CN104854041B - 用于抑制坩埚中的熔体流动的堰体 - Google Patents

Abstract

一种用于生长晶锭的系统，包括坩埚和堰体。坩埚具有用于在其中容纳硅熔体的基部和侧壁。堰体定位成沿着坩埚的基部从坩埚的侧壁向内。堰体具有与至少一对支柱相连接的主体，支柱被布置成抑制硅熔体在支柱之间的运动。

Description

用于抑制坩埚中的熔体流动的堰体

技术领域

本申请要求2012年12月18日提交的美国临时申请No.61/738,718的优先权，其公开内容全部通过引用结合在本文中。

本发明大体上涉及用于生产半导体或太阳能材料的晶锭的系统和方法，更特别地涉及用于通过限制或抑制硅熔体中的运动来减少晶锭中的位错的系统和方法。

背景技术

在通过提拉(CZ)法生长的单晶硅的生产中，多晶硅首先在拉晶装置的诸如石英坩埚的坩埚中熔化，以形成硅熔体。拉具然后将晶种下降到熔体中，并且缓慢地将晶种从熔体提出。为了使用该方法生产高质量单晶，与晶锭直接相邻的熔体的表面的温度和稳定性必须被维持成大体恒定。用于实现该目标的已有系统没有完全令人满意。因此，需要更有效率和有效果的系统和方法来限制与晶锭直接相邻的熔体中的温度波动和表面扰动。

该背景技术章节意在向读者介绍可能与本发明的各方面相关的技术的各方面，这些方面在下文被描述和/或要求。相信该讨论有助于为读者提供背景信息，以帮助更好地理解本发明的各方面。因此，应当理解的是，这些叙述应当从这个角度阅读，而不是作为对已有技术的认可。

发明内容

第一方面是一种用于从硅熔体生长晶锭的系统。系统包括坩埚和堰体。坩埚具有用于其中容纳硅熔体的基部和侧壁。堰体沿着坩埚的基部被定位在从侧壁向内的位置。堰体具有主体和至少一对支柱，用于抑制硅熔体在支柱之间的运动。在一些实施例中，主体与至少一个支柱形成为整体单元。

另一方面是一种用于生长晶锭的方法。方法包括提供具有堰体的坩埚，该堰体具有内支柱和外支柱，内支柱和外支柱之间形成空间，将原料材料在堰体外的位置放入坩埚；熔化原料材料以形成熔体，该熔体能够流到堰体内的位置；和使熔体冷却以形成晶锭。

存在对关于上述方面提出的特征的各种改善。其它特征同样也可以被结合在上述方面中。这些改善和附加的特征可以单独地或任意组合地存在。例如，正面关于所图示的实施例中任一种讨论的各特征可以单独地或任意组合地结合在上述方面的任一项中。

附图说明

图1是根据一个实施例的晶体生长系统的侧面剖视图；

图2是在图1的晶体生长系统中使用的堰体的局部剖视图；

图3是根据另一实施例的晶体生长系统的局部剖视图；

图4是在图3的晶体生长系统中使用的堰体的俯视立体图；

图5是图4的堰体的仰视立体图；

图6是图4-5的堰体的局部剖视图；

图7是图4-6的俯视图；

图8是图3的晶体生长系统的局部剖视图，图示出熔体的温度场和流线；

图9是根据另一实施例的晶体生长系统的局部剖视图；

图10是在图9的晶体生长系统中使用的堰体的俯视立体图；

图11是图10的堰体的俯视图；

图12是图10-11的堰体的剖视图；

图13是图10-12的堰体的侧视图；

图14是根据另一实施例的晶体生长系统的局部剖视图；和

图15是根据再另一实施例的晶体生长系统的局部剖视图。

在全部附图的多个视图中，对应的附图标记表示对应的部件。

具体实施方式

参考图1，晶体生长系统被示意性地示出并大体上表示为100。晶体生长系统100用于通过提拉法生产大晶体或晶锭。晶体生长系统100包括坩埚110，坩埚110含有硅熔体112，拉具134正从坩埚110中将晶锭114从熔体中拉出。

在拉晶过程期间，晶种132被拉具或拉具系统134下降到熔体112中，然后缓慢地从硅熔体上升。随着晶种132缓慢地从熔体112上升，来自熔体的硅原子使其自身与晶种对齐并且附着至晶种，以形成晶锭114。

坩埚110具有侧壁136和基部138。侧壁136围绕基部138的周边延伸，以形成腔。可以通过进料管120将固体原料材料116从进料器118放入坩埚110的腔中。

原料材料116的具有比周围熔体112较低的温度，并且随着原料材料的温度上升和随着原料材料自身熔化而从熔体吸收热量。随着原料材料116(有时被称作“冷原料”)从熔体112吸收能量，周围熔体的温度相称地下降。

如在本文中所讨论的，关于生产单晶锭的提拉法来描述系统。然而，在本文中公开的系统还可以用于例如通过定向凝固工艺生产多晶锭。

添加的原料材料116的量由进料器118控制，进料器118响应于来自控制器122的致动信号而作用。熔体112冷却的量由控制器122精确确定和控制。控制器122或添加或不添加原料材料116，以调节熔体112的温度和质量。可以基于坩埚中的硅的质量添加原料材料116，例如通过测量熔体的重量或测量熔体的液面高度。随着原料材料116被添加到熔体112中，熔体的表面可能被扰动。该扰动还影响熔体112的硅原子与晶种132的硅原子适当地对齐的能力。

通过围绕坩埚定位在适当位置处的加热器124、126、128向坩埚110提供热量。来自加热器124、126、128的热量首先熔化固体原料材料116，然后使熔体112维持在液化状态。加热器124大体上是圆柱形的形状，并且向坩埚110的侧面提供热量，加热器126和128向坩埚的底部提供热量。在一些实施例中，加热器126和128大体上是环形的形状。

加热器124、126和128是联接至控制器122的电阻式加热器，控制器122可控制地向加热器施加电流以改变其温度。诸如高温计等温度传感器的传感器130在生长的单晶锭114的晶体/熔体表面处提供对熔体112的温度的连续测量。传感器130还可以用于测量生长的晶锭的温度。传感器130在通信上与控制器122连接。可以使用额外的温度传感器来关于对于生长晶锭关键的点测量和向控制器提供温度反馈。虽然为了清晰而示出了单个通信导线，但是一个或多个温度传感器可以通过多根导线或无线连接(例如通过红外线数据链路或另一适当的装置)连接至控制器。

可以分别且独立地选择由控制器122供应至各加热器124、126和128的电流量，以优化熔体112的热特性。在一些实施例中，可以围绕坩埚布置一个或多个加热器来提供热量。

如上所述，晶种132被附着至位于熔体112上方的拉具134的一部分。拉具134沿着垂直于熔体112的表面的方向提供晶种132的运动，允许晶种朝着熔体被下降或下降到熔体中以及从熔体上升或升出熔体。为了生产高质量的晶锭114，与晶种132/晶锭114相邻的区域中的熔体112必须维持在大体上恒定的温度，并且表面扰动必须最小化。

为了限制与晶种132/晶锭114直接相邻的区域中的表面扰动和温度波动，挡板或堰体150被放置在坩埚110的腔中，以将熔体112分成内熔体部分和外熔体部分。

另外参考图2，堰体150具有主体152、外支柱154和内支柱156。外支柱154和内支柱156从向上延伸的主体152向下延伸，并且抵靠坩埚110的基部138的顶面。外支柱154和内支柱156被形成中间熔体部分的空间隔开。外熔体部分介于坩埚110的侧壁136和堰体150之间。中间部分介于堰体150的外支柱154和内支柱156之间。内熔体部分从堰体150向内，并且与晶种132/晶锭114相邻。

外支柱154和内支柱156限制熔体112在熔体部分之间的运动。可以分别通过位于外支柱154和内支柱156各自的下部中的通道158、160允许熔体112在熔体部分之间的运动。

熔体112的运动大体上受限制于通道158、160的位置。沿着外支柱154和内支柱156的下部设置通道158、160将熔体112的运动约束成沿着坩埚110的基部138。熔体112到内熔体部分中的任何运动都在与熔体顶部相对的位置，晶锭114在该顶部处被拉出。对熔体运动的约束限制了沿着熔体112的内熔体部分的顶部的表面扰动和温度波动。

通道158、160允许熔体112在外熔体部分和中间熔体部分和内熔体部分之间受控制地运动。抑制或限制熔体部分之间的熔体运动允许随着硅材料进入或通过中间熔体部分，将外熔体部分中的硅材料加热至约等于内熔体部分的温度的温度。

通道可以被对齐成允许熔体通过中间熔体部分受控制地从外熔体部分流动到内熔体部分中。在一些实施例中，通过外支柱的通道可以不与内支柱的通道对齐，以进一步限制通过中间部分从外熔体部分流动到内熔体部分中。

参考图3-8，示出根据另一实施例的晶体生长系统200。坩埚210具有侧壁236，侧壁236围绕凹形的基部238的周边延伸，以形成腔。

从加热器226和228向坩埚210提供热量，以首先熔化坩埚210中的材料，然后使熔体212维持在液化状态。加热器226和228大体上是环形的形状，并且被布置在坩埚210的基部238周围。加热器226和228可以是电阻式加热器。

如上所述，晶种被下降到熔体212中，然后缓慢地从熔体上升。为了限制与晶锭214直接相邻的区域中的表面扰动和温度波动，堰体250被放置在坩埚210中，以将熔体212分成内熔体部分和外熔体部分。

堰体250具有主体252、外支柱254和内支柱256。外支柱254和内支柱256都从向上延伸的主体252向下延伸，并且止靠坩埚210的内表面。外支柱254和内支柱256被在堰体250的外支柱254和内支柱256之间形成中间熔体部分的空间隔开。内熔体部分从堰体250向内，与晶锭214相邻。

熔体212在各熔体部分之间的运动被外支柱254和内支柱256限制在熔体的底部，沿着坩埚210的基部238，正好在晶锭214对面。熔体运动的该约束限制了沿着与被拉出的晶锭214相邻的熔体212的内熔体部分的顶部的表面扰动和温度波动。将熔体运动抑制成沿着与加热器226、228相邻的基部238允许随着硅材料经过中间熔体部分，将来自外熔体部分的硅材料加热至约等于内熔体部分的温度的温度。

特别地参考图8，示出了晶体生长系统200在工作期间的流线和温度场。外熔体部分比中间熔体部分或内熔体部分冷。在晶体生长系统的工作期间，额外的材料被添加至外熔体部分，降低外熔体部分的温度。如上所述，额外的材料比熔体冷，因此当被添加到熔体中时，从周围熔体吸收热量。迫使较冷的熔体材料沿着与加热器相邻的坩埚的表面运动，允许在较冷的材料进入内熔体部分之前将热量传递到较冷的材料中。

参考9-13，示出根据另一实施例的晶体生长系统300。熔体312被包含在坩埚310中，坩埚310具有围绕凹形的基部338的侧壁336。为了限制坩埚310的中心区域中的熔体312的表面扰动和温度波动，堰体350和分隔器360被放置在坩埚310中，以将熔体312分隔成内熔体部分、中间熔体部分和外熔体部分。内熔体部分形成从堰体350和分隔器360向内的中心区域。

堰体350是具有打开的顶部和底部的圆柱形主体。堰体350的底部352被定位成与坩埚310的内表面相邻。分隔器360外周长的直径比堰体350的内周长的直径短。分隔器360可以具有沿着下边缘延伸的径向通道364。熔体312的运动被允许成通过径向通道364。

外熔体部分介于坩埚310的侧壁336和堰体350之间。中间部分介于堰体350和分隔器360之间。内熔体部分从分隔器360向内。

熔体312在各熔体部分之间的运动被限制成沿着坩埚310的内表面。抑制熔体在各熔体部分之间的运动允许随着硅材料经过中间熔体部分，将外熔体部分中的硅材料加热至约等于内熔体部分的温度的温度。

分隔器360中的通道364可以与堰体350中的通道对齐，以允许熔体受控制地从外熔体部分流过中间熔体部分并流入内熔体部分中。在一些实施例中，通过主体的通道可以不与分隔器的通道对齐，以限制从外熔体部分流经中间部分和流入内熔体部分中。

在另一实施例中，分隔器360可以具有大于堰体350的高度的高度。在再另一实施例中，分隔器360可以包括大体上平行于堰体350延伸的顶部部分。

参考图14，根据另一实施例示出晶体生长系统400。晶体生长系统400包括堰体450。堰体450具有主体452、外支柱454、内支柱456和上支柱470。支柱454、456和470从主体452延伸出，以抵靠坩埚的内表面。各支柱454、456和470被限定了熔体部分的空间隔开。注意在本发明的范围内包含其它数量的支柱。

熔体在各熔体部分之间的运动被支柱454、456和470限制在熔体的底部，沿着坩埚的基部。熔体运动的该约束限制了沿着与被拉出的晶锭相邻的熔体的内熔体部分的顶部的表面扰动和温度波动。将熔体运动抑制成沿着与加热器相邻的基部允许随着硅材料经过中间熔体部分，将来自外熔体部分的硅材料加热至约等于内熔体部分的温度的温度。

参考图15，示出根据另一实施例的晶体生长系统500。晶体生长系统500包括堰体550。堰体550具有主体552、外支柱554、内支柱556、上支柱570和第四支柱572。支柱554、556、570和572从主体552延伸出，以抵靠坩埚的内表面。各支柱554、556、570和572被限定了熔体部分的空间隔开。

熔体在各熔体部分之间的运动被支柱554、556、570和572限制在熔体的底部，沿着坩埚的基部。熔体运动的该约束限制了沿着与被拉出的晶锭相邻的熔体的内熔体部分的顶部的表面扰动和温度波动。将熔体运动抑制成沿着与加热器相邻的基部允许随着硅材料经过中间熔体部分，将来自外熔体部分的硅材料加热至约等于内熔体部分的温度的温度。

在一种用于生长单晶锭的实施例的方法中，堰体和原料材料被放置在坩埚中。加热器被放置成与坩埚相邻，以提供热量来液化或熔化原料材料，形成熔体。晶种被下降到熔体中，然后缓慢地从熔体上升，以从晶种生长晶锭。随着晶种缓慢地上升，来自熔体的硅原子与晶种的硅原子对齐并附着至晶种的硅原子，允许晶锭生长得越来越大。

原料材料可以被放置在堰体外部的区域。随着堰体外部的原料材料熔化，熔体被允许从外熔体部分运动至中间熔体部分，然后进入内熔体部分中。熔体在各熔体部分之间的运动被限制成通过堰体的外支柱和内支柱的通道。

在其它实施例中，堰体不包括支柱之间的通道。在这些实施例中，熔体从外部区域到内部区域的运动被限制成堰体下面的运动。

将熔体在熔体部分之间的运动抑制成沿着基部的运动允许熔体的温度随着熔体从外熔体部分流向中间熔体部分然后流入内熔体部分中而增加。当熔体到达内熔体部分时，熔体在温度上大体上与已经在内熔体部分中的熔体相同。在到达内熔体部分之前升高熔体的温度降低了内熔体部分中的温度场值。控制器可以作用成维持内熔体部分中大体上恒定的温度。

另外，将熔体在熔体部分之间的运动抑制成沿着基部的运动允许内熔体部分的表面保持相对无扰动。堰体大体上防止外部区域中的扰动通过大体上包含由外熔体部分中的扰动产生的能量波来扰乱内熔体部分的表面。扰动也通过通道的位置被抑制。通道仅沿着各支柱的底部，这允许熔体运动到内熔体部分中，而不扰乱内熔体部分的表面稳定性。

在一些实施例中，可以通过传感器在与生长的晶锭紧邻的位置处适当地测量内熔体部分的温度。传感器与控制器相连接。控制器通过向加热器供应或大或小的电流和通过向熔体供应或多或少的原料材料来调节熔体的温度。控制器还能够在晶种从熔体上升和生长晶锭的同时供应原料材料。

当前公开的系统提供了一种内熔体部分，与先前两种包括垂直延伸的管状堰体的堰体系统相比，该内熔体部分具有更大的表面积。因此，当前公开的系统在晶锭附近提供了高熔体-气体表面积，而在熔体的表面下方维持多个熔体区。内熔体部分的增加的熔体-气体表面积的一个优点在于，其减少了晶锭中的氧气量。本系统的其它优点包括拉出率、坝体/坩埚烧蚀率、加热器功率和能量需求方面的改进。

当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意在意味着存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意在是包含性的，并且意味着可能存在除了所列出的元件之外的额外的元件。使用表示特殊定向的术语(例如“顶部”、“底部”、“侧面”等)是为了便于描述，而不需要所述项目的任何特殊定向。

由于在不背离本发明的范围的情况下，可以对上述结构和方法进行各种改变，因此上文描述中所包含的和附图中所示出的所有事物将意在被解释成示意性的，而不是约束的意义。

Claims (16)

1.一种用于从硅熔体生长晶锭的系统，该系统包括：

具有基部和侧壁的坩埚，所述坩埚用于将硅熔体容纳在其中，所述基部具有顶面；和

堰体，所述堰体在从所述侧壁向内的位置处沿着所述坩埚的基部被定位，所述堰体具有与至少一对支柱相连接的主体，所述支柱被布置成抑制硅熔体在支柱之间的运动，其中各支柱从所述主体向下延伸并且抵靠所述基部的顶面以限制硅熔体的运动，其中各支柱在其中限定了通道，用于使硅熔体受控制地从其中运动通过。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述主体与至少一个支柱形成为整体单元。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，各支柱与所述坩埚的基部相邻，以将硅熔体的运动限制在各支柱和所述坩埚的基部之间，所述通道被限定为穿过各支柱的下部。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支柱包括内支柱和外支柱。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述内支柱和所述外支柱将硅熔体分成外熔体部分、中间熔体部分和内熔体部分，所述外熔体部分定位在所述坩埚的侧壁和所述外支柱之间，所述中间熔体部分定位在所述外支柱和所述内支柱之间，所述内熔体部分定位成从所述内支柱向内。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，各通道定位成沿着各支柱的下部。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述支柱中的一个支柱的通道不与所述支柱中的另一支柱的通道对齐。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括进料管和计算装置，所述进料管布置成与所述坩埚相邻，以向所述坩埚供应原料材料，所述计算装置用于控制通过所述进料管的原料材料的进料速率。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将晶种下降到硅熔体中和将晶种从硅熔体提出的拉具系统。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括加热器和控制器，所述加热器布置成用于向所述坩埚提供热量，以维持其中的硅熔体，所述控制器用于调节由所述加热器向所述坩埚提供的热量。

11.一种用于生长晶锭的方法，该方法包括：

提供具有堰体的坩埚，所述堰体具有在其间形成空间的内支柱和外支柱，所述内支柱和外支柱各自抵靠所述坩埚的基部的顶面以限制硅熔体的运动，其中各支柱在其中限定了通道，用于使硅熔体受控制地从其中运动通过；

将原料材料在所述堰体外的位置放入所述坩埚；

熔化原料材料以形成能够流到所述堰体内的位置的熔体；和

使熔体冷却以形成晶锭。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述堰体包括主体，所述主体从所述内支柱和所述外支柱向上延伸，以使所述坩埚的外部区域与所述坩埚的内部区域分开。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述堰体包括从所述内支柱和所述外支柱之一向上延伸的主体。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括在与形成的晶锭紧邻的位置处测量熔体的温度。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，晶锭的形成与将原料材料放入所述坩埚中同时进行。

16.根据权利要求11所述的方法，还包括靠近所述坩埚放置加热器，用于熔化所述坩埚中的原料材料。