CN104246021A - 在硅熔体的表面上达成持续的非等向晶体成长的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于自熔体成长晶体薄板的装置，其包括冷块组成。冷块组成可包括冷块以及围绕冷块的遮蔽，所述遮蔽具有比所述冷块的温度更高的温度，其中所述遮蔽定义出开口，所述开口沿着靠近熔体表面的所述冷块的表面配置，并且定义出包括沿着所述冷块的第一方向的宽度的冷却区域，所述冷却区域可操作以对靠近所述冷块的所述熔体表面的第一区域进行局部冷却。所述装置可还包括晶拉器，当配置冷块组成在熔体表面附近时，所述晶拉器以垂直于第一方向的方向拉动晶种。

Description

在硅熔体的表面上达成持续的非等向晶体成长的装置
技术领域
本发明的实施例涉及衬底制作的领域。尤其涉及一种自熔体成长结晶薄板的方法、系统以及结构。
背景技术
举例而言，集成电路或太阳能电池产业中可使用硅晶圆或板。随着对再生性能源的需求增加，对太阳能电池的需求亦持续增加。在太阳能电池产业中，其中一项主要的成本是用来制造这些太阳能电池的晶圆或薄板。减少在晶圆或薄板上的成本将必然地减少太阳能电池的成本，并且可让此再生性能源技术更普及。
已被研究的降低太阳能电池的材料花费的方法之一是自熔体垂直拉动薄硅带(ribbon)且将其冷却且凝固为薄板。上述方法的拉动速率(pull rate)被限制为小于大约18mm/min。在硅的冷却及凝固期间所移除的潜热(latentheat)必须沿垂直带移除。此导致沿所述带的较大温度梯度。此温度梯度对结晶硅带施加应力，且可能导致多晶粒硅的质量较差。所述带的宽度及厚度亦可能由于此温度梯度而受限。
水平地自熔体产生薄板(或“带”)，例如所谓的水平带成长(horizontalribbon growth，HRG)，也已被投入研究。现有技术试图使用氦气对流气体冷却来达到带拉动所需要的连续的表面成长。此些现有技术的尝试并未达到制造出可靠且迅速地拉动均匀厚度的宽带的目标，亦即未达到“值得制造(production worthy)”的目标。
虽然硅熔体的辐射冷却(radiative cooling)被提出作为一种形成结晶硅的替代性方法，但会因为固态硅与液态硅的发射率(emissivity)之间较大的差值εs-εl，而产生使用辐射冷却时较难达到熔体表面的迅速凝固的问题。有鉴于上述观点，可以理解，有改良自熔体制造水平成长的硅薄板的装置与方法的需求。
发明内容
本发明内容以简单的形式介绍一些概念，这些概念将于下述实施方式更进一步说明。本发明内容并非用以指出申请专利的标的的关键技术特征或必要技术特征，亦非用以帮助判断申请专利的标的的范畴。
本发明提出一种用来自熔体成长结晶薄板，所述装置包括冷块组成。冷块组成包括第一冷块以及第一遮蔽。所述第一遮蔽处在比冷块温度更高的提升温度，并且围绕第一冷块。第一遮蔽包括沿着冷块的较低部分配置的开口，且开口定义第一冷却区域，第一冷却区域包括沿着所述冷块的第一方向的宽度。第一冷却区域可操作以(operable to)在第一冷块附近的熔体表面区域提供局部冷却。本发明的装置还包括晶拉器，当第一冷块配置在熔体表面附近时，所述晶拉器以垂直于第一方向的方向拉动晶种。
在另一实施例中，本发明所提出的方法包括在熔体表面附近提供第一冷块组成，其中第一冷块组成包括第一冷块，所述第一冷块由第一遮蔽所围绕，所述第一遮蔽具有长型开口，所述开口沿着第一冷块的较低部分被配置。本发明所提出的方法也包括加热第一遮蔽至与熔体表面的温度Tm差距在摄氏10度以内的温度，并且对第一冷块提供冷却以形成具有温度Tc的冷却区域，其中Tc小于Tm，以及具有由所述长型的开口所限定的区域。本发明所提出的方法还包括判断附着于晶种的结晶层的形成，并且沿着垂直于长型开口的长轴方向的第一路径拉动晶种以形成具有第一宽度的连续的带。
附图说明
图1a根据本发明实施例显示自熔体成长硅的成长模式图。
图1b显示硅带的拉动。
图1c显示在第一个条件下放置晶种于熔体中的示意图。
图1d显示在第二个条件下放置晶种于熔体中的示意图。
图1e根据本发明实施例显示当晶种被处理时的示意图。
图2根据本发明实施例显示自熔体非等向性成长晶体的系统的正面剖视图。
图3显示包括被用于促进硅带的形成的冷块组成的范例系统的侧面剖视图。
图4a根据本发明实施例显示冷块组成的几何图示。
图4b显示冷块附近的硅熔体温度的变异的模型结果。
图5a显示包括用于自熔体进行结晶带的初始、加宽以及维持成长的冷块组成的装置。
图5b显示在图5a中的加宽器的放大图。
图5c根据本发明实施例显示一种替代性加宽器。
图6a显示另一实施例的加宽器。
图6b显示在图6a中的加宽器的一部分。
图7a-图7d根据本发明实施例显示用于水平带成长的工艺顺序。
具体实施方式
本发明将于下文搭配图式以及本发明的最佳实施例作更完整的说明。然而，本发明可以许多不同形式体现，并非仅限于本文揭示的实施例。更确切来说，此些实施例是用以使本揭示内容更臻完整，向此领域的技术人员完整地揭示本发明的范畴。在图示中，相同的标号皆表示相同的组件。
为解决关于前述方法的缺陷，本发明实施例提出用于结晶材料(crystallinematerial)(尤其是单晶材料(monocrystalline material))的水平熔体成长的新颖且具创造性的装置以及技术。在各种实施例中，揭示以水平熔体成长形成单晶硅薄板(sheet)的装置，但其他的材料、化合物或混合物亦可使用。在此揭示的装置可藉由拉动(pull)、流动(flow)或其他以大致水平的方向移动薄板的方式，自熔体撷取而形成长的单晶硅薄板。在一实施例中，虽然熔体可随着薄板流动，但也可能相对于薄板是静止的。因为薄的硅或硅合金的单晶薄板会自熔体的表面区域移除，并且会达到带(ribbon)形(其中带的长轴方向例如与拉动方向对齐)，上述装置可称为水平带成长(horizontalribbon growth，HRG)装置。
最近致力于发展水平带成长(HRG)的研究已发掘出使用辐射冷却来形成硅的结晶薄板。受到瞩目的是，固态硅的发射率ε固态约为液态硅在1412℃的融化温度时的发射率ε液态的三倍。如此一来，热较易从固相移除，而不是从液相移除，这形成了稳定结晶的必要条件。在一同提出，且以引用方式全文并入本文的文件“Method for Achieving Sustained Anisotropic Crystal Growthon the Surface of a Melt”(代理人案号1508V2011058，___提申)中，本发明的发明人揭示一种工艺窗(process window)，藉由在熔体上方的局部区域上提供作为辐射散热器(radiative heat sink)的冷区域，所述工艺窗自熔体成功地实施结晶硅的水平成长。此冷却区域作为可吸收自熔体表面所辐射的热的固态平板(solid plate)。藉由平衡穿越熔体的热以及自熔体表面辐射到冷却平板(cold plate)的热，自熔体表面形成构造稳定的非等向结晶的成长的模式(regime)由此确定。
图1a是根据本发明实施例所显示的以熔体来成长硅的成长模式的二维图形摘要。图1a所示的参数可藉由参照图1b而获得更佳的理解，图1b显示沿着熔体120的表面拉动硅板(以下称为硅带126)。冷却平板130被配置于熔体120的附近来结晶硅带126。图1a的图形的纵坐标为值Tc-Tm，其中Tm是熔体表面的熔体温度，而Tc是被固持在熔体表面附近的冷却平板的温度。具体地说，Tc-Tm的绝对值越大，吸收自熔体120的辐射热就会越多。横坐标是以垂直方向通过熔体而流向冷却平板130的热流q″y。如图1a所示，Tc-Tm与q″y的不同组合会产生不同的模式，此些模式标为102、104、106以及108，将于图1c-图1e更进一步详细说明。
图1c显示以图1a的点A)(落于模式102中)所示的条件将晶种122放置于熔体120中的情况。模式102是没发生晶体成长的模式，且是由相对较低的Tc-Tm与通过熔体相对较高的热流q″″的组合所产生，上述模式会因为通过熔体的热流q″y高而使自熔体120的表面所辐射的热不足以促进结晶化(crystallization)。当晶种122以点A)所示的条件被放置于熔体120中时，通过熔体的热流q″y近似于4W/cm2并且大于从固态硅所辐射的热流q″rad-solid，如图所示。由此会导致非但没有成长反而造成晶种122的回熔(meltback)进入熔体120的情况。应注意的是，在图1a中界定模式102的一个边界的曲线110对应于零成长的条件，使得曲线110的右方及上方区域内的任一点皆表示回熔的情况。
图1d显示以落于成长模式104(边界为曲线110与曲线112)内的点B)所标示的示意图。成长模式104表示了以相对低的成长率(growth rate)成长构造稳定的晶体的模式。如图1d所示，q″rad-solid大于q″y并且使结晶材料124在晶种122上等向成长。如图所显示的例子，成长率Vg是3μm/s。自熔体表面的辐射热流q″rad-solid小于通过熔体的热流q″y，使得邻近晶种的液体的表面会维持在液体的形式。
图1e显示由落于成长模式106中的点C)所标示的方案，成长模式106是由本发明的发明人首先绘出。成长模式106对应于下述模式：其中，藉由冷却平板所致的辐射冷却，冷却平板温度Tc与通过熔体的热流q″y的组合在熔体的表面产生非等向晶体成长。当条件落于成长模式106中时，藉由在冷却平板下方拉动晶种可以在熔体表面上形成结晶的薄板。如图1a所示，成长模式106的右方与上方的边界由曲线112界定。在成长模式106中的点C，冷却平板温度Tc也与点A)以及点B)的温度相同，而通过硅熔体的热流q″y实质上小于点A)与B)的热流，亦即1W/cm2。如图1e所示，晶种122在点C)所示的条件下被拉往右边。在此些情况下，从晶种122的辐射热流，也就是从固体硅的辐射热流q″rad-solid，会与通过硅熔体120的熔体表面的辐射热流q″rad-liquid一样皆大于通过硅熔体的热流q″y。因此，在熔体120的表面除了有6μm/s的等向成长率Vg之外，也会发生持续的非等向性结晶的成长。如此一来，硅带126于前缘(leading edge)128形成，于经受1mm/s的拉动速率(pulling rate)时，其边缘维持于固定位置。
图1a更显示成长模式108，其代表成长速率6μm/s而构造上不稳定的模式。因此，在对应至0.6W/cm2的线114以左，倘若在硅熔体中存在典型的杂质浓度，大于或等于6μm/s的成长率是构造上不稳定的。例如，此些杂质可包括铁或其他材料。
由图1a所显示的条件可知，以辐射冷却进行非等向性晶体成长的条件是难以达到的。例如，倘若通过熔体的热流q″y的值太低，则会发生构造上不稳定的成长。此外，即使通过熔体的热流q″y的速率中等，例如2W/cm2，对非等向性结晶的成长而言可能也太高，反而会(取决于冷却平板温度Tc)产生成长模式104的缓慢的等向性晶体成长或模式102的晶种的回熔。再者，对于只稍微低于Tm(例如，Tc-Tm＝-30℃)的冷却平板温度Tc而言，没有任何范围的热流可以从熔体产生非等向性且结构稳定的晶体成长。亦即，成长模式106的宽度在接近Tc-Tm＜-30℃的值时消失。即使在点C)，当冷却平板温度比Tm低60℃时，成长模式106的宽度也只仅介于约0.6-1.2W/cm2之间，其中成长模式106的宽度也就是能产生非等向性晶体成长的通过熔体的热流q″y的范围。为了在如此窄范围内维持通过熔体的热流q″y，这需要同时在熔体的底部以及熔体的上部要求熔体温度的精准控制。另一方面，如图la所显示，为了扩展自熔体产生非等向性晶体成长的q″y的范围，Tc-Tm的绝对值会被增加。然而，这要求在足够靠近熔体的附近(例如在等于或小于几毫米的范围内)提出冷却平板以有效地吸收辐射，同时冷却平板的温度也被维持为比熔体温度低相当多，例如低于数百度。并且，成长薄板的净厚度是根据冷却平板的宽度(沿着拉动方向)而定。因此，例如为了维持小于200μm的厚度，限制冷却平板的宽度是必要的。水冷却块(water cooled block)可从靠近于表面的窄区域移除热。
本发明实施例藉由提供新颖且具创造性的装置来处理前述考虑，所述装置可在熔体表面放置窄的冷却区或冷却区域，其可在熔体表面的局部区域有效诱导非等向性结晶，而留下相邻区域不受干扰。如下所述，这有助于以快的速率撷取结晶材料的薄板或带。
图2根据本发明实施例显示用于自熔体作非等向性晶体成长的系统200的正面剖视图。请参照图中的坐标系统，在图2中的y-轴沿着垂直方向伸展以及x-轴沿着水平方向伸展。系统200包括围着坩埚(crucible)210的炉管(furnace)202。炉管202经配置以将坩埚210以及炉管202内部的环境加热至足以将材料熔化的温度，而结晶薄板材料即成长自此材料。例如，炉管202被加热至恰高于硅的熔化温度的范围内的温度，以自熔体212成长硅的薄板。例如，炉管202的温度T炉管被设定在约1412℃至约1430℃。如此一来，硅会在炉管202中于硅薄板的非等向性成长期间内被维持在熔化的形式。为了自熔体212形成材料的结晶薄板，晶种(未显示)会被放置于熔体中并且在某些情况下通过熔体被拉动，如下所述。系统200也包括冷块组成(cold blockassembly)204，所述冷块组成204被冷却至低于熔体212的熔化温度的温度。在所显示的实施例中，冷块组成204具有耦接至内部通道(interior passage)214的入口206以及出口208以提供冷却液体(例如水)，其中冷却液体可通过位于冷块组成204中的冷块216被运送。冷却液体源(未显示)是来自冷块216或冷块组成204的外部。系统200也包括支架(holder)218，其耦接至冷块216且可操作以沿着与熔体表面224垂直的轴220移动。因此，在一些实施例中，可形成冷块组成204的一部分的支架218可于熔体表面224的上方以不同的距离放置冷块216。
在不同的实施例中，当冷块216被置于距离熔体表面224一段适当距离的位置时，冷块216会对靠近冷块216的熔体212的部分222提供辐射冷却。为了提供冷块216足够低的温度Tc以自熔体212产生非等向性晶体成长，可用高传导率材料来制造冷块216。在一实施例中，入口206与出口208的直径与内部通道214的直径一样可为2.5mm，并且冷块216沿着z-方向(穿过页面)的长度可为2公分。依据此配置，流动速率(flow rate)每分钟3公升的水足以自被设定于约1400℃的温度的炉管202移除200W的热，同时水温维持在低于100℃并且水自入口206至出口208之间的差距温度维持在低于1℃以下。在此条件下，冷块216可被置于所需的距离内(例如，距离熔体表面224约1mm)以结晶熔体212的表面层，同时冷块温度准确地维持理想的温度Tc，其中温度Tc是低于熔体温度Tm。
在一些实施例中，除了辐射冷却之外，亦可在炉管202中使用像是氦气的气体，使得热经由热传导(thermal conduction)自熔体表面224转移，而非透过冷块216所产生的辐射冷却来转移。具体而言，可以在冷块216中配置气体岐管(manifold)(未显示)以使气体在冷块216与熔体表面224之间的区域226流动。
在不同的实施例中，冷块(例如冷块216)由遮蔽(shielding，亦称为shield，未显示)所围绕，所述遮蔽可将冷块216的辐射冷却局限于熔体表面的小区域。同时请参照图1a与图1e，如上所述，通过熔体的热流q″y必须要小，才能产生构造上稳定的晶体成长，如曲线114以右所指示的模式104以及模式106。为了避免热流超出曲线110以右的值，需要以受限的方式提供充足的冷却能力(cooling power)，只对冷块接近硅带126的前缘128(如图1e所显示)的部分提供低的Tc值，使得熔体表面224的其他部分不会冷却，如图2所显示。
根据本发明实施例，冷块的遮蔽可包括加热组件(heated elements)或是主动地提供热遮蔽的“补偿加热器(compensation heaters)”，其围绕着与炉管独立的冷块，其中冷块位于炉管中。例如，可提供冷块的冷却部分的遮蔽，使得冷块靠近熔体的表面或表面的一部分维持在Tc的温度，即使冷块的其他表面是被维持在较高的温度。
图3显示包括冷块组成302的一范例系统300的侧面剖视图，所述冷块组成302被使用来帮助硅带的成形。请参照图3所示的坐标系统，y-轴沿着垂直方向延伸且z-轴沿着水平方向延伸，所述水平方向可以和硅带的拉动方向重合。冷块组成302包括相邻于冷块308的绝缘体304，所述冷块308为冷块组成302的中间部分。即使在图3中无明确显示，在一些实施例中，冷块组成302是以水来进行冷却，也是如图2的实施例所建议的。
在图3的实施例中，遮蔽306围住绝缘体304以及冷块308。遮蔽306包括补偿加热器，其供应充份的热以将温度维持在接近炉管加热器310产生的炉管温度。在一范例中，炉管加热器310产生热以将炉管衬层312的内部维持在略高于314(例如硅熔体)熔化温度的温度，所述炉管衬层的内部温度可以是高于1412℃硅熔点温度的温度1414℃。此外，在不同的实施例中，遮蔽306被维持在接近于熔体314的熔体表面温度的温度。在此所使用的描述“接近于熔体表面的温度”是指与熔体表面温度的差距在摄氏10度以内的温度。在一些显示硅带的实施例中，遮蔽306被加热至约1402-1422℃，具体而言，在一实施例中，遮蔽会被加热至1412℃。如此一来，炉管的其他部分以及熔体表面只会有少量的热流，并且绝大部分的热流会发生在冷块组成302下方的熔体314表面的区域316。根据本发明实施例，用来加热遮蔽306至所设计的温度的功率密度(power density)PD是给定在
其中T冷块是冷块308的温度以及T炉管是炉管温度，绝缘体304的厚度以及绝缘体304导热率分别是d及k。
如下述图3所示，冷块组成302可在炉管衬层312间通过开口322沿着轴320移动，使得冷块308的较低部分324被置于熔体314附近。较低部分324会比冷块308的较高部分具有较高的温度，但在一些实施例中，所述较低部分324却比熔体314的温度还低数百度。当较低部分324被置于足够接近于熔体314的位置时，固态薄板(solid sheet)326在熔体314的表面结晶，如图所示。然而，因为遮蔽306在冷块308与绝缘体304的周围延展围绕，只有由较低部分324界定的小区域具有大幅地低于熔体314温度的温度，例如，比熔体314温度更低20度。因此，熔体314表面的辐射冷却只发生在固态薄板326的前缘328附近，因此，在沿着方向334拉动固态薄板时，较低部分324下方持续地产生结晶化，同时硅熔体314的其他部分未受干扰。
为了精确地控制由冷块组成302所产生的辐射热移除(冷却)(radiativeheat removal(cooing))，较低部分324被准确地放置于熔体表面的上方。图4a根据本发明实施例显示冷块组成400的几何图式。冷块组成400包括冷块402，所述冷块402由被配置在其对侧的补偿加热器404所围绕。根据本发明实施例，藉由沿着轴409移动冷块组成400以改变冷块402至熔体406的垂直距离以及藉由改变补偿加热器404的温度来控制熔体406的辐射冷却的强度与分布。在一实施例中，在熔体406附近的补偿加热器404的温度可设定在等同于硅的熔点的1412℃。冷块402的较低表面408的温度可设定在低于1000℃的温度。
图4b显示在冷块402附近的硅熔体温度的变异的模型结果。温度变异是以冷块402与补偿加热器404的中心对中心的间隔Δz所显示。此模型结果显示四条曲线，其以硅熔体406及冷块402的较低表面408之间的垂直距离y作为函式来显示硅熔体的温度变异。函式中的y值以Δz来表示。曲线410显示当y值等于2Δz时，硅熔体的温度只轻微地下降。另一方面，曲线412显示当y值等于1.5Δz时，在冷块402下方的熔体温度会显着地下降。当y值在1Δz时的曲线414显示了在冷块402正下方的熔体温度的下降是更为显着并且尖峰更明显。曲线416显示了当y值等于1Δz时降低冷块402的补偿加热器404温度Th(产生更大的Tc-Tm的值)会使熔体温度更大幅下降。可以证明熔体表面的平均冷却是呈现偶极场(dipole field)关系，亦即，Qrad(y)近似于(Δz/y)3。因此，藉由提升此组成一段等于数倍Δz的距离y(例如曲线410所显示)可有效地“关闭(turned off)”冷块组成400。
请再次参照图3，冷块组成302包括光导管(light pipe)330，并且包括热电偶(thermocouple)332以测量在冷块308的较低部分324的温度。当在熔体314的表面上初始化固态薄板326的成长时，能够辨明薄板的前缘328(带是从前缘328随后拉动)的位置是较佳的。例如，关于种晶(seeding)以及一开始结晶固态薄板326的工艺，冷块组成302的位置降低，同时晶种338的一端在冷块组成302的下方来回移动。当达到可独立冷却(结晶)晶种338旁的熔体314的适当条件时，固态薄板326的前缘328会维持在冷块组成的下方，同时晶种338会被晶拉器(crystal puller)340所拉动而形成连续的带成长。
为了直接地观察结晶化(crystallization)，窗口(window)(未显示)可被配置在炉管衬层312中以从冷块308下方进行观察。然而，在宽的冷块308下，窗口可能不能提供理想的结晶化监控，因为在冷却组成302接近熔体314时，缺乏提供视角的空间。如图3所示，因为光导管(light pipe)330的一端位于靠近前缘328的位置，光导管330可提供更直接的观察熔体314的方法，其中光导管330包括蓝宝石(sapphire)材料。再者，藉由将光导管330容纳(housing)在冷块308内，可避免与炉管周围的材料(例如氧化硅)产生有害反应。光导管330通过冷块308延伸并且会提供影像或信号，所述影像或信号从熔体314附近的区域充分地移动至另一个装置，例如高温计(pyrometer)335。材料(例如硅)的固态发射率与液态发射率之间较大的差值使得可容易地辨别在固态薄板326上形成的前缘328与熔体314。在不同的实施例中，从与光导管330连接的装置(例如高温计335)的信号可被回授(feed back)至系统300的控制器336，因而致能完全自动化的带初始化工艺。例如，当固态薄板326开始在熔体314上产生时，产生光发射率到光导管330的表面区域会从发射率为0.2的百分之百的液体改变至发射率为0.6的百分之五十的液体与百分之五十的固体。由此，在所检测的表面区域其有效发射率会改变至约0.4的值，实质上改变了由高温计335所检测的整体光强度(total light intensity)，所述高温计335位于光导管330的远端。此所检测的强度可被发送至控制器336以使得控制器可判断何时要初始化带拉动工艺。例如，当所检测的强度达到预先决定的门坎(threshold)时，系统300的控制器336可由晶拉器340沿方向334以速率Vx开始晶种338的拉动，所述门坎是被设定来指示结晶化的起始点，如图所示。
在不同的实施例中，可采用多个冷块组成在连续的工艺阶段中自熔体成长结晶材料的薄板。在第一阶段中，使用“初始器(initializer)”冷块组成，透过晶种的帮助，自熔体初始化结晶材料的窄薄板的成长，其中窄薄板亦称为“窄带(narrow ribbon)”。接着会将窄带交给增加窄带宽度的“加宽器(widener)”冷块组成，并且接着交给产生固定宽度的较宽带的“维持器(sustainer)”冷块组成。在一些实施例中，维持器与加宽器装置可以是相同装置。
图5a显示水平带成长(HRG)装置500，所述水平带成长装置500包括用于自熔体进行结晶带的初始、加宽以及维持成长的冷块组成。在所显示的实施例中，冷块组成在拉动方向516上的宽度是较窄的，并且因此在拉动方向516上产生较窄的冷却区域，并且在垂直于拉动方向516的方向上可产生较宽的冷却区域。即使未分别显示，在不同的实施例中，装置500的一或多个初始、加宽以及维持组件会具有只在组件的较低部分限定冷却区域的遮蔽，所述组件可被置于接近熔体表面的位置。具体而言，初始器502包括冷块以及遮蔽，所述遮蔽围绕着被冷却至低于熔体512温度的第一温度Tc的冷块，由此在熔体512表面上产生薄板的非等向性成长，如上所述。初始器502的遮蔽可被设定在比冷块温度更高的温度，使得遮蔽沿着在熔体512表面附近的冷块表面限定开口。当初始器502在熔体表面附近时，在遮蔽中的开口因此在熔体512的表面呈现冷却区域。此冷却区域被使用来在熔化区域中的熔体512表面上产生非等向性晶体成长，如下详述。
同样地，水平带成长装置500的加宽器504可包括冷块以及围绕冷块的遮蔽以在熔体512表面上产生薄板的非等向性成长，所述冷块被冷却至低于熔体512温度的第二温度Tc2，所述第二温度Tc2可与Tc相同或不同，所述加宽器504的运作将于下详述。加宽器504的遮蔽被设定在第二提升温度(可与初始器502的遮蔽的提升温度相同或不同)，使得遮蔽沿着在熔体512表面附近的冷块表面限定开口，其中所述第二提升温度比加宽器504的冷块的温度高。在加宽器504的遮蔽中的开口因此呈现另一冷却区域，此冷却区域定义了熔体512在熔体512的表面上发生非等向性晶体成长的区域。如下所述，加宽器504的冷却区域可以改变，以在薄板拉动时改变结晶薄板的宽度。
同样地，水平带成长装置500的维持器506可包括冷块以及围绕冷块的遮蔽以在熔体512表面上持续进行薄板的非等向性成长，如下所述，其中冷块被冷却至低于熔体512温度的第三温度Tc3，其可与Tc2和/或Tc相同或不同。维持器506的遮蔽被设定在第三提高温度，使得遮蔽沿着在熔体512表面附近的冷块表面限定开口，其中第三提升温度比冷块温度高，并且可与初始器502或加宽器504的遮蔽的提升温度相同或不同。在遮蔽中的开口从而限定另一冷却区域，所述冷却区域可以用来在熔块512的表面上持续进行薄板的非等向性成长，其中所述薄板的宽度由冷却区域的大小决定。
如图5a所示，初始器502可操作以沿着轴508a移动，所述轴508a垂直于熔体512的表面，使得初始器502被置于靠近熔体512的附近，如点D)所示的位置，并在此点开始形成窄的带514。加宽器504被置于点E)上方，点E)位于初始器502的下游，使得最初在点D)产生且沿着熔体512的表面以方向516拉动的窄带514可接着在点E)下横过(traverse)。加宽器504可操作以沿着轴508b移动，使得加宽器504也被置于靠近熔体512表面附近的位置。在图5a的图示中，加宽器504自熔体512的表面缩回，因而在熔体512上无施加冷却效果。因此，窄带514在图5a所显示的例子中维持较窄的形状。然而，当加宽器504被置于靠近熔体512的附近位置时，加宽器504可加宽窄带514，如下所述。维持器506被置于位于点F)上方(也是在图5a中的缩回状态)，点F)在初始器502与加宽器504的下游位置，使得最初在点D)产生且沿着熔体512的表面以方向516拉动的带会接着在点F)下横过。维持器506可操作以沿着轴508c移动，使得维持器506也被置于靠近熔体512表面的附近位置。当维持器506被置于靠近熔体512的附近位置时，维持器506可维持带由加宽器504所限定的宽度，如下所述。并且，如图5a所示，每个冷却刀片会有一或多个光导管510以监控如下所述的结晶化。
在不同的实施例中，可根据所要的规划或程序来操作水平带成长装置500，以产生目标带的大小及其属性。具体而言，为了在成长的带中达到最小的差排(dislocation)，初始器502在垂直于拉动方向516的方向518有较窄的尺寸(dimension)。窄带514较佳地维持与晶种(未显示)相同的结晶方向(crystallographic orientation)。藉由提供其在方向518上是较窄的初始器502，促使窄带514进行单晶成长，并且差排藉由迁移与终止于窄带514的边缘520而很有可能被“修复(heal)”。
为了将初始的窄带514加宽至所配置的宽度，加宽器504可在方向518上促使窄带514的单调向外成长(monotonic outward growth)。此需要当窄带514沿着方向516拉动时，加宽器504以时间函式在方向518上增加冷却区域的宽度。根据本发明实施例，图5a、图5b、图6a以及图6b显示两个完成上述加宽步骤的加宽器的单独配置。在图5a的范例中，加宽器504包括在其较低的一端上弯曲的或逐渐变窄(tapered)的表面。用来形容加宽器较低一端的术语“弯曲的”意指该表面并非与熔体512表面平行，例如该表面可为线性表面或可产生弧形的表面。在其他的配置中，例如也可在距离熔体的不同距离使用多重表面(亦即，块三角形图案(block triangular pattern))，如在图5c中所显示的加宽器504a。图5b显示加宽器504的放大图，其中逐渐变窄或弯曲的表面530被塑形而使得弯曲表面在内部点G)与H)所标示的部分比起外部点I)与J)所标示的部分更靠近熔体512。因为由加宽器504所产生的有效辐射冷却功率在加宽器504与熔体512之间的间隙易受影响的关系，冷却效果可藉由弯曲表面530沿着方向518分级，所述弯曲表面在不同的实施例中可为拱形或线形。
由此，当加宽器504朝向熔体表面降低时，可使熔体结晶的冷却区的宽度会在降低的工艺中随着时间向外扩展。因此，即使加宽器504的整个宽度(沿着x-方向)会冷却，但随着加宽器504的较低表面部分变得足够靠近熔体而在不同的时间点施加冷却效果，在熔体512上所产生的有效冷却区域会随着时间改变。由此，在加宽器504下所拉动的带会随着加宽器504降低而在宽度上扩展。在图5a及图5b所显示的实施例中，加宽器504包括在最内部区域的凹陷(recess)534。凹陷534可具有与已存在的带不相上下的宽度，例如由初始器502所形成的窄带514。凹陷534以背离熔体512表面的方向拉升加宽器504的最内部区域532，使得在加宽器下所拉动的已存在的窄带514更远离冷却区域并且因此倾向减少的结晶化，其因此窄带514倾向在平行于轴508b的方向上变厚。此可避免窄带514至少在最内部区域532下方不会变得极度厚，因为最内部区域532对其下方的窄带514的冷却效果(若有的话)只有一点点。然而，应注意的是，加宽器504的配置倾向于先结晶在加宽器504上标注为点G)与点H)的部分之下的那些熔体512的区域，再结晶在加宽器504上标注为点I)与点J)的部分之下的那些熔体512的区域，由此至少在已加宽的带的那些部分之下，对已加宽的带提供渐窄的厚度分布(taperin thickness)。
图6a显示可结合初始器602一起使用的加宽器604的另一实施例。在一实施例中，初始器602沿着轴606a朝向熔体610降低并且初始化窄带612的结晶成型，所述窄带612沿着方向614拉动。在初始器604产生窄带612之后，加宽器604可沿着轴606b朝向熔体610表面的方向降低，使得位在窄带612外侧的熔体610的区域因辐射冷却而产生结晶，例如区域616以及617。如图所示，加宽器604包括一组划区加热器(zoned heater)608，所述划区加热器608在加宽器604的较低部分的位置并且其较低面是面向熔体610。如图6b进一步所显示，划区加热器608包括一组加热器608a-608f，所述加热器608a-608f可被独立地控制以使每个加热器局部发热。如此一来，当对加宽器604施予冷却液体时，藉由打开个别的加热器608a-608f使得加宽器604的温度可在区域618a-618f中局部上升。此会在加宽器604的该部分产生移除或减少辐射冷却的效果。由此，为了加宽带，加宽器604置于带612之上并且会与打开的加热器608a-608f一起降低至熔体610的表面附近。接着，为了在更宽的区域开始进行结晶，内部加热器608c与608d可关闭或关小而使得加宽器604的区域618c与618d的温度变得更低。在下述的例子中，降低区域618b与618e的温度的中间位置加热器608b与608e可关闭或可关小。最后，降低区域618a与618f的温度的外部区域加热器608a与608f可关闭或可关小。此关闭加热器的工艺具有逐渐地加宽在熔体610上方的冷却区域的效果，当窄带在加宽器604之下拉动时，所述效果会使窄带612逐渐且单调地加宽。
在一些实施例中，当降低加宽器604时，加宽器604的较低表面的部分会限定其宽度与初始器602所限定的冷却区的宽度相同的冷却区域。此可藉由具有一或多个关小或关闭的加热器来完成，使得加宽器604的该部分在熔体610上产生冷却区域。在另外的实施例中，加宽器604的较低表面有部分可不包括加热器。设置在加宽器604的较低表面上的加热器可在无配置加热器的外部区域产生热，用以限定无配置加热器的冷却区域，所述冷却区域的宽度会与由初始器602所产生的冷却区域的宽度相同。接着，如上所述，加热器可关闭或可关小以加宽冷却区域。
请再次参照图5a，根据不同的实施例，维持器506在其较低表面具有均匀的形状，所述较低表面可与熔体512的表面平行以沿着方向518通过维持器的宽度产生均匀的温度。在不同的实施例中，在使用加宽器使得带被加宽后，可配置维持器506以维持宽度均匀的带。当维持器506朝向熔体降低，加宽器504与初始器502会以远离熔体512的方向缩回。接着，维持器506在固定的宽度上产生均匀冷却，其产生均匀厚度及宽度的宽带的成长结果。
值得注意的是，在一些实施例中，除了配置独立的维持器，加宽器亦可提供维持器的功能。例如，可使用加宽器604透过从最内部加热器至最外部加热器依序连续关闭此些加热器来加宽结晶带。一旦所有加热器关闭，倘若热度在方向518上的移除是均匀的，则加宽器可作为均匀维持器(uniformsustainer)。
图7a-图7d根据本发明实施例显示水平带成长的工艺顺序(processsequence)。在图7a中，晶种710被置于熔体708的表面并且以方向714拉动。藉由沿着轴712降低初始器702，水平带成长装置700的初始器702被置于熔体708表面的附近。加宽器704与维持器706被配置在已缩回的位置，使加宽器704与维持器706不在熔体708的位置附近，因此在熔体708的表面上无施加冷却效果。初始器702产生非等向性成长以在晶种710的一边进行初始化，并形成窄带，所述窄带随着晶种710在方向714拉动而在长度上增长。
在图7b中，加宽器704沿着轴718降低，直到其接近至熔体708的位置，使得加宽器704在熔体708上施加冷却效果。初始器702维持在熔体708的附近位置并且持续施予冷却效果。如图所示，窄带716扩展到宽带部分720。宽带部分720包括后缘(trailing edge)722，所述后缘722逐渐变窄，并且会在加宽器704逐渐地向熔体降低时被形成，所述加宽器704具有弯曲的较低表面705。加宽器704的逐渐下降会逐渐地扩展熔体708所经历的冷却区的宽度，由此逐渐地扩展因冷却而产生的结晶区域的宽度，如上所述。在初始器702与加宽器704之间，根据初始器702的宽度，带的前缘部分724会较窄。
在图7c中，沿着轴726降低维持器706，使得维持器706在宽度w上施加均匀的冷却效果。在图7d中，当窄带716在方向714上持续拉动，初始器702与加宽器704会从接近熔体708的表面上移开。这会形成具有均匀厚度且长度变长的宽带部分720。
在图7a-图7d所绘的工艺顺序的一种变化中，可使用加宽器604(其操作已于前文详述)取代加宽器704。
举例而言，于此所描述的方法可透过明确地执行在计算机可读储存媒体上的指令程序来自动化进行，所述计算机可读储存媒体可藉由可执行指令的机器来读取。例如，上述机器是通用计算机(general purpose computer)。本领域技术人员所习知适当的储存媒体的非限制性范例列表包括例如可读取或可写入的光盘(CD)、闪存芯片(flash memory chips)(例如拇指碟(thumbdrivers))、不同的磁性储存媒体(magnetic storage media)以及类似物。
本发明的范畴并不限于本文描述的特定实施例，事实上，根据前述说明和附图，除了本文描述者以外，本揭示内容的各种其他实施例与修改方案对于所属技术领域中具有通常知识者而言将会是显而易见的。因此，本揭示内容的范畴意图涵盖该些其他实施例与修改方案。此外，虽然本揭示内容是在针对特定用途，在特定环境下的特定实施方式的脉络下进行描述，但是所属技术领域的技术人员将会了解，其用途不只限于此，本揭示内容可以针对任意用途，在任意环境下有益地实施。因此，应该根据本揭示内容的完整广度与精神，来理解本揭示内容的标的。

Claims (25)

1.一种用于自熔体成长结晶薄板的装置，包括：
冷块组成，其包括：
冷块；以及
围绕于所述冷块的遮蔽，所述遮蔽处在比所述冷块的温度更高的温度，所述遮蔽定义出开口，所述开口沿着靠近熔体表面的所述冷块的表面配置，并且定义出包括沿着所述冷块的第一方向的宽度的冷却区域，所述冷却区域可操作以对靠近所述冷块的所述熔体表面的第一区域进行局部冷却；以及
晶拉器，经配置以沿着垂直于所述第一方向的方向拉动晶种。
2.根据权利要求1所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述遮蔽包括一组补偿加热组件，所述补偿加热组件经配置以在所述冷却区域外侧、围绕所述冷块的区域中提供与所述熔体表面差距在摄氏10度以内的表面温度。
3.根据权利要求2所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述补偿加热组件可操作以提供约1412℃的表面温度。
4.根据权利要求1所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述冷块在所述冷块内部定义出连接至冷却液体源的通道。
5.根据权利要求1所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，还包括支架，所述支架经配置以在所述熔体表面的所述第一区域上定位所述冷块，并且在垂直于所述熔体表面的方向上移动所述冷块。
6.根据权利要求1所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，还包括配置在所述遮蔽以及所述冷块之间的绝缘部分。
7.根据权利要求1所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，还包括：
至少一个光导管，配置在所述冷块中，靠近所述冷却区域，所述光导管用以引导光至产生信号的高温计；以及
控制器，可操作以在所述熔体附近的辐射等级达到预先决定的门坎时，从所述高温器接收信号，且产生信号，以沿着所述熔体表面开始晶种的拉动。
8.根据权利要求1所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述冷块组成是第一冷块组成，所述冷块是第一冷块，所述遮蔽是第一遮蔽，以及所述宽度是第一宽度，所述装置还包括：
第二冷块组成，所述第二冷块组成包括：
第二冷块；以及
围绕于所述第二冷块的第二遮蔽，所述第二遮蔽处在比所述第二冷块高的第二提升温度，所述第二遮蔽定义出第二开口，所述第二开口沿着在所述熔体表面的第二区域附近的所述第二冷块的第二表面配置，并且定义出第二冷却区域，所述第二冷块组成可操作以使第二冷却区域产生第二宽度，并且所述第二宽度随着时间变动，直到形成大于所述第二宽度的第三宽度。
9.根据权利要求8所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述第二表面包括弯曲形状，所述弯曲形状经配置以使得所述第二表面的外部区域与所述熔体表面的垂直距离比起所述第二表面的内部区域与所述熔体表面的垂直距离大。
10.根据权利要求9所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述第二表面在所述第二表面的最内部区域定义出凹陷，其中所述凹陷具有约等于所述第一宽度的宽度。
11.根据权利要求8所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，其中所述第二冷块组成包括沿着所述第二表面配置的两个或多于两个加热组件，其中所述第二冷块组成可操作以减少两个或多于两个加热组件中的至少其中之一的功率，以随着时间将所述第二宽度改变至所述第三宽度。
12.根据权利要求8所述的用于自熔体成长结晶薄板的装置，还包括：
第三冷块组成，其中所述第三冷块组成包括：
第三冷块；以及
围绕所述第三冷块的第三遮蔽，所述第三遮蔽处在比所述第三冷块更高的第三提升温度，所述第三遮蔽包括第三开口并且定义出第三冷却区域，其中所述第三开口在所述熔体表面的第三区域附近沿着所述第三冷块的第三表面配置，所述第三冷却区域包括约等于所述第三宽度的第四宽度，并且所述第三表面包括平坦形状以均匀地移除热流量。
13.一种方法，包括：
在熔体表面附近提供冷块组成，其中所述冷块组成具有沿着面向所述熔体表面的较低表面配置的开口；
在所述熔体表面之上放置所述冷块组成，以形成由所述开口所定义的冷却区域，所述冷却区域具有小于所述熔体表面温度Tm的温度Tc；
判断已形成附着于晶种的结晶层；以及
沿着路径拉动晶种以形成具有宽度的带。
14.根据权利要求13所述的方法，其中放置所述冷块组成的步骤在所述较低表面与所述熔体表面之间提供垂直间隙y，其中所述垂直间隙y是两倍Δz或是小于两倍Δz的值，其中Δz是所述冷块区域的中心与在所述较低表面围绕所述冷却区域的遮蔽的中心之间沿着平行于所述熔体表面的方向的距离。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述冷块组成是第一冷块组成，所述冷却区域是第一冷却区域，所述路径是第一路径以及所述宽度是第一宽度，所述方法还包括：
在沿着所述第一路径的第一位置上于所述熔体表面附近提供第二冷块组成；
在所述熔体表面之上放置所述第二冷块组成以形成第二冷却区域，其中所述第二冷却区域具有小于所述Tm的温度Tc2；以及
在所述第二冷块组成之下沿着所述第一路径拉动所述带，同时使所述第二冷却区域从所述第一宽度加宽至大于所述第一宽度的第二宽度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述加宽的步骤包括：
当沿着所述第一路径拉动所述带时，向所述熔体表面降低所述第二冷块组成，其中所述第二冷块组成的第二表面的外部区域到所述熔体表面的距离大于所述第二冷块组成的第二表面的内部区域到所述熔体表面的距离。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述加宽的步骤包括：
减少多个加热组件中的一个或多个加热组件的功率，以在于所述第二表面之下沿着所述第一路径拉动所述带时增加所述第二冷却区域的大小，其中所述多个加热组件沿着所述第二冷块组成的第二表面配置。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
在所述熔体表面的附近，在所述第一路径上的位点提供第三冷块组成，所述位点比所述第二冷块组成还要更远离所述第一冷块组成；
在所述熔体表面之上放置所述第三冷块组成以形成第三冷却区域；以及
在所述第三冷却组成之下沿着所述第一路径拉动带，同时维持所述第三冷却区域的宽度，使得所述带形成均匀的厚度。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括当在所述第三冷块组成之下沿着所述第一路径拉动所述带时，维持所述第二冷却区域在所述第二宽度。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述判断的步骤还包括：
检测在所述熔体表面附近的光强度；以及
当所述光强度超过所预先决定的门坎时，传送信号至控制器。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括在所述熔体表面与所述冷块组成之间提供氦。
22.根据权利要求18所述的方法，还包括：
判断通过比所述第二冷块组成还要更远离所述第一冷块组成的所述位点的所述带的部分中已经没有差排；以及
从其各自在所述熔体表面附近的位置缩回所述第一冷块组成以及所述第二冷块组成。
23.根据权利要求13所述的方法，还包括加热所述冷块组成的外部至与所述Tm的差距在摄氏10度之内的温度。
24.一种用于自熔体表面使结晶薄板水平带成长的装置，包括：
第一冷块组成，可操作以提供第一冷却区域，以在所述熔体表面产生局部冷却，其中所述第一冷却区域具有第一宽度；
第二冷块组成，可操作以提供可变的冷却区域，以在所述熔体表面产生局部冷却，其中所述第二冷块组成可操作以改变所述可变的冷却区域的宽度，并且从所述第一宽度改变至大于所述第一宽度的第二宽度；
第三冷块组成，可操作以提供第三冷却区域，以在所述熔体表面产生局部冷却，其中所述第三冷却区域具有所述第二宽度；以及
晶拉器，经配置以在与所述第一方向垂直的方向上拉动晶种。
25.根据权利要求24所述的用于自熔体表面使结晶薄板水平带成长的装置，包括围绕所述第一冷块组成、所述第二冷块组成以及所述第三冷块组成的遮蔽，所述遮蔽处在比所述第一冷块组成的温度、所述第二冷块组成的温度以及所述第三冷块组成的温度高的提升温度，所述遮蔽定义出分别沿着所述第一分别冷块组成、所述第二冷块组成以及所述第三冷块组成配置的开口，所述开口分别定义出第一冷却区域、所述可变的冷却区域以及所述第三冷却区域。
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