CN103635613A - 通过仅掺杂初始装料而生长均匀掺杂硅锭 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生长包括具有偏析系数k的掺杂物材料的硅锭的方法，其中，该掺杂物浓度在整个锭是轴向实质均匀的。该方法包括下列步骤：提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅，以及该内部生长区和外部进料区具有可用以判定维持所使用的特定掺杂物材料的掺杂物均匀性的情况的剖面面积。同时也公开用于生长至少一个均匀掺杂硅锭的结晶生长系统。

Description

通过仅掺杂初始装料而生长均匀掺杂硅锭
相关申请案的交互参考
本发明主张于2011年5月6日所提出的美国临时专利申请案第61/483,140号的利益。
技术领域
本发明大致涉及单晶材料的生长，且尤涉及掺杂硅的切克劳斯基(Czochralski)生长。
背景技术
根据切克劳斯基(Czochralski；简称CZ)方法而生长单晶硅锭的技术已在过去几十年广泛地发展以供给硅晶圆给集成电路(IC)产业和光伏打(PV)太阳能产业。在切克劳斯基(Czochralski)方法中，由耐火材料（像是熔化的石英）组成且容纳硅的坩锅是加热至大约1416℃的硅熔点以在坩锅中制造硅熔化物。预定结晶定向的结晶硅的晶种被降低成几乎没有接触熔化物。熔化的硅冻结在具有相同定向的晶种上。从熔化物慢慢地抽拉晶种并且继续该工艺以生长具有直径约200或300毫米(mm)以及长度为1米或更长的单晶硅的锭。在抽拉后，切片该锭以制造硅晶圆，然后进一步处理硅晶圆用以制造IC或PV太阳能电池。
IC产业主要地依赖批次切克劳斯基工艺(batch Czochralskiprocess)，其中，坩锅是初始地以具有高纯度的硅碎片、碎块、或小球装料，然后加热至硅熔点。通常，在生长一个硅锭后，会丢弃坩锅并以无污染坩锅更换之。虽然PV太阳能产业已采用批次CZ硅晶圆，但是已提出连续式切克劳斯基(Czochralski)(CCZ)(更准确地称为半连续式CZ)，其中，在锭的生长过程期间，坩锅是连续地或至少间歇性地以硅原料供给，使得在坩锅中的硅熔化物的高度维持实质固定。从坩锅抽拉一般尺寸的锭后，通过使用新晶种或重复使用先前的晶种可以抽拉另一锭。针对像是杂质累积或坩锅劣化等因素所决定的锭的实质数量可重复该工艺。CCZ工艺降低坩锅的成本、增加制造生产率、而且在某些方面简化沿着锭的长度的热控制。然而，当生长结晶硅时，CCZ也需要直接地重新供给进入热的坩锅中。
晶圆(包含预定为太阳能应用的晶圆)是优先地生长掺杂成想要的导电类型和掺杂物浓度，经常仅以电阻率量测。一种导电类型的掺杂硅晶圆的制造是通过另一种导电类型的掺杂物的层的扩散或布植而允许组成P-N接面。半导体掺杂物是众所周知，大多数是P型的硼(B)和N型的磷(P)，不过镓(Ga)也提供许多优点作为太阳能电池的P型掺杂物。
通过在该熔化物中包含想要的掺杂物浓度，根据CZ方法可以生长掺杂硅，以及从该熔化物将掺杂物连同硅并入硅锭中。掺杂浓度相对于硅通常为远小于1百万分率原子(part per million atomic)。然而，偏析效应(segregation effect)使得该工艺变得复杂，若熔化物中的掺杂物的浓度是C，则在凝固锭的掺杂物浓度是kC，其中，k为偏析系数，此经常小于1且时常远小于1。第1表列出硅的几种掺杂物的偏析系数。
第1表
元素 K
B 0.8
P 0.35
Ga 0.008
In 0.0004
As 0.3
Al 0.002
就批次CZ而言，掺杂物时常可以连同固态硅原料装料进入冷坩锅，而当坩锅加热至硅熔点时会将两者熔融在一起。然而，偏析效应造成熔化物中相较于掺杂物会有较大部分的硅被供给生长中的锭。虽然可以调整预装料的掺杂浓度用以制造锭中想要的掺杂，但是偏析效应造成当晶体生长且熔化物耗尽时在熔化物中的掺杂物浓度逐渐增加。结果，锭的较晚部分相对于初始部分具有较高的掺杂物浓度(较低电阻率)。在批次CZ中，镓掺杂可以变化10倍而硼掺杂可以变化大约30%。然后，由于晶圆的电阻率取决于在锭内的位置，所以这样的轴向差异(即沿着锭的长度)是不愿意看到的。因为电池非均匀性负面地影响太阳能板性能，所以电池制造包含在生产线上昂贵的晶圆分选步骤。晶圆供给的均匀性可以帮助排除这些步骤。受益于此发明的另一应用为制造均匀电阻率的重浓度掺杂棒，其可在后续的CZ制造过程被切片并且与原料混合为固体用以制造相对地较低掺杂物浓度且较高电阻率的棒。
在连续式CZ中，在熔化时，提供在液态中想要的浓度的掺杂物的数量可连同无污染的硅原料一起供给，以便维持在熔化物中的固定掺杂浓度并因此确保在每一锭内的固定轴向电阻率和在各锭间的固定电阻率。然而，在CCZ中，元素形式的掺杂物连续式重新供给呈现出大多数掺杂物相对于硅的较低熔点以及需要分开地计量进入热坩锅的掺杂物的可控制数量所引起的困难。镓呈现出特殊的困难，因为它的熔点大约30℃且具有非常低的偏析系数。以元素掺杂物(像是通常为粉末形式的硼和磷)进行的连续式掺杂也相当困难实行。
因此，具有轴向均匀电阻率的切克劳斯基(Czochralski)锭生长需要更佳和更经济的方法及设备。
发明内容
本发明涉及生长包括具有偏析系数k的掺杂物材料的硅锭的方法。该方法是包括下列步骤：提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；提供初始装料在该内部生长区和该外部进料区，在该内部生长区的该初始装料包括硅及该掺杂物材料而在该外部进料区的该初始装料包括硅及无掺杂物材料；熔化在该内部生长区的该硅及掺杂物材料以形成熔化混合物及熔化在该外部进料区的该硅以形成硅熔化物，该熔化混合物及该硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面；从该内部生长区生长该硅锭；移除该生长硅锭。由此产生的锭包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料，以及，在该方法的各个实施例中，是使用坩锅几何，尤其是该内部生长区和外部进料区的剖面面积，以判定维持所使用的特定掺杂物材料的掺杂物均匀性的情况。本发明进一步涉及结晶生长系统用于生长至少一个包括具有偏析系数k的掺杂物材料的硅锭，其中，该硅锭包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料。
应理解到，上述一般描述和下列详细描述皆仅作为示例和说明，是意图提供本发明的进一步说明，如权利要求书所定义的。
附图说明
图1至图4显示和本发明的方法和生长系统有关的各种实施例的公式推导；图1和图2也包含切克劳斯基生长系统及本发明的方法的实施例的示意图；
图5显示本发明的生长系统和方法的实施例的有关的各种工艺参数和坩锅几何的图标；以及
图6是本发明的切克劳斯基生长系统的实施例的剖面图。
具体实施方式
本发明涉及硅锭的晶体生长的方法，以及涉及晶体生长系统及从该系统制造的锭。
本发明可以制造具有轴向均匀掺杂物分布的硅锭，而且在锭生长过程期间不用供给额外的掺杂物材料。本发明的态样是在切克劳斯基(Czochralski)生长过程(尤其是在多壁的坩锅中)详细分析硅与掺杂物流动的结果。
更详细而言，本发明涉及生长结晶材料的方法，尤其是切克劳斯基(Czochralski)生长方法。晶体生长方法包括下列步骤：提供具有流体相通于进料区的生长区的坩锅、以原料材料与掺杂物材料对坩锅预先装料、熔化初始装料、以及生长随后从该系统移除的结晶材料的锭。由此产生的结晶锭的掺杂浓度是轴向均匀，也就是，该锭沿其垂直轴具有实质固定浓度。此可以使用任何该领域已知方法来判定，尤其是使用已知电阻率测量。因此，例如，由此产生的结晶锭具有轴向均匀的电阻率。通过均匀的电阻率或掺杂物浓度的方式意指电阻率或掺杂物浓度是在±20%内或者在±10%内更佳。
本发明的方法使用的坩锅具有流体相通于进料区内的生长区。因此，坩锅为多区的坩锅。坩锅可以是任何已知使用在能容纳固态和液态原料(尤其是硅)两者的晶体生长的坩锅。例如，坩锅可以是石英坩锅或可以是含有石英内衬的石墨坩锅。坩锅也可以具有任何剖面形状，取决于，例如，使用的晶体生长系统的几何，但通常为圆形剖面形状。优选地，坩锅具有在外部进料区内的内部生长区，而该内部生长区是流体相通于该外部进料区。例如，坩锅可以包括壁、或将该坩锅分成内部和外部区的其它分隔手段。分离器可以具有开口，像是孔洞或管，此提供限制流体相通在两区间，使得材料在依照结晶工艺从内部生长区移除时，无污染材料可以从进料区进入。内部生长区和外部进料区具有剖面面积，其面积比例可以用以判定维持掺杂物均匀性的程序，稍后更详细地讨论。
在本发明的方法中，在硅锭初始生长前，提供预装料至坩锅的区中。例如，初始装料包括硅，像是电子等级硅、冶炼等级硅、或太阳能等级硅，是同时提供在坩锅的内部生长区和外部进料区。此外，掺杂物材料是也预先装料至坩锅的生长区中。可以使用该领域已知的任何掺杂物，包含，例如，像是磷的N型掺杂物及像是硼、镓、铟、或铝的P型掺杂物。
将坩锅中的装料加热至超过该装料熔点的温度，由此让生长区中的预装料(包括原料，像是硅，及掺杂物材料)形成熔化混合物，以及让进料区中的预装料(包括原料，像是硅)形成原料熔化物。可以使用任何该领域已知方法来熔化预装料。由于坩锅的生长区是流体相通于进料区，所以当熔融时，熔化混合物和原料熔化物具有实质相似高度的上熔化表面。一旦熔化，至少一个结晶锭是从生长区的熔化装料生长出来并且随后被移除用于进一步的处理。
如上所述，可只基于知道掺杂物偏析系数和坩锅几何而生长出具有轴向固定掺杂浓度的结晶锭。此方法的各个实施例产生于在各区间的熔融流动的详细的分析，这些区是流体相通于彼此，如图1至图4所示。
尤其，切克劳斯基(Czochralski)生长系统是图1的剖面图的图标说明。双层壁坩锅10包括半径rs和液态上表面积As的内部圆形生长区12，以及外部半径rt和液态总上表面积At的外部环形进料区14，环形面积(At-As)以壁16与内部生长区12分开。在壁16的孔洞18提供从外部进料区14至内部生长区12的限制流体连接。孔洞18确保在生长区和进料区二者中的相近高度的上熔化表面20。视需要地，一个或多个具有相关联的孔洞的额外壁可用以生产具有限制流体相通的额外区，尤其是从最外部至中央区。
未图标的加热器初始地将预装料至冷坩锅的固态原料(例如，硅)和可能的掺杂物加热至熔点，并维持温度在熔点或恰超过该熔点以用于晶体抽拉。具有直径D或半径rx的锭22具有与从凝固区域24的内部生长区12内的熔化物接触的剖面面积Ax。假定掺杂物的质量远小于有掺杂物融化于其中的原料的质量，从内部生长区12至锭22的凝固(生长)质量流(质量变化率)是dMx/dt，及通过孔洞18从外部进料区14至内部生长区12的转移的质量流是dM12/dt。同时，假如必要，可以使用包括额外原料的进料，而该进料质量流进入固态或液态硅原料的外部进料区14，此可是零，是dMF/dt。这里假设没有明显的反向流动通过孔洞18。本发明允许熔化物的上熔化表面20的高度在锭22生长期间能变化。
现在谈及掺杂物浓度，在内部生长区12的掺杂物浓度是CL，其变化率如图1所示的公式1。理想为CL在锭生长期间随着时间为固定，假设锭22欲具有轴向固定掺杂物浓度和电阻率(即在公式1，dCL/dt=0)。在生长区和进料区二者的上熔化表面20的高度的时间变化率dh/dt是分别地如图2所示公式2和公式3。然而，因为流体相通通过孔洞18，所以二个变化率必须相同。因此，这两个公式可以结合成图2所示的公式4。代换至图1所示的公式1并重新排列会导致图2所示的公式5。本发明的各个实施例是源自应用公式5的特别情况。
在本发明的方法的第一实施例中，如图3所示，获得均匀的掺杂，也就是，dCL/dt=0，使用像是硅原料的连续式进料，但没有连续式掺杂。因此，此实施例是连续式切克劳斯基(Czochralski)生长方法，其中，例如，硅和掺杂物材料是预先装料至内部生长区，硅是预先装料至不具有掺杂物材料的外部进料区，使得CF=0，当硅锭生长时，传递硅的进料至外部进料区。然后，就此实施例而言，由公式6给定进料质量流速率(传递进料至坩锅的速率)与生长质量流速率(生长锭的速率)的比例。假设从内部生长区的掺杂物材料的蒸发是实质等于零(即蒸发率系数大约零)，像是硼和磷，然后由公式7给定硅进料速率与锭生长速率的比例。注意公式7是独立于掺杂物浓度kCL，此掺杂物浓度为用于所产生的最终锭以及凝固速率的需要或目标。更确切地说，本发明的方法的这个实施例，进料速率与锭生长速率的比例只取决于坩锅几何和掺杂物材料的偏析系数。坩锅几何的相关特征是在该熔化物高度外部和内部坩锅区的面积比例At/As，或者，就圆形坩锅而言，为平方半径比例rt 2/rs 2或等效地平方直径比例Dt 2/Ds 2。公式6另外取决于蒸发率、锭直径、及拉晶速率(pull rate)。为了具有随高度而半径变化的壁的坩锅(即锥状，像是从顶部至底部)，则可依高度调整面积比例，或者，可以修改内部和外部坩锅的垂直渐细端用以生产轴向不变化的面积比例。
因此，根据此第一实施例，基于在使用单晶材料以生长该锭掺杂物材料的偏析系数的特别坩锅几何特性和知识来判定进给硅原料至外部进料区以至凝固质流的比例，根据图3所示公式6或公式7。就这个实施例而言，以原料(像是硅)对坩锅的内部生长区预先装料，并进一步包含掺杂物材料，该掺杂物材料在与原料一起熔化时是在浓度CL。也对外部进料区预先装料，但此固态预装料不包含掺杂物材料。在室温装载固态或甚至液态掺杂物较不困难。在熔化时，在两区中的固态预装料必须具有相等的初始表面高度。同时，原料应连续地或至少间歇性地供应给在外部进料区中的熔化物，而进料区不需要掺杂物材料。
在本发明的方法的第二实施例中，如图4所示，获得均匀的锭掺杂，也就是，dCL/dt=0，在锭生长期间硅和掺杂物皆未进料，使得dMF/dt=0。因此，此第二实施例为批次切克劳斯基(Czochralski)生长方法，其中，内部生长区和外部环形进料区两者是以原料(像是硅)及掺杂物材料两者预先装料。在外部进料区的预装料的掺杂物浓度与在内部生长区的预装料的掺杂物材料的浓度的比例，CF/CL，是在蒸发的情形(即掺杂物材料具有不可忽略的蒸发速率系数)由图4所示的公式8得到以及当蒸发为不重要时(即掺杂物材料具有大约等于零的蒸发速率系数g)由图4所示的公式9得到，像是用于硼和磷。在锭生长期间应保持这些比例固定。就本发明的方法的这个第二实施例而言，公式9的比例只取决于坩锅几何和掺杂物材料的偏析系数。
因此，根据此实施例，以给定初始相等熔化物高度的固态硅的数量及以给定分别为CL和CF的掺杂物浓度的掺杂物的数量来对生长区和进料区预先装料，而这些浓度的比例是基于特定的坩锅几何特性及得知用以生长锭的结晶材料中的掺杂物材料的偏析系数来判定，如图4所示的公式8或公式9。以低温对掺杂物预装料应该比较不困难，而没有连续式的硅进料是大大简化生长腔体设计和操作。
可预期的是，生长区只有在它冷的时候供给固态硅原料和掺杂物，一旦耗尽该硅，生长便停止且用无污染者更换坩锅。此工艺非常类似传统的批次切克劳斯基(Czochralski)操作，但在坩锅有分区。如果在生长一个锭后仍有足够的硅余留在熔化物中，则可从该熔化物生长第二锭或另外的锭，该熔化物目前则正处于降低的熔化物高度。或者，在晶体间可进行进料和掺杂，然后可重复类似批次的生长工艺。
本发明的方法的第三实施例为第一、第二实施例任一者的特定状况。如上述讨论，第一实施例为连续式切克劳斯基(Czochralski)生长方法，其中，硅和掺杂物材料是预先装料至内部生长区，而硅是预先装料至不具有掺杂物材料的外部进料区。此外，当生长硅锭时传递硅的进料至外部进料区。假设使用相同情况，但没有传递硅的进料(即dMF=0)，则基于公式7，k(At/As)=1而因此As/At=k。这些相同情况也应用至第二实施例，其中，没有掺杂物材料被预先装料在外部进料区，也就是，在外部进料区的掺杂物材料的浓度是零(CF=0)。基于公式9，就这个状况而言，k(At/As)=1和As/At=k。因此，假定没有掺杂物材料蒸发，若面积比例等于偏析系数，则不需要环形进料区的掺杂物的预先装料或硅原料的连续式进料。因此，使用本发明的方法的此实施例，若坩锅具有等于偏析系数的面积比例，则无需进料未掺杂的硅或添加掺杂物至外部进料区而可以生产具有均匀掺杂物浓度的锭。操作上，从数量为±10%或±20%的k的比例变动应享有许多这些相同优点。
因此，根据第三实施例，在设计用于具有面积比例等于偏析系数的特殊掺杂物的坩锅中，当熔化时以硅和掺杂物材料两者预装料生长区至浓度CL并且只以硅预先装料进料区以提供相等初始熔化物高度的数量。在锭生长过程不需要硅或掺杂物材料的连续式进料。如具有圆形剖面形状的坩锅的特别例子，内部生长区直径与外部进料区直径(坩锅直径)的直径比例，Ds/Dt，数值为硼0.89及磷0.59。这些比例是独立于晶体生长速率或锭直径且从图5所示图标的尖端可推导出来，图5显示对硼和磷掺杂物而言，在坩锅几何As/At和操作参数dMF/dMx间的关系，用于在右轴上以实线表示的第一实施例及用于以虚线表示的第二实施例在左轴上的操作参数CF/CL。基于第1表的偏析系数也可以计算这些数值。镓的直径比例需要考虑拉晶速率和锭直径。
也可以使用面积比例的特定数值来判定具有特定几何(或其它掺杂物)的坩锅如何被用来生产均匀掺杂的结晶锭。例如，使用第一实施例的公式7，kAt/As>1的数值需要dMF<0，这是不可能成立的，除非能在不移除掺杂物的情况下自系统移除液态硅。因此，只在kAt/As<1或kAt/As=1的特定状况下可以实行第一实施例。因此，本发明的方法的这个实施例，可以使用具有内部生长区和外部进料区剖面面积使得k(At/As)<1和dMF<dMx的坩锅以生产具有轴向实质均匀掺杂物浓度的锭。作为另一例子，使用第二实施例的公式9，kAt/As<1的数值需要CF<0。然而，明显地不可能有负浓度。因此，只在kAt/As>1或kAt/As=1的特定状况下可以实行第二实施例。因此，就本发明的方法的这个实施例而言，可以使用具有内部生长区和外部进料区剖面面积使得k(At/As)>1和CF<CL的坩锅以生产具有轴向实质均匀掺杂浓度的锭。受到明显蒸发的情形(像是用镓掺杂)需要基于公式6和公式8的对策。
在上述实施例中因为进料速率和凝固速率不太可能相等，所以在生长过程熔化物高度将降低且锭生长的长度在该熔化物高度接近坩锅的底部时受到限制。
本发明提供一种通过从具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅来生长锭而均匀地用特别掺杂物材料掺杂的生产硅锭的方法。就在熔化物高度处的剖面面积的比例As/At等于掺杂物材料的偏析系数k的坩锅而言，无需被包含在外部进料区的掺杂物材料及当锭生长时无需额外的硅或掺杂物进料补充生长区而可以生长均匀的锭。就任何其它坩锅几何而言，是如本发明的方法的各个实施例所述需要不同的方法。尤其，对As/At>k(即k(At/As)<1)的坩锅而言，为了生产具有均匀掺杂物浓度的锭，当生长锭时，外部进料区应无容纳掺杂物材料且应只有硅进料。就这个状况而言，进料硅至外部进料区的速率应小于生长硅锭的速率。同时，就As/At<k(即k(At/As)>1)的坩锅而言，为了生产具有均匀掺杂物浓度的锭，内部生长区和外部进料区两者应容纳硅和掺杂物，而在外部进料区的掺杂物浓度应小于在内部生长区的掺杂物浓度。不需要额外硅的进料或掺杂物材料。因此，只有坩锅几何和掺杂物材料的偏析系数已知，使用本发明的方法的实施例可生产均匀掺杂的硅锭。
第四实施例结合第一和第二实施例。在生长过程，外部环形进料区是以硅和掺杂物预先装料并且连续地供给硅而无掺杂物。虽然此实施例需要热的硅原料进料，但它不限制坩锅几何且在坩锅空掉前可以运转更久。第四实施例将受益于硅补充的计算机化和动态控制。
本发明进一步涉及晶体生长系统，并且尤其是涉及切克劳斯基(Czochralski)生长系统，用以制备晶体锭，像是具有轴向实质均匀掺杂物浓度的硅锭。该系统包括具有掺杂物材料的已知几何和已知类型的坩锅。优选地，使用本发明的晶体生长系统以制备使用本发明的方法的锭，如前面更详细地描述者。因此，优选地，晶体生长系统包括具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅，该内部生长区包括硅及掺杂物材料，在熔化时形成熔化混合物，而外部进料区包括硅，在熔化时形成硅熔化物。由于生长区和进料区是流体相通，所以熔化混合物和硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面。内部生长区和外部进料区具有可用以判定维持所使用的特定掺杂物材料的掺杂物均匀性的情况的剖面面积，而这些是更详细地描述在以上关于本发明的方法的各个实施例。
本发明的切克劳斯基(Czochralski)生长系统的特别例子，可用于本发明的方法以及其它用途，是以图6的剖面图图标说明。切克劳斯基(Czochralski)生长系统10包含依中心轴13配置的坩锅腔体12及支撑实质圆形剖面形状的双层壁坩锅16的封闭底座14。连接至未图标的马达的转轴18依中心轴13而旋转底座14和坩锅16。坩锅腔体12包含用于供给像是氩气的惰性周围气体的端口及用于耗尽周围气体且降低腔体压力的真空端口。
坩锅16包含界定其中的内部生长区22的内部壁20及连同内部壁20界定外部环形进料区26的外部壁24。内部壁20的孔径28提供限制在外部进料区26和内部生长区22间的流体相通。也可能有额外壁生产添加区及其它流动控制。基于被并入所需生长订的掺杂物材料的偏析系数，预先选择内部生长区22和外部进料区26的直径以及剖面表面积，如上述更详细地讨论者。此外，也将内部生长区的直径选择成明显大于目标锭直径最佳化因子的倍数，而拉晶速率也被最佳化成降低晶体缺陷和其它不想要的效应。此最佳化对单坩锅CZ生长而言为众所皆知的。包括硅的所需固态预装料是供给至坩锅16中，而侧边加热器30和环形底部加热器32加热坩锅16至大约1420℃，恰超过硅熔点，使得预装料熔化而实质以熔化的材料填满内部生长区22和外部进料区26直至上熔化表面高度34。或者，可以使用预先加热器以熔化硅而用于对坩锅预先装料。
切克劳斯基(Czochralski)生长系统10进一步包含从坩锅腔体12的顶部垂直向上延伸且由拉晶机隔绝阀42真空隔绝的拉晶腔体40。拉晶机机构44支撑、缩回和延伸、以及旋转具有在较低端的夹钳48的缆索46，用以选择性地保持预定结晶定向的结晶硅晶种50。操作上，拉晶机44降低晶种50通过开启的拉晶机隔绝阀42而几乎没有接触内部生长区22的上熔化表面34。在恰当温度情况下，在内部生长区的熔化表面的硅冻结或凝固在具有如晶种相同结晶定向的晶种50。当旋转晶种和坩锅16在相对方向时，拉晶机44然后慢慢地从熔化物提高晶种50，使得额外硅冻结且晶体扩大而形成生长锭52。在初始期间，在隆起区域54扩大锭52的直径，但然后增加拉晶速率(drawing rate)使得锭52的中央部分具有实质固定直径，例如，200或300毫米(mm)。
当锭52的长度增加时，其被部分地拉晶至拉晶腔体40。当已经达成锭的最后长度时，例如，1至2公尺，进一步增加拉晶速率用以建立从熔化物最终地断掉的减少直径的锭尾(ingot tail)。然后完整地拉晶锭52至拉晶腔体40，而拉晶机隔绝阀42关闭用以将拉晶腔体与坩锅腔体隔绝。当锭已经足够冷却时，从拉晶腔体40移除它，而新晶种可以被夹钳至拉晶机缆索46，使得若保持足够熔化物，则可从相同热的坩锅中可抽拉后续的锭。
若需要的话，可以在锭52的抽拉期间或在锭间至少间歇性地传递额外硅至坩锅16。在图1的实施例中，碎片或小球形式的固态硅颗粒60是由选择性地穿透坩锅腔体12的侧壁的进料器托盘62供给通过进料器隔绝阀64。可被容纳在本身隔绝腔体且被振动器选择性激活的进料器托盘62可从坩锅腔体12抽拉以及关闭进料器隔绝阀以允许原料重新供给至进料器托盘或本身操作。进料器托盘62是可放置在具有壶嘴66接近地放置在旋转外部进料区26上方以在低速将颗粒60丢入外部进料区26的倾斜的斜槽上方，其中，它们熔化且最终地是经由孔径28供给至内部生长区22以维持上熔化表面高度34。
虽然本发明已描述具有一个孔径的分隔壁的二区坩锅，但可以容易地延伸本发明至具有多于二区、具有多个孔径以提供限制的流体相通从最外区至最内生长区的分隔壁的坩锅。
通过个别的偏析系数，可以轻松地将本发明的某些态样扩大成多样掺杂物、或许不同导电类型的使用。
虽然上述推导提供固定的进料及拉晶速率的基础，但应理解到，计算机化控制器可以监控系统操作而据此调整进料和拉晶速率。
虽然本发明提供用于生长单晶硅锭的显著商业重要性，但它也可应用于其它材料及晶体的生长。
已针对说明和描述的目的提出前面描述的本发明的优选实施例。并非意图述尽或限制本发明于精确公开的形式。鉴于上述的教示是能有修改与变化，或者可从本发明的实施而获得这些修改与变化。实施例是经过选择和描述以便说明本发明的原理及其实际应用，以使本技术领域中的技术人员能够使用各种实施例以及进行适合于所考虑的特殊使用的各种修改。本发明的范围是意图由附加的权利要求书及其等效者所定义。

Claims (16)

1.一种生长硅锭的方法，该硅锭包括具有偏析系数k的掺杂物材料，该方法包括下列步骤：
i)提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；
ii)提供初始装料在该内部生长区和该外部进料区，在该内部生长区的该初始装料包括硅及该掺杂物材料，而在该外部进料区的该初始装料包括硅而无掺杂物材料；
iii)熔化在该内部生长区的该硅及掺杂物材料以形成熔化混合物及熔化在该外部进料区的该硅以形成硅熔化物，该熔化混合物及该硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面，其中，该内部生长区具有该熔化混合物的该上熔化表面的剖面表面积As而该坩锅具有该熔化混合物与该硅熔化物的该上熔化表面积的总剖面表面积At；
iv)从该内部生长区生长该硅锭；以及
v)移除包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料的该生长硅锭，其中，该方法是连续式切克劳斯基生长方法，包括以数量MF传递包括硅及无掺杂物材料的进料至该外部进料区的步骤；
同时生长该硅锭至数量Mx，以及其中，
(dMF/dMx)=1–k(At/As)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该坩锅是实质圆形剖面形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，该内部生长区是通过至少一个孔径的壁流体相通于该外部进料区。
4.一种生长硅锭的方法，该硅锭包括具有偏析系数k的掺杂物材料，该方法包括下列步骤：
i)提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；
ii)提供初始装料在该内部生长区和该外部进料区，在该内部生长区的该初始装料包括硅及该掺杂物材料，而在该外部进料区的该初始装料包括硅而无掺杂物材料；
iii)熔化在该内部生长区的该硅及该掺杂物材料以形成熔化混合物及熔化在该外部进料区的该硅以形成硅熔化物，该熔化混合物及该硅熔化物具有实质相似高度的上熔化表面，其中，该内部生长区具有该熔化混合物的该上熔化表面的剖面表面积As而该坩锅具有该熔化混合物与该硅熔化物的该上熔化表面积的总剖面表面积At；
iv)从该内部生长区生长该硅锭；以及
v)移除包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料的该生长硅锭，其中，该方法是连续式切克劳斯基生长方法，包括以数量MF传递包括硅及无掺杂物材料的进料至该外部进料区的步骤；
同时生长该硅锭至数量Mx，以及其中，
k(At/As)<1及dMF<dMx。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，该坩锅是实质圆形剖面形状。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，该内部生长区是通过至少一个孔径的壁流体相通于该外部进料区。
7.一种生长硅锭的方法，该硅锭包括具有偏析系数k的掺杂物材料，该方法包括下列步骤：
i)提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；
ii)提供初始装料在该内部生长区和外部进料区包括硅及该掺杂物材料，在该内部生长区的该初始装料当熔化时具有CL的掺杂物材料浓度，而该外部进料区的该初始装料当熔化时具有CF的掺杂物材料浓度；
iii)熔化该内部生长区和外部进料区的该硅及掺杂物材料以形成具有实质相似高度的上熔化表面的熔化混合物，其中，该内部生长区具有该熔化混合物的该上熔化表面的剖面表面积As而该坩锅具有该硅熔化物的该熔化混合物的该上熔化表面积的总剖面表面积At；
iv)从该内部生长区生长该硅锭；以及
v)移除包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料的该生长硅锭，
其中，该方法是批次切克劳斯基生长方法而该掺杂物材料具有实质等于0的蒸发率系数，以及其中，
(CF/CL)=[k–(As/At)]/[1-(As/At)]。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，该掺杂物材料是硼或磷。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，该坩锅是实质圆形剖面形状。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，该内部生长区是通过至少一个孔径的壁流体相通于该外部进料区。
11.一种生长硅锭的方法，该硅锭包括具有偏析系数k的掺杂物材料，该方法包括下列步骤：
i)提供具有流体相通于外部进料区的内部生长区的坩锅；
ii)提供初始装料在该内部生长区和外部进料区包括硅及该掺杂物材料，该初始装料在该内部生长区当熔融时具有CL的掺杂物材料浓度而该外部进料区的该初始装料当熔融时具有CF的掺杂物材料浓度；
iii)熔化该内部生长区和外部进料区的该硅及掺杂物材料以形成具有实质相似高度的上熔化表面的熔化混合物，其中，该内部生长区具有该熔化混合物的该上熔化表面的剖面表面积As而该坩锅具有该熔化混合物的该上熔化表面积的总剖面表面积At；
iv)从该内部生长区生长该硅锭；以及
v)移除包括在轴向实质固定浓度的该掺杂物材料的该生长硅锭，
其中，该方法是批次切克劳斯基生长方法而该掺杂物材料具有实质等于0的蒸发率系数，以及其中，
k(At/As)>1及CF<CL。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，该掺杂物材料是硼或磷。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，该坩锅是实质圆形剖面形状。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，该内部生长区是通过至少一个孔径的壁流体相通于该外部进料区。
15.根据权利要求13所述的结晶生长系统，其中，该掺杂物材料是硼或磷。
16.根据权利要求13所述的结晶生长系统，其中，该坩锅是实质圆形剖面形状。
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