CN106165110A - 使用致冷块与气体流的结晶片成长的系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
一种用以使熔体成长为结晶片的结晶器，其可包括致冷面面对于熔体的暴露面的致冷块，致冷块被设置以用于在致冷面产生致冷块温度，且致冷块温度低于在熔体的暴露面的熔体温度。所述系统还可包括配置于致冷块内且被配置以用于传送气体喷射至暴露面的喷嘴，其中气体喷射以及致冷块交互操作以产生处理区，所述处理区以第一散热速率移除来自于暴露面的热。第一散热速率大于处理区之外的外部区域中的暴露面的第二散热速率。
Description
为联邦政府资助的研究或发展的声明
美国政府拥有本发明缴足执照，并在有限的情况下，要求专利权人通过合同号DE-EE0000595由能源美国能源部授予条款规定合理的条件许可他人的权利。
技术领域
本发明涉及一种结晶材料自熔体的成长，尤其涉及一种使用致冷块与气体喷射冷却熔体的系统及方法。
背景技术
硅晶圆或片材可被使用于例如集成电路或太阳能电池产业。随着对再生性能源的需求增加，对太阳能电池的需求也持续增加。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片材。减少晶圆或片材的成本，则可减少太阳能电池的成本，而使此再生性能源技术更为普遍。经研究，降低用于太阳能电池的材料的成本的方法之一为自熔体垂直拉动薄硅带(thin silicon ribbon)，并使其冷却以及固化后成为结晶片。然而，在硅片的垂直拉动的过程中，温度梯度的发展可能导致品质低劣的多晶硅。片材沿熔体的表面水平拉动的水平带生长(Horizontal ribbon growth，HRG)也已被投入研究。先前技术试图采用气体以”淋喷头(showerhead)”的方式提供冷却，以达到拉动带所需的连续表面成长。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，即未达到“值得制造(production worthy)”的目标。硅熔体的辐射冷却已被提出作为形成结晶片的另一种方法。然而，因为辐射冷却并无法有效地提供快速热移除，而有无法适当结晶硅板的问题。
基于这些以及其他的考量，如本发明的改进是必要的。
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权利要求书的标的的关键技术特征或必要技术特征，也非用以帮助判断权利要求书的标的的范畴。
在一实施例中，用以使熔体成长为结晶片的结晶器可包括致冷块。致冷块具有面对于熔体的暴露面的致冷面。致冷块被设置以用于在致冷面形成致冷块温度，致冷块温度低于在熔体的该暴露面的熔体温度。本系统可也包含配置于致冷块内的喷嘴。喷嘴被配置以用于传送气体喷射至暴露面，其中气体喷射以及致冷块交互操作以产生处理区。处理区以第一散热速率移除来自于暴露面的热。第一散热速率大于来自于处理区外的外部区域中的第二散热速率。
在另一个实施例中，使熔体成长为结晶片的方法包括：排列致冷块于熔体的暴露面上，在致冷块面对于熔体的致冷面产生致冷温度，致冷温度低于在熔体的暴露面的熔体温度。此方法还包括通过配置于致冷块中的喷嘴传送气体喷射至暴露面，其中气体喷射以及致冷块彼此交互操作以形成处理区，处理区以第一散热速率移除来自于暴露面的热。第一散热速率大于来自于处理区的外部区域中的暴露面的第二散热速率。
附图说明
图1A为根据本发明的实施例示出系统的侧面剖视图。
图1B为示出图1A的系统的一部分的底面示意图。
图1C为图1A的系统的一部分的侧面剖视图的特写。
图1D为图1A的系统的一部分的顶面剖视图的特写。
图2A为示出在结晶片成长期间，图1A的系统的操作实例的侧面剖视图。
图2B为示出图2A中操作实例的侧面剖视图的特写。
图3A为根据本发明的其它实施例示出另一系统的侧面剖视图。
图3B为示出在结晶片成长期间，图3A的系统的操作实例的侧面剖视图。
图4A为图3A的系统的一部分的模型化流场以及温度曲线的二维复合侧视图。
图4B为示出图4A的系统的四种不同架构的散热速率曲线。
图5A为示出当紧邻熔体表面的致冷块维持在低温时，范例二维模拟温度以及流量图的二维复合侧视图。
图5B为示出当紧邻熔体表面的致冷块维持在高温时，范例二维模拟温度以及流量图的二维复合侧视图。
图5C为示出当致冷块保持在两个不同温度的对流散热速率曲线。
图6A为示出当气体直接朝向熔体而没有气体的内部排气时，气流的图案的俯视平面图。
图6B为示出当气体直接朝向熔体而有内部排气时，气流的图案的俯视平面图。
图7为内部排气的百分比的函数示出范例散热曲线。
图8A为示出与本发明的实施例一致的喷嘴的透视图。
图8B为示出图8A的喷嘴的俯视图。
图8C至图8D为示出图8A的喷嘴的两种不同操作实例。
图9为示出当沿喷嘴开孔提供气体喷射的数量为不同时，自熔体表面的散热速率曲线的模拟结果。
具体实施方式
本实施例提供系统以及装置使用水平成长以成长半导体材料(例如使硅形成熔体)的连续结晶片。特别是，于此揭露的系统被设置以用于初始化以及维持在熔体的表面连续的结晶片或硅带的成长，使形成单晶(monocrystalline)、宽的、均匀薄度的片材以及自熔体快速拉动，例如大于每秒1毫米。在各种实施方式，液体冷却结晶器被设置以用于在受控且统一的方式用以冷却熔体的表面，以形成强力散热的窄的带或区的处理区。在各种实施方式，自硅熔体表面散热的锋值速率超过100瓦/每平方厘米(W/cm2)，且在一些实例为大于500W/cm2。如下讨论，因在熔体表面的硅的结晶成长的性质，这种高散热速率特别有利用以生长高品质单晶硅带。
图1A为示出与本发明实施例一致的用以自熔体水平成长结晶片的系统100的侧视图。系统100包括结晶器102以及坩锅126，为清楚起见，只示出坩锅126的下部。再者，在此图以及其他遵循此图的各种组件并不表示用来规定关于彼此或关于不同方向。坩锅126可包含熔体112，例如硅熔体。结晶器102或坩锅126或两者皆可沿示出的正交坐标系统的Y轴的平行方向移动，使安置结晶器102在自熔体112的上表面一期望的距离，此被标记为暴露面114。暴露面114代表在系统100中相邻大气环境的表面，且相对于熔体112相邻坩锅126的固体表面的表面。系统100还包括一个或多个加热器，例如加热器122，其可提供热至坩锅126从而至熔体112。加热器122可分别被供电以在沿X-Z平面不同点提供相似量的热或不同量的热。热可以被引导沿图1A中的Y轴向上的热流的至少一分量流过熔体112。
详述如下，热流自加热器122产生，且热流速率自暴露面114产生，热流速率在此被称为”散热速率”，可被设定在发生结晶化的特定区域外的暴露面114保持熔融表面。特别是，详述如下，结晶化可发生在区域或紧临结晶器102的处理区(未示于图1A)。在本实施例中，结晶器102可在处理区中产生散热速率，其足够快速以在邻近于暴露面114的区域或在暴露面114形成结晶材料。详述如下，散热被控制只局部地发生在暴露面114的一部分，结果形成期望的厚度与低的缺陷等级的单晶硅。可理解的是，“散热”是指帮助热自暴露面114流动的制程。即使没有例如结晶器102的组件用以帮助“散热”，热可自暴露面114向上流动。然而，结晶器102可能导致在暴露面114的部分的散热相较于暴露面114的其他部分中的热流大的多，以使结晶在相邻于结晶器102处局部地形成。
系统100还可包含拉晶机(未示出)，其被配置以用于沿平行Z轴的拉动方向120拉动晶种116，从而朝如所示的右边拉动结晶硅的连续板材。通过控制紧邻结晶器102的散热速率(其中热由加热器122形成)，以及沿拉动方向120的拉速，则可获得期望的厚度与品质的结晶片。特别是，提供有致冷块106的结晶器102以控制片材的结晶化，致冷块106被配置以用于在致冷面产生致冷块温度，致冷块温度低于熔体112在面对于致冷面的暴露面114的部分的熔体温度。如下所述，结晶器102还包含配置在致冷块106中的喷嘴104，喷嘴104被设置以用以传送气体喷射至暴露面114。气体喷射与致冷块彼此交互操作以产生以第一散热速率移除来自暴露面114的热的处理区，第一散热速率大于自处理区外的外部区域中的暴露面114的第二散热速率。通过喷嘴与致冷块的适当安排与操作，则可在非常窄的区域创造一个定义良好且均匀的处理区，其有助于低缺陷的单晶硅片的成长。
在图1A的实施例中，结晶器102包含喷嘴104，喷嘴104被设置以用于提供气体喷射至暴露面114，其中“气体喷射”是指气体以快速的速率流动通过窄的开口，如下文所述。气体喷射可通过气体控制系统150提供，气体控制系统150导引气体以预定的速率进入喷嘴104。在各种实施例中，喷嘴104由在高温环境中耐降解(degradation)的材料所组成，特别是包含熔融硅的环境。举例而言，喷嘴可例如由熔融硅(石英玻璃，fused quartz)所组成，其耐于硅的化学腐蚀攻击且在硅的熔体温度(约1685绝对温度(K))为热稳定的。提供至暴露面114的气体可用以增加在自紧邻结晶器102的处理区域中的暴露面114的散热速率。在一些实施例中，通过喷嘴104提供的气体可以是氦或其他惰性气体，或可以是氢。实施方式并不限于此上下文中所述。
如图1A中所示设置在致冷块106内的喷嘴104可通过被导引入致冷块106中的腔体(未示出)内的流动的流体，例如水或乙二醇(ethylene glycol)，冷却。因此，致冷块106可被保持在比熔体112较低的温度。举例而言，若熔体112为纯硅，暴露面114的温度可保持1685K多度中以保持暴露面114在熔融态。在此同时，当冷却水被提供于致冷块106，致冷块可被保持在300K至400K的范围内的温度。在一实施例中，致冷块106可由镍制成，其具有适于操作在很靠近高温熔体的致冷块的高的热导率以及高熔点。正如，喷嘴104以及致冷块106可交互操作以形成窄的处理区###，处理区的散热速率为足够强以在暴露面114或附近产生期望的结晶化当处理区的外部区域保持熔融。还如图1A所示，结晶器102包含机壳108，机壳108可被保持在机壳温度，机壳温度高于致冷块106的温度。机壳108可包含多个用于隔离以及加热的组件以使机壳108保持在高温。举例而言，机壳108可被保持在暴露面114的温度的50K的范围内。机壳108定义开口，其中致冷块106的致冷面配置相对于暴露面114。换句话说，由机壳108所定义的开口内的致冷块106的致冷面为面对于熔体112的暴露面114。如下关于图1B的讨论，此开口的区块包含致冷块104的底面。如此，对于暴露面114紧邻机壳108的区域的散热速率可少于紧邻致冷块106的处理区的散热速率。值得注意的是，为了图式的简化，此图以及其他未示出结晶器102的顶部。
在各种实施例中，喷嘴104以及致冷块106可具有在X-Z平面的细长的横截面。图1B根据各种实施方式示出结晶器102的底部，其中喷嘴104以及致冷块106在平行X轴的方向为细长的。此方向可称为横向方向，其指示结晶片以横向拉动方向被拉动，如下述。也如图1B中所示，在喷嘴104中提供的开孔110在X-Z平面也具有沿横向方向延伸的长轴的细长的横截面。开孔110可为一个窄的开口，且气体喷射通过开孔110至暴露面114。如图1A示，开孔110延伸通过喷嘴104的总高度，以引导气体自喷嘴104的顶部只到达暴露面114上的区域。在如下讨论的一些实施例中，多个小进气口可以平行X轴的线性方式被排列在开孔110的顶部，以提供气体喷射至暴露面114。如下讨论，喷嘴104、开孔110以及致冷块106沿X轴的尺寸以及进气口使用的量可由此定义结晶片在图1A所示的沿拉动方向120拉的宽度。
图1C以及图1D分别示出结晶器102的一部分的侧视图以及俯视图。特别是，图1C以及图1D描述致冷块106以及喷嘴104为最接近熔体112的暴露面114的一部分。为了清楚表示，未出示机壳108。
在各种实施例中，排列致冷块、喷嘴以及熔体的暴露面的几何关系以有助于产生自表面快速散热的窄的处理区。特别的实施方式是，喷嘴以第一距离配置于暴露面上，且致冷面以第二距离配置在暴露面上，第二距离大于第一距离。换句话说，喷嘴延伸于相邻致冷块的下方，且由此位于较靠近熔体的表面。
在图1C的例子中，致冷块106以及喷嘴104可被配置位于自暴露面114上的一期望高度，以产生期望的结晶化过程。高度定义为第一高度h1，其代表沿垂直于暴露面114的距离以将暴露面114自致冷块106的底面132分隔。底面132为面对于熔体112的暴露面114的致冷面，其用以作为自暴露面114流动的热的热沉(sink)。须注意，被机壳108包围的致冷块106的其他表面未示出在图1C中。高度可也定义为第二高度h2，其代表将暴露面114自喷嘴104的底面分离的距离。如图1C中所示，在此实施例以及其他实施例中，喷嘴可被延伸到底面132下方，使得第二高度h2小于第一高度h1。在各种实施例中，第一高度h1可介于0.25毫米(mm)与5mm之间，且距离(第二高度)h2可介于0.1毫米与3毫米之间，但实施方式不限于此上下文。调整第二高度h2或第一高度h1的值的一个实施方式是用来执行致动器118连接至结晶器102，如图1A中所示。
在一些实施例中，开孔110沿Z轴的开孔长度d2可由0.05毫米至0.5毫米。在实施例中，其中喷嘴104由石英玻璃所制作，喷嘴104可由两个部分构成，喷嘴部104a以及喷嘴部104b。在一些实施例中，当喷嘴104被组合以及排列在系统100中，这两部分可被组合从而定义运行垂直于暴露面114的接口134。或者，当喷嘴104被组合以及排列在系统100中，这两部分可被组合从而定义运行在相对垂直于暴露面114的一个非零角度的接口134。接口134可定义出开孔110，开孔110的开孔长度d2可通过形成在各喷嘴部104a以及喷嘴部104b内的凹槽，以及喷嘴部104a以及喷嘴部104b的凹槽彼此相对放置在一起而创造。此可导致具有准确的大小尺寸的开孔110，即当在系统100中操作时，不会使上述的容许公差值不同。石英玻璃为对此目的特别有用，因为石英玻璃可以被精确地加工以及具有低的热膨胀系数，由此保证开孔110的尺寸即使在大范围下不同的温度的环境下被保持。此外，熔融硅(石英玻璃，fused quartz)并不与熔融硅润湿，由此保证硅在开孔110内不会有喷嘴104被引入与熔体112意外接触的芯吸的情况。
还如图1C以及图1D中所示，底面132可坐落在平行X-Z平面，且平行暴露面114。在各种实施例中，底面132为沿平行X轴的横向方向延长。底面132沿X轴的宽度w1可定义以垂直于横向方向的方向拉结晶片的最终宽度。后一种的方向于此可被称作“拉动方向”，因为其与结晶片被拉的方向一致。如下详述，当底面132以及喷嘴104分别以第一距离以及第二距离被排列在暴露面114上，底面132可也自喷嘴104沿平行暴露面114的第二方向的第三距离延伸，使得第三距离大于第一距离。换句话说，如在图1D中所示，底面132可自喷嘴104沿平行Z轴的方向往外延伸距离d1，那就是沿拉动方向，而结晶器102位在暴露面114上使得距离d1大于第一高度h1。在一些实施例中，距离d1为3mm且第一高度h1小于3mm。这种特殊的几何可如下讨论的有助于更快速地散热。
图1D中具体示出自被定位重合于致冷块106的底面132的平面P的示意。对应示出的致冷块106的区块为底面132的区块，其可被配置位于暴露面114上的几毫米或更少。当致冷块106通过例如为水的冷却液冷却，致冷块106可具有小于485K的致冷块温度，1200K或远低于暴露面114的熔体温度，其在一些实施例例如用以处理温度为1685K的硅熔体。因为致冷块106的存在，再加上通过喷嘴104提供的气体喷射，自暴露面114的流过来的热的散热可被集中在窄带中，且在其中产生激烈的散热。在一些实例中，散热速率大于100瓦/平方厘米(W/cm2)为强烈散热的特点，且特别是超过1000W/cm2或更大的实施例。再者，此散热速率可远远超过在暴露面114往外的热流，其可在10W/cm2的数量级上，例如在一些例子中5至50W/cm2。
强烈散热的区域如图1D中的处理区130所示。处理区130中的暴露面114的散热速率可超过外部区域131的暴露面114的散热速率，其中外部区域131是坐落在处理区130的外部。根据各种实施例中，气体可以足够的流速被指向通过开孔110，使得散热速率在开孔之下达到高峰。再者，如下讨论，散热速率的特征可在于沿拉动方向120的窄峰，使得半高宽(full width at half maximum，FWHM)是在少于两毫米的范围内，且在一些例子中少于0.5mm。这可能导致散热速率的最大值高达1000W/cm2或更大。当这样的高散热速率传送至这样的窄的处理区，片材的结晶化即使在沿拉动方向120为高拉速仍可在这样的方式下被控制以产生改善的片材结晶品质。
图2A说明一个使用系统100形成结晶片206的例子。在这个例子中，加热器122提供热124，其流通过熔体112且在暴露面114流出熔体112。热124可保持除了被拉晶机(未示出)所拉的结晶片206的熔体112在熔融状态。在一些例子中，自处理区130的外部的熔体表面的热流的速率可在5至50W/cm2的范围。然而，实施方式并不限于此上下文。如图2A中所示，气体喷射202通过开孔110被提供，其可通过气体控制系统150控制(示于图1A)。气体喷射202可被指向沿平行Y轴的方向或在相对于Y轴的非零角，且可以冲击到暴露面114以及离开如排出的气体204。在各种实施例中，气流速率可通过沿X轴每厘米宽的开孔的流速率所特征化。在特别的实施例中，气流可以介于1升/分(时间)-厘米(宽度)(L/(m-cm))至10L/(m-cm)的流速通过开孔110。详述如下，通过控制结晶器102自暴露面114的分离，以及在气体喷射202中的气体流，大量的热可在处理区130中经由对流散热自暴露面114被移除。如上所述有助于整体地增加非常大的散热速率的能力。
请参考图2B，其示出在图2A中描述的操作系统100的一部分的特写图。如在图2B中所示，气体喷射202朝向暴露面114，创造配置介于暴露面114与致冷块106以及喷嘴104之间的气体涡流210。气体涡流210提供自暴露面114用以快速去除热的介质，详细如下。特别是，气体涡流210可通过对流移除自暴露面至致冷块的至少一部分的热。在一些实例中，通过气体涡流210提供的散热为足够形成几百W/cm2至1000W/cm2或更多的峰值散热速率。此对于结晶硅的片材成为低缺陷的单晶片特别有用。现今的发明人具有一个共识，在硅的单晶片成长以其(100)晶面平行生长到XZ平面的前缘的特征在于通过(111)晶面形成相对于Z轴或拉方向120的54度的角度。为了适当的生长此面的前缘，在前缘的一非常窄的区域内可能需要一个非常强烈的散热速率。在一些评估里，散热峰值对于具有(111)晶面且良好成长的前缘可超过100W/cm2，这个值远大于被用来形成硅的结晶片的传统装置实现的散热速率。
再者，为了控制结晶片206的厚度不超过期望的厚度上限，其可能需要集中这样高的散热速率至在结晶片206的前缘一个窄的区域。一些实施例中，系统100可传送小于3mm宽的强烈散热的窄区域或带，其中散热的高峰速率超过一个阀值，例如100W/cm2。关于这一点，应注意的是处理区130沿拉动方向120的尺寸可根据一个方便的度量标准所定义，例如一个区域的宽度，其中散热速率超过阀值，或如将于下述讨论的散热速率中的一个峰的半高宽。不管切确的度量标准被使用以描绘处理区130的宽度的特性，在各种实施例中直接在开孔110下的点A的散热速率可自100W/cm2至1500W/cm2的范围，其中在自点A沿拉动方向120大于3mm的距离的散热速率可少于20W/cm2。
正如，在各种实施例中，气体喷射202可由氦气(He)组成，其为惰性气体且不与系统100的其他组件起反应并提供了高的热导率。然而也可为其他气体，例如氢气。在一些例子中，气体喷射202的气体循环是有用的，例如当氦气(He)被使用于气体喷射202。此可降低整体耗材的费用。还如图2B中所示，气体喷射202可作为排出的气体208以至少部分通过相邻致冷块106而提供的排气通道(未示出)排出。如下所述，除了保存冷却气体，相较于装置中的气体如排出的气体204被引导机壳108之下完全耗尽，此可提供改善气体喷射的均匀性的优点。
现在转向至图3A，其根据本公开的进一步实施例示出部分的系统300的侧视。系统300包含喷嘴104、致冷块106且可包含拉晶机(未示出)，这些的操作已于上讨论。此外，系统300可包含气体控制系统以及加热器，这些操作已描述于上，但为了简化故省略。再者，系统300包含机壳350，其包含多个如下详述的组件。机壳350可包含相邻于致冷块106的内衬306，且内衬306由石墨或涂有碳化硅的石墨制成。在图3A的实施例中，提供至少一内部排气通道304配置于致冷块106与内衬306之间。在一例子中，内部排气通道具有入口，其平行Z轴的长度为1mm。
如所示，提供绝缘材料308围绕内衬306，且提供补偿加热器310相邻于绝缘材料308。补偿加热器310可被使用以调节机壳350的温度，以使机壳350被保持在一个温度，此温度在10K至50K的暴露面114的温度内。最后，可提供外壳312封闭其他组件。
请参考图3B，其示出操作系统300的一个例子。在此例子中，通过气体控制系统提供通过开孔110的气体喷射320。通过加热器(未示出)提供热流328通过熔体112。气体喷射320在致冷块106与熔体112的暴露面114之间形成气体涡流326。气体涡流326可被使用以快速地自暴露面114散热，使峰值散热速率超过100W/cm2。此外，气体喷射320可通过横向排气324沿平行于X-Z平面的方向行进以及通过内排气322而耗尽，其中行进通过如所示的一对通道的内部排气通道304。如下关于图示描述，在各种实施例中，例如在熔体112的暴露面114的表面上的气流的动力可通过控制气体流速控制，自熔体表面分离结晶器，以及气体冲击表面上后耗尽，在其他因素中。此气流的控制可被使用以调节处理区的宽度，处理区的热快速的被移除，且调节峰值散热速率，以及均匀的散热。在图3B中还示出当晶种116沿平行Z轴的拉动方向拉出结晶片330，其前端为静止且位于紧邻气体涡流326。
图4A为系统300的一部分的二维复合侧视图，其示出可在结晶器302内形成的例子的二维模拟温度图以及氦气流图案。所示的结果是基于计算流体动力学(computationalfluid dynamics，CFD)模型。在此模拟机壳350的组件为热的，以使暴露面114与外壳312之间的温度1600K为以上。然而，致冷块106以及喷嘴104为保持在温度少于400K。气体喷射在100米/秒(m/s)的速度被指向通过喷嘴104，且喷嘴104位于距离h2，其等于熔体(未示出)的暴露面114上的1mm。此外，喷嘴沿拉动方向120的开孔长度d2为0.1mm。如所示强烈的气体涡流，如气体涡流402，一方面是形成在暴露面114之间，另一方面是形成在致冷块106与喷嘴104之间。这表示介于暴露面114以及结晶器302之间的热对流的热传的大的速率。此外，排出气体404被指向通过内部排气通道304。在此组条件下，散热速率也被例如沿拉动方向120的位置的函数(参照图3A)模拟，其指示例如参数d。这种模拟的结果被绘制在图4B，其中例如以d对四个不同的h2值的函数描述散热速率(q″)，包含图4A中h2等于1mm的例子。在图4B的例子中，气流速率为对开孔110沿平行X轴方向的各厘米宽度(w1)、每分钟6升，如图1D中所示。如此，对4厘米宽的开孔的气流为每分钟24升(L/m)。
如示于图4B中的结果，散热速率在d等于0毫米具有最大值，其位置为直接在喷嘴104的开孔下。在距离大于2毫米左右，散热速率接近20W/cm2的范围中的背景水平，其对应于处理区外的来自于暴露面114的散热速率。在如图3A中所示的喷嘴104以及致冷块106的对称结构中，散热速率可因应在相对于零的负的距离d中相似的样子而减少。如图4B中所示，在散热速率的顶峰处的值依h2的减少而快速增加。以h2等于2mm为例，在曲线410中所示，当h2等于0.25mm，则峰值为540W/cm2，在曲线416中所示，则峰值为1480W/cm2。当对于h2等于0.5毫米的曲线414存在的峰值为1200W/cm2，对于h2等于1.0mm的曲线412存在的峰值为840W/cm2。此外，假设曲线410、曲线412、曲线414以及曲线416的各曲线代表对称的峰的一半，半高宽在h2等于2毫米处自1.2mm(2倍的0.6毫米)减少为在h2等于0.25mm处至0.3mm(2倍的0.15mm)。另一个关注的可为散热的处理区的尺寸dz，其中散热的速率超过一个确定的值或阀值。举例而言，其可方便的定义处理区为其中散热速率超过100W/cm2的区域。如前所述，为了形成具有适当的(111)晶面的高品质的硅片材，在片材的成长界面的高的散热速率为必需的。使用此散热速率大于100W/cm2的度量标准，dz的值在h2等于2mm处自3mm(2倍的1.5mm)减少为在h2等于0.25mm处为1.2mm(2倍的0.6mm)。如图4A中所示，在h2等于1mm，dz的值为2.5mm(两倍的1.25mm)。因此，调节熔体的表面上喷嘴的高度强烈影响自表面的峰值散热速率以及处理区的尺寸(沿拉动方向或拉动方向120)，处理区代表自表面的散热超过阀值的区域。
气体喷射供应至自身的熔体的表面中可自表面产生大幅度的散热。然而，本实施例通过将致冷块相邻喷嘴设置因此散热速率较单独提供一个气体喷射的散热速率增加。致冷块充当热的有效的散热器是对流从熔体表面清除。致冷块对自熔体表面的对流散热充当有效的热沉(heat sink)。图5A为二维复合侧视图，其中示出示例性的二维模拟温度图以及当致冷块502被保持在熔体的表面504上3mm的距离h1形成的氦气体流动模式。在此模拟中，当表面504温度为在1680K的范围中，致冷块502被保持在300K温度的范围中。在d等于0毫米处通过具有开孔长度d2等于0.2mm的开孔提供的室温的氦气体喷射的流速为30m/s。如所示，产生强烈漩涡506，其如指示通过对d小于0.2mm处的温度的快速减少，有效地自表面504移除热。
图5B为二维复合侧视图，其中示出示例性的二维模拟温度图以及相同于图5A的状态下形成的气体流动模式，不同之处在于致冷块502被保持在1600K的温度范围中。换句话说，图5B的模拟代表一种状态，其中没有致冷块相邻的喷嘴，且由来自于喷嘴的冷气流形成冷却。如所示，形成强烈漩涡508；然而，漩涡温度比图5A的情况保持较高，例如介于1000K以及1400K之间，且自表面504的散热较少。
根据在图5A以及图5B中所示的该组条件，散热速率如也被以沿拉动方向120(参照图3A)的被指示为参数d的位置的函数计算。这种模拟的结果被绘制在图5C，其描述当致冷块502被保持在300K(曲线510)以及在1600K(曲线512)，作为d的函数的对流散热速率。如图5C中所示，对于图5A的致冷块502被保持在300K的情况下的对流散热的峰值为165W/cm2，对于图5B的致冷块502被保持在1600K情况下的对流散热的峰值为86W/cm2。按照上述的例子，若期望散热速率超过100W/cm2，其可看出当致冷块502被保持在1600K时不满足此散热速率。然而，当致冷块502被设定在300K，d等于1.8mm(等于两倍的0.9mm)的处理区被创造。
执行更多的模拟，以确定无论氦气是否被局部地排出至致冷块，对于散热的量都不会有很大的程度的影响，例如在图3中所示的内部排气通道304。此外，虽然在上文公开实施方式可适用于对称结晶器，其中气体喷射被指向相对于熔体的表面垂直入射，在其他实施例中，气体喷射可以非零角度被提供在相对于垂直于熔体的表面。在此情况下，可获得相对于喷嘴的位置不对称的散热的分布。再者，在一些实施例中，各内部排气通道304可独立工作，以使不对称的散热的分布可在一个内部排气通道304产生排出相对于另一个内部排气通道304较大量的气体。
如前所述，不同的实施例提供了具有相邻致冷块的内部排气通道的结晶片。此特征有利于提供自片材沿垂直于拉动方向的方向的结晶前缘更均匀的散热。图6A描述熔体600的表面的俯视图，以及当氦气被指向朝熔体(进入页面)通过喷嘴(未具体示出)的开孔110时的气流图案。如所示，开孔110在X-Z平面具有细长缝隙的剖面形状。示例性的开孔110的尺寸可为沿Z轴0.1毫米至0.3毫米，以及沿X轴20毫米至200毫米。可于熔体600上设置加热机壳，该熔体600具有围绕开孔110而定义的矩形冷却区的开口。在图6A的例子中，靠近开孔110没有提供内部排气通道用以排出局部的氦气。
可以看出在开孔110的中间区域M，气流等值线602大多是垂直于X轴，也就是，开孔110的长方向。然而，继续向外朝开孔110的两端E，气流等值线602的外形为曲线，且非垂直于开孔110的长方向，即使是在紧邻开孔110的区域，例如区域608。再者，气流等值线602的组装模式可表示相邻开孔110的散热均匀性。如此，在中间区域M的散热，其气流等值线602是垂直于X轴，其不同于在区域608的散热，其气流等值线602具有“U”形。此气流模式可由加热机壳产生的流动图案所导致，其变化取决于沿开孔110的位置的三维作用。因此，在接近两端E的区域相较在中间区域M有较少的阻抗以使氦气向外流动。当平行X轴前进，图6A的安排可因此于相邻开孔110产生可变的散热速率。因为所形成的片材的前端结晶平行X轴，其可预期结晶化可以沿前缘以一个非均匀的方式发生，使片材具有少于期望的均匀性。
图6B也描述熔体600的表面的俯视图，以及当氦气通过喷嘴的开孔110被导引朝向熔体时的气流图案。然而，在图6B的例子中，提供两个内部排气通道612，其可以平行方式延伸至开孔110。在一个例子中，内部排气通道612可自开孔110沿Z轴被隔开3mm的距离。在图6B的例子中，其可假定通过开孔110提供的气体的90％通过内部排气通道612被排出，而10％的气体例如沿如图2B中所示的熔体600的表面被排出。内部排气通道612的存在，改变气流等值线614的图案，相比于气流等值线602。虽然气流等值线614例如在朝两端E区域可表现出一些曲度，由排气通道612所包围的区域内，沿开孔110的整个宽度wa，各气流等值线614垂直于开孔110的长轴方向，也就是X轴。如此，在内部排气通道612之间的区域的散热速率可在沿介于端点E之间的开孔110的任何点均匀地相邻开孔110。尤其，介于两端E之间以及介于内部排气通道612之间的区域616代表最快速散热的区域，其中致冷块延伸紧邻熔体600的表面。因此，散热速率较高的处理区可落在区域616中。在此区域616外的气流等值线614为曲线，散热速率足够低，使得沿X轴的任何变化可能不会对前缘结晶做出明显的贡献。因此，在图6B的情况下形成的片材的结晶化沿整个宽度wa是均匀的。
图7描绘通过内部排气通道而排出的不同量的气体为d的函数的散热的效果的曲线图。如可看到的变化，通过内部排气通道而排出的气体自0％(回收再利用)至90％，峰值散热速率仅减少2至3％。更有利的是，有90％的气体被排出时，半高宽减少，以使散热更集中在较低的d值，从而减少处理区的宽度。然而，应该注意到的是可能需要排出自气体喷射所传送某部分的气体，例如10％，沿熔体的表面的方向以清除任何污染，例如自系统的一氧化硅(SiO)或氩(Ar)。特别是清除一氧化硅污染物可防止在熔体内形成导致自熔体中生长的结晶片的品质低劣的一氧化硅颗粒。因此，在各种实施例中，内部排气通道可被设置以用于排出由气体喷射提供的75％至95％之间的气体。在一些实施例中，至少部分通过内部排气通道排出的气体可被回收再利用。在一些实施例中，内部排气通道可被设置以用于回收再利用由气体喷射提供的70％至90％的气体。此可有助于降低材料成本，例如当气体喷射是由氦气组成。
在各种另外的实施例，用以强烈散热的处理区的宽度在片材拉动期间可被改变。为了产生宽的单晶硅片，可使用窄的单晶种以起始结晶化，使得单晶硅片的初始宽度较所需的宽度窄。举例而言，可能需要产生具有宽度为150mm的硅带，以使产生具有相似宽度的基板。然而，在片材拉动的初始阶段，片材的初始宽度可以较少，例如20mm，其宽度可接着在后续的拉动阶段增加。因为错位行进到窄片的边缘的距离可相对较小，这允许出于成长带初始形成的错位回复正常。为了在拉晶期间加宽片材，处理区的宽度可逐渐增加。在本实施例中，此可通过增加提供气体喷射至基板的区域的宽度实现。
喷嘴中气体喷射的有效宽度可依不同方式来增加。图8A以及图8B分别示出喷嘴800的透视图以及俯视图，与本公开另一实施例相符。喷嘴800可如上所述部署于结晶器上，但为了说明清楚，没有示出额外的组件，例如致冷块。然而，可以被理解的是，举例而言，致冷块可如图1A以及图1B中所示环绕喷嘴800。喷嘴800沿横向方向为细长的，也就是平行于X轴，且包含延伸通过喷嘴的开孔804，以在熔体的表面810提供气体喷射。如图8A以及图8B中所示，喷嘴800可包含复数个进气口802，其被布置以指示各别气体喷射通过开孔804的顶部。当在动作状态时，复数个进气口802可被个别设置以用于传送气体至开孔以形成气体喷射。举例而言，在各种实施例中，例如气体控制系统150(示于图1A中)的控制器可个别控制气体，以引导沿开孔提供的在任何进气口的组合。举例而言，在做动状态时，进气口被设置以用于传送气体至开孔804，而在非做动状态下，进气口可能无法传送气体至开孔804。举例而言，在气体控制系统150中的控制器830可被设置以用于改变活动进气口传送气体的数量，从而修改处理区沿长轴的宽度，以使处理区的宽度在拉动结晶片的给定阶段达到目标宽度。
在另外的实施例中，通过内部排气通道排气的排气区的宽度可被调节。举例而言，可沿内部排气通道提供复数个排气口，其中排气口在做动状态排出气体。在一些实施例中，排气通道的排气区的宽度可通过控制器调节，其和调节处理区的宽度一致，通过在做动状态时个别调节进气口的数量来完成。特别是，控制器830可被提供以个别调节进气口的数量，主动接收气体从而调节处理区沿横向方向的宽度，以达到处理区的目标宽度。同时，控制器830可一致调节处于活性状态中的至少一个排气通道的排气口的数量，以符合目标宽度。举例而言，在一个实施方式中，宽度w2可等于3.5mm，且进气口802的数量可如图所示等于七。在拉晶的早期阶段，两个进气口802以5mm的间隔彼此分开做动，而其他进气口802不做动，以使在部分的喷嘴开孔中产生沿横向方向宽度为一厘米的处理区。同时，以5mm的间隔彼此分开的内部排气通道(未示出)中的两个对应排气口可被使用以创造具有一厘米的排气宽度的排气区。在后期阶段，做动的进气口802的数量可增加至七，而做动的排气口的数量可也增加至七，因此处理区例如加宽至30mm，而加宽的排气区符合处理区的宽度。
请参考图9，其中以位置(w)的函数示出当沿开孔提供的气体喷射的数量发生变化，熔体表面的散热速率的模拟结果。在图9中的模拟，可以假定至少六个沿宽度(w)隔开相等间隔的进气口，其中宽度(w)对应于平行图中X轴方向。曲线902示出当气体喷射被导引通过单一的，第一，放置在w等于0mm的位置以被使用于供给气体至表面的进气口时的散热。对于实验气体喷射流动情况进行的模拟，散热的最大值几乎是120W/cm2且发生在W＝0处，而在w＝6mm处，散热下降低于100W/cm2。曲线904示出除了第一进气口之外的散热，气体喷射被导向通过放置相邻第一进气口的第二进气口。在这种情况下，散热的最大值为135W/cm2且发生在w＝0处，而在w＝13mm处，散热下降低于100W/cm2。曲线906示出当除了第一进气口与第二进气口之外的散热，气体喷射被导向通过相邻第二进气口设置的第三进气口。在这种情况下，散热的最大值为140W/cm2且发生在w＝0处，而直到w＝20mm，散热不下降低于100W/cm2。曲线908示出当除了第一进气口至第三进气口之外的散热，且气体喷射被导向通过相邻第三进气口设置的第四进气口。在这种情况下，散热的最大值仍为140W/cm2且发生在w＝0，而直至w＝27mm时，散热不会下降低于100W/cm2。曲线910示出当除了第一进气口至第四进气口之外的散热，且气体喷射被导向通过相邻第四进气口设置的第五进气口。在这种情况下，散热的最大值仍为140W/cm2且发生在w＝0处，而直至w＝33mm时，散热不会下降低于100W/cm2。曲线912示出除了第一进气口至第五进气口之外的散热，且气体喷射被导向通过相邻第五进气口设置的六进气口。在这种情况下，散热的最大值仍为140W/cm2且发生在w＝0，而直至w＝42mm时，散热不会下降低于100W/cm2。此外，散热速率不会变化直至w＝33mm。如此，散热速率超过给定的阀值的区域的宽度可通过导引气体喷射通过沿着开孔设置的进气口的数量的增加而方便地增加。随着越多个进气口的使用以导引气体朝向熔体的表面，均匀散热的区域的宽度也均匀地增加。
使用如图9、图8C以及图8D所示的结果描述在用于操作喷嘴800以形成宽晶片的情况下两个不同实例。图8C示出一片材成长的早期阶段，其中气体喷射814是由导引通过单一进气口的气体组成，例如进气口802，其可以位于沿着开孔804的任何位置。气体喷射814可根据喷嘴800的高度扩散出去，如穿过开孔804。然而，当气体喷射814到达熔体的表面810，气体喷射814仍可只在开孔804的宽度w2的一部分形成高速的散热，如图8B中所示。此导致了处理区(未示出)的形成，其宽度w3实质上小于宽度w2，也如在图8B中所示。反过来说，当结晶晶种816沿方向820被拉动，所导致的片材宽度，结晶片818，也可接近宽度w3。为了使结晶片818的宽度增加，处理区的宽度可通过在活性状态配置较大量的进气口802而增加，以使气体通过较大量的进气口80被导向进入开孔804 2。这可以单调方式在一个例子中进行，使得用于传送气体至喷嘴800的进气口的数量随着时间单调地增加。在图8D中所示一随后的例子，各进气口802可被放置在做动状态，使得气体被传送通过各进气口802以形成一宽的气体喷射，气体喷射815，导致使用以形成结晶片818的较宽部822的较宽的处理区，也如于图8B中所示具有宽度w4。当所有的进气口802在做动状态持续拉动时，可导致具有需要的宽度的均匀宽的晶体，例如宽度w4。
总而言之，本发明的实施例提供了多种优于传统装置的自熔体生长的晶片。使用结晶器以提供气体喷射以在熔体的表面以及致冷块之间形成对流区，此有助于高速散热，例如100W/cm2至1500W/cm2。虽然此前无意识到此高散热速度生成条件能够用以良好地生长单晶硅片，其中(111)晶面形成在生长片材的前缘。供应相邻致冷块的内部排气通道也导致在熔体的表面上有更均匀的气体流动图案，还导致横跨成长片材的宽度较大均匀性的成长条件。此外，使用可分开控制的多个进气口以及排气口以导引气体喷射至熔体的表面，通过允许处理区的宽度在拉晶期间均匀地展开，以控制方式增加结晶片的宽度，有助于成长高品质结晶片。
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，除了本文描述的以外，本揭露内容的各种其他实施例与修改方案对于所属技术领域技术人员而言将会是显而易见的。因此，本揭露内容的范畴意图涵盖该些其他实施例与修改方案。此外，虽然本揭露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，但是所属技术领域技术人员将会了解，其用途不只限于此，本揭露内容可以针对任意用途，在任意环境下有益地实施。因此，应该根据本揭露内容的完整广度与精神，来理解本揭露内容的标的。
Claims (15)
1.一种结晶器，用以使熔体成长为结晶片，其特征在于包括：
致冷块，具有致冷面，所述致冷面面对于所述熔体的暴露面，所述致冷块被设置以用于在所述致冷面产生致冷块温度，所述致冷块温度低于在所述熔体的所述暴露面的熔体温度；以及
喷嘴，配置于所述致冷块内，且被设置以用于传送气体喷射至所述暴露面，其中所述气体喷射以及所述致冷块交互操作以产生处理区，所述处理区以第一散热速率移除来自于所述暴露面的热，所述第一散热速率大于所述处理区之外的外部区域中的所述暴露面的第二散热速率。
2.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述致冷面以第一高度配置于所述暴露面上，且所述喷嘴的前端以第二高度配置于所述暴露面上，所述第二高度小于所述第一高度。
3.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述喷嘴的材质包括石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述喷嘴包含开孔，所述开孔包括细长横截面，所述细长横截面的长轴沿垂直于拉动方向的横向方向延伸。
5.根据权利要求1所述的结晶器，还包括致动器，所述致动器被配置以用于调节所述致冷面以及所述暴露面之间的高度。
6.根据权利要求4所述的结晶器，其中所述开孔沿所述拉动方向的开孔长度为0.05毫米至0.5毫米。
7.根据权利要求4所述的结晶器，还包括：
机壳，定义出开口，以使所述致冷面相对于所述暴露面配置，所述机壳具有机壳温度，所述机壳温度较致冷块温度热；以及
至少一内部排气通道，配置于所述机壳与所述致冷块之间，且被配置以用于排出来自所述气体喷射的75％至95％之间的气体。
8.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述气体喷射被配置以用于在所述处理区中用以产生气体涡流，所述气体涡流以对流方式移除自所述暴露面至所述致冷块的至少部分的热。
9.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述第一散热速率大于100瓦/每平方厘米。
10.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述喷嘴包括开孔，所述开孔具有细长横截面，所述细长横截面由沿横向方向的宽度所定义，且其中所述开孔的所述气体喷射沿所述横向方向的流速为对每厘米宽为每分钟至少1升(1L/(m-cm))。
11.根据权利要求7所述的结晶器，其中所述至少一内部排气通道被设定用以回收由所述气体喷射所提供的70％至90％的气体。
12.一种使熔体成长为结晶片的方法，其特征在于包括：
排列致冷块于所述熔体的暴露面上；
在所述致冷块面对于所述熔体的致冷面产生致冷温度，所述致冷温度低于在所述熔体的所述暴露面的熔体温度；以及
通过配置于所述致冷块中的喷嘴传送气体喷射至所述暴露面，其中所述气体喷射以及所述致冷块彼此交互操作以产生处理区，所述处理区以第一散热速率移除来自于所述暴露面的热，所述第一散热速率大于所述处理区之外的外部区域中的所述暴露面的第二散热速率。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述处理区中使用所述气体喷射产生气体涡流，所述气体涡流通过对流散热移除所述暴露面的热，其中在所述处理区中的对流散热速率大于所述第一散热速率的一半。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
提供围绕所述致冷块的机壳，其中所述机壳定义出开口，其中所述致冷面相对于所述暴露面配置；
产生所述机壳的机壳温度，所述机壳温度高于所述致冷块温度；
在所述机壳以及所述致冷块之间提供至少一内部排气通道；以及
通过所述至少一排气通道排出来自所述气体喷射的75％至95％之间的气体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述喷嘴包括配备有多个进气口的开孔，所述多个进气口沿所述开孔配置且分别被配置以用于在做动状态时输送气体至所述开孔以形成气体喷射，且所述至少一内部排气通道包括复数个排气口，所述复数个排气口分别被配置以用于在活性状态时排气，所述方法还包括：
调节在所述做动状态时所述多个进气口的数量，从而调节所述处理区的宽度至目标宽度；以及
调节在所述至少一排气通道的所述复数个排气口在所述做动状态时的数量，以提供符合所述目标宽度的排气宽度。
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