个生长循环之后移除坩埚。因此，本领域普通技术人员应该理解，所有的这种等价布置和修改均包括在所附权利要求的范围内。

序列清单

Claims (5)

1.一种高纯度单晶锭，其特征在于大量减少的位错缺陷以及轴向和径向均匀的电阻率或电导率，该单晶锭通过包括下列步骤的方法制成：

从籽晶生长单晶锭，该籽晶容纳在宽直径、低长宽比坩埚中的晶体/熔体界面处，以防止形成对流和使熔体中的氧最少化，其中所述坩埚包括围绕晶体的堰；

熔化晶体原料并提供掺杂剂，以便维持坩埚中熔体无热扰动的补充；

在坩埚之下提供多个独立可控加热器，以建立横跨熔体以及特别是在晶体熔体界面处的可控热区，使得横跨生长锭的半径而维持均匀热分布。

2.如权利要求1所述的高纯度单晶锭，其中熔化晶体原料并提供掺杂剂是在与所述坩埚连通的预熔化器中进行的。

3.如权利要求1所述的高纯度单晶锭，其中堰(220)限定围绕晶体的熔化区。

4.如权利要求1-3中任一项所述的高纯度单晶锭，其中堰(220)安置在所述坩埚的底部上，或者通过在所述坩埚内壁上提供的支撑装置来支撑，并且堰(220)的顶部延伸到熔体的表面之上。

5.如权利要求1-3中任一项所述的高纯度单晶锭，其中在延伸到熔体表面之下的堰部分中提供有孔，以使得能够在熔体中实现所需的热分布。

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