CN103459662A - 用于化学气相沉积系统的夹具及其相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有井的夹具，所述井用于在化学气相沉积期间支撑所制成的棒。所述夹具可使用围绕所述井的板条及窗口，所述棒可向上生长至所述井并被所述井支撑。

Description

用于化学气相沉积系统的夹具及其相关方法

技术领域

本发明涉及用于制造半导体材料的化学气相沉积（chemical vapordeposition；CVD）系统，所述半导体材料可用作光伏系统的组件。更具体而言，本发明可涉及改进的夹具以及在化学气相沉积过程中包括改进的夹具的系统和方法。

背景技术

Yatsurugi等人在美国专利第4,147,814号中公开一种制造具有一致的截面形状的高纯度硅棒的方法。

Gilbert等人在美国专利第5,277,934号中公开一种在多晶硅的制造过程中用于保护起动细丝（starter filament）的石墨夹具的方法。

Chandra等人在美国专利6,284,312B1中阐述一种用于多晶硅的化学气相沉积的方法及装置，所述美国专利出于所有目的而以引用方式全文并入本文中。

Gum等人在国际公开第WO2010/0008477号中公开了一种在化学气相沉积反应器中用于管细丝的夹具及桥接点。

发明内容

本发明的一个或多个方面涉及一种夹具，所述夹具可用于化学气相沉积系统中。所述夹具可具有第一部分，所述第一部分包括井及细丝通道。所述夹具通常也具有第二部分，所述第二部分具有电极通道。在本发明的某些构造中，所述井可由从所述井的底面沿圆周延伸至所述第一部分的端部的多个板条界定而成。所述多个板条中的每一个均可通过窗口分开，且在本发明的另外某些构造中，每一窗口可至少部分地沿相邻板条的长度延伸。在本发明的某些构造中，所述夹具可具有圆柱形本体。在本发明另外的构造中，所述井可同轴地设置于所述本体中，并在某些情形中至少部分地由沿圆周围绕所述井的壁界定而成。在本发明的一个或多个构造中，所述夹具可包括沿圆周围绕所述井而设置的多个狭槽。所述多个狭槽中的每一个均可被构造成基本上沿所述井的长度延伸。在本发明另外的构造中，所述井、所述细丝通道及所述电极通道可沿所述夹具的纵轴同轴地设置。

本发明的一个或多个方面可涉及一种化学气相沉积系统。所述化学气相沉积装置可包括：夹具，其具有截头圆锥形部及第一接触部，所述截头圆锥形部具有细丝通道并同轴地围绕柱形井；以及细丝，其端部被固定在所述细丝通道中。通常所述柱形井的井直径大于所述细丝通道的细丝直径。所述化学气相沉积系统还包括第二夹具，所述第二夹具在本发明的某些构造中可具有第二细丝通道及沿圆周围绕第二井的第二截头圆锥形部。所述细丝可将其第二端部固定在所述第二细丝通道中。在本发明的某些构造中，所述细丝通过所述第一接触部及所述第二夹具的第二接触部电连接至电流源。所述第一截头圆锥形部与所述第二截头圆锥形部中的任一个或两个可分别具有将所述井的内部空间流体连接至所述第一夹具或所述第二夹具的外部环境的多个窗口。所述多个窗口中的每一个均可基本上沿所述井的至少一部分延伸并可平行于所述截头圆锥形部的纵轴。

本发明的一个或多个方面可涉及一种制造半导体棒的方法。所述制造半导体棒的方法可包括：将第一夹具固定在气相沉积反应器中，所述第一夹具具有第一细丝通道及同轴地围绕第一柱形井的第一截头圆锥形部；将第二夹具固定在所述气相沉积反应器中，所述第二夹具具有第二细丝通道及同轴地围绕第二柱形井的第二截头圆锥形部；将细丝的第一端部固定在所述第一细丝通道中，并将所述细丝的第二端部固定在所述第二细丝通道中；将至少一种半导体前体化合物引入至所述气相沉积反应器中；以及使电流流经所述细丝以将所述细丝加热至反应温度，从而促进所述至少一种半导体前体化合物的至少一部分在所述被加热的细丝上转变成半导体。在根据本发明方法的某些变型例中，所述第一夹具可具有围绕所述柱形井设置的多个窗口。

附图说明

附图未按比例绘制。在附图中，以相似的附图标记代表在各个附图中所图示的每一相同或近乎相同的组件。为清晰起见，可不将所有组件标注于每一附图中。

在附图中：

图1是图示化学气相沉积系统的一部分的横截面的示意图，所述化学气相沉积系统可用于实施本发明的一个或多个方面；

图2是图示根据本发明一个或多个实施例的夹具的立体图的示意图；

图3是图示根据本发明另外一个或多个实施例的夹具的立体图的示意图；

图4是根据本发明一个或多个实施例的如图3所示意性图示的夹具的纵向横截面的示意图；

图5是根据本发明一个或多个实施例的如图3所示意性图示的夹具的第一部分的端部的立体图的示意图；

图6A图示用于制造多晶硅半导体材料的传统现有技术的夹具的温度分布；

图6B图示根据本发明一个或多个方面的用于制造多晶硅半导体材料的夹具的温度分布；

图7A图示用于制造多晶硅半导体材料的传统现有技术的夹具；以及

图7B图示根据本发明一个或多个方面的用于制造多晶硅半导体材料的夹具。

具体实施方式

本发明的一个或多个方面涉及：在化学气相沉积系统中使用夹具，所述夹具能降低或甚至消除在某些沉积条件下会发生的倾翻事件的可能性。本发明可提供具有井的夹具，所述井用于在化学气相沉积过程期间支撑所制成的棒。所述夹具可具有围绕所述井的窗口及板条，所述棒可向上生长至所述井并被所述井支撑。本发明的某些方面由此具有旨在防止或降低在CVD反应器中所制成的棒发生倾翻的可能性的特征，以避免发生接地故障而使其他所制造的及适合的棒不能完全生长。本发明的其他方面可涉及在化学气相沉积过程期间使用夹具，所述夹具的特征是围绕在上面沉积有产物的细丝提供热障。

图1图示根据本发明一个或多个方面的能被使用的CVD系统10的剖面图。系统10可具有底盘23及钟形罩17。系统10可进一步具有一个或多个进气口20及一个或多个出气口21。电极通常并入底盘23中。可使用一个或多个观察口（图未示出）以便能够对系统10的内部进行目视检查。系统10通常使用至少一个细丝1，所制成的半导体材料沉积于所述至少一个细丝1上。

本发明的一个或多个方面涉及一个或多个夹具9及9’，夹具9及9’对垂直定向的细丝1及上面所沉积的材料提供机械支撑并提供与电极的电连接。如图2至图5所示例性图示，夹具9可在其第一部分123处具有井121。夹具9也可具有接近或邻近第一部分123的第二部分125。夹具9的第二部分125可为通常具有电极通道127的接触部。夹具9的其他构造还包括细丝通道129，细丝通道129通常设置于第一部分123中。如所示例性图示，夹具9可基本上为柱状，例如为具有截头圆锥形的第一部分123及圆柱形的第二部分125的圆柱形。另外的示例性构造包括多个沿径向对称的夹具，所述夹具的井121、细丝通道129与电极通道127中的每一个均沿夹具9的纵轴131同轴地设置并对齐。同样如所示例性图示，细丝通道129可在井121的底面135处具有开孔133。在其中井具有圆形横截面且细丝通道具有圆形横截面的实施例中，所述井的直径通常大于所述细丝通道的直径。夹具可具有圆柱形本体，其中所述井同轴地设置于所述本体中。在某些情形中，所述井可至少部分地由沿圆周围绕井的壁界定而成。

如图4及图5所示例性图示，本发明的具体构造可包括具有一个或多个窗口或狭槽137及一个或多个板条139的夹具。板条139可设置成沿圆周围绕并至少部分地界定井121。一个或多个窗口或狭槽137的大小及构造可使第一板条与另一板条分开。此外，窗口或狭槽137的其中一个或多个的大小及构造可部分地或基本上沿井121的长度，该长度例如是从井121的底面135至夹具9的开口端或尖端。图4图示了其中狭槽137的长度约为井121的长度或深度的一半的实例。本发明的其他构造可包括使用沿圆周围绕井121的内部空间的多个窗口或狭槽137。所述夹具可具有任意数目的板条且可具有任意数目的狭槽。优选实施例通常包括使用沿圆周围绕井121的等空间（equispatially）排列的狭槽。例如图5所示，也可使用等空间排列的狭槽。此外，可使用任意一或多个窗口的任意几何构造。优选实施例通常涉及具有一致构造的狭槽，例如所示例性图示的矩形几何形状。

细丝通道129的构造及大小通常适于容纳细丝1的端部。细丝通道129可具有与细丝1端部的横截面构造相对应的横截面几何形状。另外的实施例可包括具有大小适于与细丝的端部进行过盈配合的锥形区域的细丝通道。因此，例如，如图1所示，细丝1的第一端部2通常固定于夹具9的细丝通道129中，且细丝1的第二端部3通常在第二夹具9’的对应细丝通道处固定于第二夹具9’。

在通常的使用情况中，细丝1通过夹具9及9’电连接至一个或多个电源（图未示出）且通过各个电极通道127电连接至各个电极。系统10通常通过一个或多个入口20流体连接至一种或多种前体化合物的一个或多个源。电流流过一个或多个细丝1，细丝1产生热量并使其温度上升至所需的反应温度，所述所需的反应温度可为利于半导体材料制造（例如多晶硅沉积）的温度或温度范围。未反应的前体化合物及副产化合物可通过一个或多个出口21从被罩17及底盘23所封闭的反应空间移除。可执行化学气相沉积过程，直至所需量的半导体材料已生长为或制成为半导体棒。

本发明的夹具可由碳（例如石墨）、硅或其他适合的材料构成。优选地，根据本发明某些方面的夹具可由含碳化合物制成。例如，可通过在约1,200℃的温度处加热沥青（pitch）使其转化成非晶碳。可通过二次焙烧及压制而增大所述非晶碳的中间体的密度。所述非晶碳的本体可接着以能促进晶体定位的温度或温度范围（例如在约3,000℃的温度处）被石墨化。可将所述被石墨化的本体加工成包括井及一个或多个窗口以及其他特征，并加工至所需的尺寸。

可通过以下实例进一步理解本发明的上述及其他实施例的功能及优点，所述实例图示本发明的一个或多个系统及技术的有益效果及/或优点、但并非例示本发明的整个范围。

实例1

本实例给出根据本发明的夹具与传统夹具相比在制造多晶硅时的特征研究的结果。在本实例中，在具有单个中心注入嘴的CVD系统中，在从约20Kg/hr～约180Kg/hr的各种流动速率、以及从约17m/s～约152m/s的注入速率下对直径约6mm的细丝进行评估。棒的表面温度设定为约1,150℃。图6A图示传统夹具的温度分布，且图6B图示根据本发明的具有井的夹具的温度分布。可以看出，图6B中的细丝有望具有沿纵轴的温度梯度，但靠近井的端部的区域有望处于沉积温度或高于沉积温度，这会促进沉积及生长进入用于支撑所制造的棒的夹具中。相比之下，传统夹具缺乏任何特征以在生长期间支撑所制成的棒，所制成的棒容易在针对所述棒的表面（例如来自流体流动路径）的力的作用下弯曲或横向位移。

实例2

本实例给出根据本发明的夹具与传统夹具进行比较的另一研究的结果。在本实例中，在CVD系统中使用六个直径均为约7mm的细丝，所述CVD系统包括如图3所示例性图示的多个夹具以制造六个多晶硅棒。也包括无井的传统夹具。所述CVD系统具有单个中心注入嘴，并且反应物以约12Kg/hr的速率被引入。每一细丝/棒被电加热至约1,050℃。

如图7A及图7B所示，使用传统夹具（图7A）形成棒可导致多晶硅棒在其端部区域处不被支撑，而使用根据本发明的方面的夹具则可制成受到支撑的多晶硅棒（图7B）。

现在已阐述了本发明的某些示例性实施例，所属领域的技术人员应明了，上述实施例仅为示例性而非限制性的且仅以示例方式给出。所属领域的普通技术人员可得出诸多变化形式及其他实施例，这些修改形式及其他实施例也落入本发明的范围内。具体地，尽管本文中所给出的诸多示例包括方法步骤或系统元件的特定组合，然而应理解，这些步骤及这些元件可以其他方式进行组合来实现相同目的。

所属领域的技术人员应理解，本文所述的参数及构造为示例性的，且实际参数及/或构造将取决于其中使用本发明的系统及技术的具体应用场合。所属领域的技术人员同样应至多利用常规试验便可得知或能够确定本发明特定实施例的等同形式。因此，应理解，本文所述的实施例仅以示例方式给出、并且处于随附权利要求书及其等同形式的范围内；也可采用除具体所阐述的方式以外的方式来实施本发明。

此外也应理解，本发明涉及本文中所述的每一特征、系统、子系统或技术、以及本文中所述的两个或更多个特征、系统、子系统或技术的任意组合，且如果这些特征、系统、子系统及技术并非相互矛盾，则认为两个或更多个特征、系统、子系统及/或方法的任意组合落入权利要求书所体现的本发明的范围内。此外，仅结合一个实施例所述的步骤、元件及特征并不排除其在其他实施例中发挥相似的作用。

本文中所用的用语“多个”是指两个或更多个事物或组件。不论在本书面说明书中还是在权利要求书等中，用语“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”及“涉及”均为开放式用语，即意思是“包括但不限于”。因此，此种用语的使用是为了涵盖后面所列出的事物及其等同物、以及另外的事物。就权利要求书而言，只有连接词“由……组成”及“实质上由……组成”为封闭式或半封闭式连接词。用以在权利要求书中修饰权利要求要素的序数词（例如“第一”、“第二”、“第三”等）本身不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素具有任何优先权、优先级、或顺序、或者意味着各方法步骤的执行时间顺序，而是，所述序数词仅用作区分具有某一名称的一个权利要求要素与具有相同名称（除所用序数词以外）的另一要素的标签，以便区分各权利要求要素。

Claims (15)

1.一种夹具，其包括：

第一部分，其包括井及细丝通道；以及

第二部分，其具有电极通道。

2.如权利要求1所述的夹具，其中，所述井由从所述井的底面沿圆周延伸至所述第一部分的端部的多个板条界定而成。

3.如权利要求2所述的夹具，其中，所述多个板条中的每一个均通过窗口分开，每一所述窗口至少部分地沿相邻板条的长度延伸。

4.如权利要求1所述的夹具，其中，所述夹具具有圆柱形本体，并且所述井同轴地设置于所述本体中且至少部分地由沿圆周围绕所述井的壁界定而成。

5.如权利要求1所述的夹具，还包括沿圆周围绕所述井而设置的多个狭槽。

6.如权利要求5所述的夹具，其中，所述多个狭槽中的每一个均基本上沿所述井的长度延伸。

7.如权利要求1所述的夹具，其中，所述井、所述细丝通道及所述电极通道沿所述夹具的纵轴同轴地设置。

8.一种化学气相沉积系统，其包括：

夹具，其具有截头圆锥形部以及接触部，所述截头圆锥形部具有细丝通道并同轴地围绕柱形井，以及

细丝，其端部被固定在所述细丝通道中。

9.如权利要求8所述的化学气相沉积系统，其中，所述柱形井的直径大于所述细丝通道的直径。

10.如权利要求9所述的化学气相沉积系统，还包括第二夹具，所述第二夹具具有接触部、细丝通道及沿圆周围绕井的截头圆锥形部，其中所述细丝的第二端部被固定在所述第二夹具的细丝通道中。

11.如权利要求10所述的化学气相沉积系统，其中，所述细丝通过所述第一夹具的所述接触部及所述第二夹具的所述接触部电连接至电流源。

12.如权利要求8所述的化学气相沉积系统，其中，所述截头圆锥形部具有将所述井的内部空间流体连接至所述夹具的外部环境的多个窗口。

13.如权利要求12所述的化学气相沉积系统，其中，所述多个窗口中的每一个均基本上沿所述井的至少一部分而平行于所述截头圆锥形部的纵轴延伸。

14.一种制造半导体棒的方法，其包括：

将第一夹具固定在气相沉积反应器中，所述第一夹具具有细丝通道及同轴地围绕柱形井的截头圆锥形部；

将第二夹具固定在所述气相沉积反应器中，所述第二夹具具有细丝通道及同轴地围绕柱形井的截头圆锥形部；

将细丝的第一端部固定在所述第一夹具的所述细丝通道中，并将所述细丝的第二端部固定在所述第二夹具的所述细丝通道中；

将至少一种半导体前体化合物引入所述气相沉积反应器中；以及

使电流流经所述细丝以将所述细丝加热至反应温度，从而促进所述至少一种半导体前体化合物的至少一部分在所述被加热的细丝上转变成半导体。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一夹具具有围绕所述柱形井设置的多个窗口。

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