CN106715764A - 允许杂质稀释的穿过堰体的通路的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法。该系统包括坩埚和设置在坩埚内的屏障。该方法包括：确定平流输送率小于扩散输送率的佩克莱特数(Pe)；基于所确定的佩克莱特数计算要形成在屏障中的通路的截面积，以允许杂质在晶锭的生长期间通过所述通路向外扩散；以及使用其中形成有所述通路的屏障生长晶锭。

Description

允许杂质稀释的穿过堰体的通路的设计方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月25日提交的美国非临时专利申请No.14/341,589的优先权，其全部公开内容通过引用整体并入本文中。

技术领域

本发明总体涉及半导体或太阳能材料的晶锭的生产，更特别地涉及用于延长生长过程的寿命周期的穿过堰体的通路的设计方法。

背景技术

在通过直拉(CZ)法生长的单晶硅的生产中，将多晶硅在拉晶装置的诸如为石英坩埚的坩埚中熔化，以形成硅熔体。提拉器然后将晶种下降到熔体中，并且缓慢地将晶种从熔体中提出，从而使熔体在晶种上固化。随着晶锭被拉出，某些杂质从正在形成的晶锭结构上被排斥到紧邻晶锭的熔体中，这导致杂质偏析。杂质包含金属和掺杂剂类别。与晶锭紧邻的熔体中的杂质的浓度随着晶锭从熔体被连续拉出而增大。结果，被拉出的晶锭的纯度随着杂质的浓度增大而减小，直至该过程最终由于晶锭的纯度下降到可接受的水平以下而停止。为了使用该方法生产高品质的单晶锭，紧邻晶锭的熔体的表面的温度和稳定性必须维持基本恒定，同时限制正在生长的晶锭附近的杂质浓度。用于实现此目标的已有系统并非完全令人满意。因此，需要更高效和有效的系统和方法来限制温度和表面扰动，以及限制与晶锭紧邻的熔体中的杂质浓度。

此“背景技术”章节意在向读者介绍可能与下文被描述和/或要求保护的本发明的各方面相关的技术的各方面。相信此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

一方面，提供一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法。该系统包括坩埚和设置在坩埚内的屏障。该方法包括：确定平流输送率小于扩散输送率的佩克莱特数(Pe)；基于所确定的佩克莱特数计算要形成在屏障中的通路的截面积，以允许杂质在晶锭生长期间通过所述通路向外扩散；以及使用其中形成有所述通路的屏障来生长晶锭。

另一方面，提供一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法。该系统包括坩埚和在坩埚内的屏障。屏障具有通路以允许熔体从中移动通过，并且所述通路具有构造成允许杂质在晶锭的生长期间扩散的截面积。该方法包括：设计穿过屏障的通路以允许杂质在晶锭生长期间通过所述通路向外扩散；将晶种下降到熔体中；将晶种从熔体提升出来以生产晶锭；将晶锭与熔体分离；在晶锭与熔体分离后已经过一定的晶锭交替时间之后，将第二晶种下降到熔体中；以及将第二晶种从熔体提升出来以生产第二晶锭。

又一方面，提供一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法。该系统包括坩埚和在坩埚内的屏障。屏障具有允许熔体从中移动通过的通路。该方法包括：设计穿过屏障的通路以允许杂质在晶锭生长期间通过所述通路向外扩散；将原料放置在所述坩埚中并位于屏障外侧；以及将所述原料熔化以形成熔体，从而允许所述熔体移动到屏障内侧。

存在对关于上述各方面提及的特征的各种改进。其它特征也可以结合在上述各方面中。这些改进和附加的特征可以单独地或以任意组合存在。例如，下面关于图示的任意实施例所讨论的各种特征可以单独地或以任意组合结合在任一上述方面中。

附图说明

图1是根据一个实施例的晶体生长系统的剖视图，该晶体生长系统包括具有延伸穿过其中的通路的堰体；

图2是描绘佩克莱特数(Pe)随通路尺寸的变化的曲线图；以及

图3是描绘对于各种通路尺寸，特征混合时间随特征熔体质量的变化的曲线图。

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，其中示意性示出一种晶体生长系统，其总体标记为100。晶体生长系统100用于通过直拉法生产单晶锭。如在本文中所讨论的，关于生产单晶锭的连续直拉法来描述所述系统，但是也可使用分批法。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。

在生产单晶锭的连续直拉法期间，原料供给到坩埚的径向外侧区域并在其中熔化，而晶锭同时从熔体生长。一个或多个硅石屏障或堰体位于原料供给处与晶锭被拉出处之间，以形成坩埚组件。这些堰体在坩埚组件内形成多个区，并且抑制未熔化的或固体的原料进入与正在生长的晶体紧邻的区域中。位于熔体中的内侧区域或内区中的固体原料的碎块通俗地称为“鱼(即游离块，fish)”。

通过抑制熔体进入内区，堰体还抑制了被排出的杂质向堰体的外侧移动，这导致杂质集中在紧邻正在生长的晶锭的区域内。通常，内区的尺寸被最大化(例如，通过增大熔体的深度)，以便在晶锭的纯度下降到可接受的水平之前增加内区中的熔体内可以包含的杂质的量。然而，通过增大熔体深度来增大内区的尺寸还导致填隙氧的量增加，这是因为石英的较大表面积导致在工艺期间更多的氧溶解在内区中。

此外，坩埚的尺寸限制了可使用的堰体的大小和内区中的熔体的总体积。这些尺寸限制决定了可从单个熔体生长的晶体数量。晶锭的纯度水平下降到可接受的水平之下所需的运行时间或拉晶时间与内区中的熔体的体积逆相关。随着内区的体积增大，杂质的浓度降低并且允许在超过可接受的杂质水平之前的更长运行时间。然而，使用本文中公开的实施例允许从单个熔体生长更多的晶锭，这是因为与常规系统相比杂质没有那么快地集中在内区中。

晶体生长系统100包括支承容纳硅熔体112的坩埚组件200的坩埚支承件或承受器150，晶锭114由提拉器或提拉系统134(例如缆线)从熔体中拉出。晶种132被附着至设置在熔体112上方的提拉器134的一部分。提拉器134为晶种132提供沿着垂直于熔体112的表面的方向的运动，从而允许晶种朝着熔体被下降或下降到熔体中以及从熔体提升或提升出熔体。

在拉晶过程期间，晶种132被提拉器134下降到熔体112中，然后缓慢地从熔体提升或提拉。随着晶种132缓慢地从熔体112提升，形成单晶锭114并且某些杂质被排出到周围的熔体中。提拉器134具有多个晶种132，这允许在工艺期间从熔体112拉出大量晶锭114。因此，随着每个晶锭114从熔体112被拉出，熔体中的杂质的浓度增大。为了生产高品质的晶锭114，与晶种132/晶锭114邻近的区域中的熔体112必须维持在大体上恒定的温度且基本没有表面扰动，并且外来固体颗粒物和杂质必须最少。

为了限制紧邻晶种132/晶锭114的区域中的表面扰动、温度波动和外来固体颗粒物，坩埚组件200包括坩埚210和堰体300。坩埚210具有基部212和侧壁214。坩埚210的侧壁214定位成与提拉器134的缆线大致同心。侧壁214围绕基部212的圆周延伸以形成用于容纳熔体112的腔216。

堰体300在腔216内沿基部212设置在侧壁214内侧的位置处。如所公开的，堰体300是将腔216内的区域分成内区218和外区220的单个圆柱形熔体流动屏障或管道。在一些实施例中，所述堰体是内部坩埚。在另一些实施例中，所述堰体可包括形式为管道、坩埚或其组合的大量屏障。在这些实施例中，穿过每个屏障的通路确定尺寸为具有促进对杂质的稀释过程的有效参与的截面积。

内区218是由基部212和堰体300内侧的区域——从该区域拉出晶锭——限定的区域。该内区218是与正在生长的晶锭114紧邻的区域，随着晶锭从熔体112拉出杂质被驱斥到该区域中。

外区220是由基部212、侧壁214和堰体300限定的区域。堰体300抑制熔体112从外区220向内区218移动。堰体300包括本体302，本体302具有延伸穿过其中以允许熔体112向堰体的内侧移动以及杂质向堰体的外侧移动的至少一个缺口或堰体通路304。因此，本实施例的通路304的截面积被设计为允许杂质在晶锭114的生长期间扩散。堰体通路304沿堰体300的下部区段设置在最终熔体深度下方的一定高度处，以允许实现堰体内侧的一致的熔体水平面。在一些实施例中，堰体300可具有多个通路304。

在许多情况下，堰体的底部不会与坩埚形成完整无缺的屏障以阻止未熔化的原料的流动。结果，未熔化的或固体的原料颗粒物会穿过堰体的底部与坩埚之间的小间隙。固体颗粒物进入与正在形成的晶锭相邻的区域中会大幅增加晶锭被撞击以及其晶体结构被破坏的风险(有时称为结构损失或LOS)。在一些实施例中，堰体300与基部212结合。在一些实施例中，堰体300具有成形为与坩埚210的内部的接触点相适配的底部边缘，并且被火焰抛光。

堰体300限制熔体112在外熔体部分或外区220与内熔体部分或内区218之间的移动。通路304容许熔体112在外区220与内区218之间穿过堰体300的下部区段的受控移动。通过抑制或限制熔体112在区218、220之间的移动，原料116被保持在外区中，同时原料被加热和熔化。因此，外区220中的熔体112在它移动到内区218中之前液化。结果，抑制了未熔化的原料进入内区218和导致晶锭中的位错。未熔化的原料可能干扰或负面地影响正在形成的晶锭的结构完整性和晶体结构。

此外，通过将熔体112在这些区之间的移动局限于通过通路304，可以允许内区218中的熔体的表面保持相对不受干扰。通过将由于扰动产生的热能和机械能波基本限制在外区中，堰体300基本上防止了外区220中的扰动破坏内区中的熔体112的表面。还通过通路304的位置抑制了扰动进入内区218中。该通路304设置在熔体顶部接触液面的下方，以允许熔体112移动到内区218中而不破坏内区的表面稳定性。

熔体112的移动基本被限制在通路304的位置。通过沿堰体300的下部区段布置通路304，可以将熔体112的移动局限于沿坩埚组件200的底部。结果，熔体112向内区218中的任何移动都在熔体112的顶部下方或与其直接相对的位置，在该处晶锭114被拉出。对熔体移动的这种约束限制了沿熔体112的内熔体部分的顶部的表面扰动和温度波动，这限制了正在形成的晶锭114中的位错。

此外，熔体的温度随着熔体从外区来到内区而升高。在熔体到达内区时，熔体的温度与已经在内区中的熔体基本相当。

可以通过进料管120将固体原料116从进料器118放入外区220中。原料116处于比周围熔体112低得多的温度并且从熔体吸热，同时原料的温度上升且固体原料在外区中液化以形成外熔体部分。随着固体原料116(有时被称作“冷原料”)从熔体112吸收能量，周围熔体的温度与所吸收的能量成比例地下降。

添加的原料116的量由进料器118控制，进料器118响应来自控制器122的启动信号。熔体112冷却的量由控制器122精确地确定和控制。控制器122可添加原料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116，例如通过测量熔体的重量或测量熔体的液面高度。

随着固体原料116被添加到熔体112中，外区220中的熔体112的表面可能被扰动。这种扰动可能影响熔体112的硅原子与晶种132的硅原子适当地对齐的能力。然而，如上文所述，堰体300抑制这些扰动的向内传播。

通过围绕坩埚组件布置在适当位置处的一个或多个加热器124、126、128向坩埚组件200提供热量。来自加热器124、126、128的热量首先熔化固体原料116，然后将熔体112维持在液化状态，从而为晶锭114提供合适的生长条件。

加热器124、126和128适当地为电阻式加热器并且可联接至控制器122。控制器122控制向加热器提供的电流以控制加热器的功率输送，以及控制原料，从而控制熔体的温度。控制器122还能够在晶种132从熔体112提升的同时供给原料116，从而生长晶锭114。

传感器130(诸如高温计或类似温度传感器)在生长的单晶锭114的晶体/熔体界面处提供对熔体112的温度的连续测量。传感器130还可以配置成测量生长的晶锭的温度。传感器130在通信方面与控制器122联接。可以使用附加的温度传感器以关于对原料的熔化或控制正在生长的晶锭关键的点进行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个导线或无线连接装置(例如通过红外线数据链路或其它适当的装置)链接至控制器。

本实施例的晶体生长系统100包括邻近坩埚组件200的护罩350。护罩350具有锥形部件352。然而，可以使用将熔体112与系统100的上部部分隔开并且具有中央开口以允许从中拉出晶锭114的任何合适的水平旋转式截面形状。

晶体生长系统100可包括利用气体流来降低系统内的总体氧水平的蒸发式除氧子系统。坩埚210和堰体300适当地由石英制成，并且熔体112和原料116是硅。在这些实施例中，硅熔体112是腐蚀性的并且可能导致坩埚和堰体的石英在低压力下击穿，这将负面地限制系统的总运行时间。为了防止将限制总运行时间的坩埚和堰体的过度腐蚀，通过输送供给氩气来向上偏压氧气。熔体表面中的较高氧含量由此限制石英腐蚀率。较高的压力降低了系统内的氩气的速度，从而导致从熔体表面蒸发的一氧化硅的减少。因此较少的一氧化硅被运送到排气管路中，从而防止了排气管路的过早阻塞和过早的运行终止。

现在公开用于设计穿过堰体或屏障的缺口或通路的尺寸或截面积的方法的一个实施例，所述堰体或屏障用在连续直拉法期间从熔体生长晶锭的坩埚中。通路的尺寸或截面积是基于量化液态硅流动特性和指定杂质的预期的稀释。因此，通路的截面积是基于杂质污染，而不是如现有技术中一样最大限度地减少熔体中的气泡。

如上文所述，堰体可具有延伸穿过其中的一个或多个通路。除非另外指出，否则本文中所讨论的截面积是堰体中的全部通路的总截面积。因此，通路的截面积的尺寸被设计为允许杂质在晶锭的生长期间扩散。截面积(l²)是基于正方形缺口的侧面的长度(l)。然而，通路可具有其它截面形状。

首先，确定平流输送(向内流动或对流)率小于扩散输送(向外流动或对流)率的佩克莱特数(Pe)。然后，计算允许杂质在晶锭的生长期间扩散的通路的截面积。在计算截面积之前，确定要生产的晶锭的半径(R_c)和在通路将贯穿其中的位置处的屏障的厚度(L)。此外，确定将由其生长晶锭的熔体的密度(ρ_m)、将在屏障的外侧放置在坩埚中的固体原料的密度(ρ_c)、熔体的有效扩散率(D_eff)、以及基于要生产的晶锭的半径的垂直凝固率(s)。然后，利用下式基于熔体的密度(ρ_m)、固体原料的密度(ρ_c)、屏障的厚度(L)、熔体的有效扩散率(D_eff)、晶锭的半径(R_c)和垂直凝固率(s)计算通路的截面积(l²)：

在一些实施例中，佩克莱特数(Pe)可被选择成在0.5与1.0之间。因此，在一些实施例中，基于以下约束条件来计算通路的截面积(l²)：

此约束条件在本文中也称为生长约束条件，这是因为它代表用于基于晶锭正在生长时熔体的熔体流动特性和杂质扩散来确定通路的截面积(l²)的约束条件。

在一些实施例中，液态熔体的有效扩散率(D_eff)为约0.1cm²/s。在一些实施例中，熔体的密度(ρ_m)为约2.57g/cm³。在一些实施例中，固体原料的密度(ρ_c)为约2.329g/cm³。

此方法的一些实施例可包括将多个通路设计为限制固体原料进入内区中。在本实施例中，确定提供有效屏障的单个通路的最大截面积(即，如果超过该截面积，则屏障将不再有效地限制固体原料116到达内熔体区)。通过将计算出的通路的总截面积(l²)除以有效屏障通路的最大截面积来计算屏障中的通路的数量。然后将屏障中的通路的数量取整为下一个整数。最后，通过将通路的总截面积(l²)除以所述下一个整数来计算多个通路中的每一个的单独截面积。

再次参照图1，在用于在包括具有形成腔216的基部212和侧壁214的坩埚210的坩埚组件200中生长单晶锭114的方法的一个实施例中，将屏障或堰体300放置在坩埚210的腔216中，以将熔体112分成在内区218中的内熔体部分和在外区220中的外熔体部分。内熔体部分位于堰体300的内侧并且邻近晶种132/晶锭114。外熔体部分位于堰体300的外侧。堰体300包括本体302和穿过本体的通路304。在一些实施例中，堰体是圆柱形管道。在一些实施例中，堰体是第二内部坩埚。在另一些实施例中，堰体是多个圆柱形管道、内部坩埚或其组合。

通路的截面积(l²)允许杂质在晶锭的生长期间扩散，如上文所述。

将原料116放置在外区220中。将加热器124、126和128放置在坩埚组件200附近以向坩埚和屏障提供用于液化或熔化原料116的热量，从而形成熔体112。一旦液化，熔体112便能从外区220移动到内区218中，但熔体的移动被限制为从通路304通过。

将晶种132下降到熔体112中，然后缓慢地从熔体112提升出来以从晶种生长晶锭。随着晶种132被缓慢提升，来自熔体112的硅原子与晶种132的硅原子对齐并附着在其上，从而允许晶锭作为单晶体长得越来越大。来自熔体112的硅原子的提升导致它们冷却和凝固，以生产晶锭。在将原料放置到坩埚中的同时进行晶种的提升。将晶锭与熔体分开。

在一些实施例中，在生产晶锭之后，将第二晶种下降到熔体中并从熔体提升出来以生产第二晶锭。在这些实施例中，连续的晶体之间的时间被称为晶锭交替时间。在一些实施例中，晶锭交替时间是基于特征混合时间，该特征混合时间是熔体特性的函数。特征混合时间是用于确定或估计允许熔体变成基本混合并且熔体内的杂质在熔体的全部体积内稀释所需的时间量的时间标度。在一些实施例中，特征混合时间代表内熔体部分或内区218中的杂质浓度(在该时间段开始时测定)以的系数减小所需的时间量。在经过约5个特征混合时间之后，熔体内的杂质浓度在内熔体部分或内区218与外熔体部分或外区220之间基本均匀。

在一些实施例中，以使得晶锭交替时间大于特征混合时间的方式执行晶体生长过程。更具体地，在从坩埚移除第一晶锭之后，并且在经过足够长的时间之后，朝熔体下降第二晶种，以便在屏障内侧的杂质在熔体的全部体积中稀释。在一些实施例中，时间量(即，晶锭交替时间)是特征混合时间的至少约两倍，更适当地，时间量是特征混合时间的至少约三倍，并且更加适当地，时间量是特征混合时间的至少约四倍。

在一些实施例中，利用下式计算特征混合时间(τ)：

其中，M是熔体的总质量，L是通路延伸穿过其中的内部屏障的厚度，D_eff是液态熔体的有效扩散率，ρ_m是熔体的密度，l²是通路的截面积。因此，为了计算特征混合时间(τ)，确定通路穿过其中的位置处的内部屏障的厚度(L)。此外，确定熔体的总质量(M)、熔体的密度(ρ_m)和液态熔体的有效扩散率(D_eff)。

在另一实施例中，使用特征混合时间(τ)来确定通路的截面积。更具体地，晶锭交替时间(T)是固定参数(例如，4小时)，并且通路的截面积(l²)被选择成使得特征混合时间(τ)小于晶锭交替时间。在这样的实施例中，可基于晶锭交替时间(T)来确定期望的特征混合时间(τ)。例如，期望的特征混合时间(τ)可以是晶锭交替时间(T)的大约一半以下，更适当地，是晶锭交替时间(T)的大约三分之一以下，并且更加适当地，是晶锭交替时间(T)的大约四分之一以下。换言之，将期望的特征混合时间确定为：使得至少一个特征混合时间将在晶锭交替时间内流逝，以允许内熔体部分或内区218内的杂质浓度下降到可接受的水平。可利用以下约束条件来计算通路的截面积(l²)：

其中k是小于1的系数(例如，1/2、1/3、1/4)，T是晶锭交替时间，并且M、L、D_eff和ρ_m具有与如上所述相同的值。此约束条件在本文中也称为非生长约束条件，这是因为它代表用于基于在没有晶锭生长时熔体的熔体流动特性和杂质扩散来确定通路的截面积(l²)的约束条件。

在一些实施例中，基于生长约束条件和非生长约束条件两者来确定通路的截面积(l²)。在这样的实施例中，可通过基于在晶锭正在生长时熔体的杂质扩散和熔体流动特性确定生长约束条件、基于在没有晶锭从熔体生长时熔体的杂质扩散和熔体流动特性确定非生长约束条件、以及确定满足生长约束条件和非生长约束条件两者的通路的截面积，来确定通路的截面积(l²)。在一些实施例中，生长约束条件等于：

而非生长约束条件等于：

图2针对具有厚度(L)约1.27cm、垂直凝固率(s)约1.6mm/min并且晶体半径(R_c)约205mm的石英屏障的硅锭生长过程，示出通路的各种截面积(l²)对佩克莱特数(Pe)的影响。硅熔体的有效扩散率(D_eff)约为0.1cm²/s，液态硅的密度(ρ_m)约为2.57g/cm³，并且固体硅的密度(ρ_c)约为2.329g/cm³。

图3示出对于具有厚度约1.27cm的屏障的硅生长过程中的各种特征熔体质量(M)，通路的各种截面积(l²)对特征混合时间(τ)的影响。

上述实施例的使用显著提高了系统的使用寿命。因此，炉的运行时间延长，这是因为杂质在熔体的全部体积内被分散，而不会集中在内区中的熔体内。此外，不必频繁地更换堰体和坩埚。另一优点在于，晶锭中的氧杂质不会发生显著变化，这是因为内区中的流体机械特性没有改变。另一优点在于，晶体形成系统的全部生产的效率提高并且运行时间延长，而总运行成本降低。

当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”是指存在一个或多个该元件。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的，意味着可能存在除了所列举的元件之外的附加元件。使用表示特定取向(例如“顶部”、“底部”、“侧面”等)的术语是为了便于描述，而不要求所描述的部件的任何特定取向。

在不背离本发明范围的情况下，可以对上述结构和方法进行各种改变，因此上文说明书中所包含的和附图所示的全部内容应旨在被解释成说明性而非限制性的。

Claims (23)

1.一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法，所述系统包括坩埚和设置在所述坩埚内的屏障，所述方法包括：

确定平流输送率小于扩散输送率的佩克莱特数(Pe)；

基于所确定的佩克莱特数计算要形成在所述屏障中的通路的截面积，以允许杂质在晶锭的生长期间通过所述通路向外扩散；和

使用具有形成在其中的通路的所述屏障生长晶锭。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述通路的截面积(l²)的步骤是基于所述熔体的密度(ρ_m)、添加到所述熔体的固体原料的密度(ρ_c)、所述屏障的厚度(L)、所述熔体的有效扩散率(D_eff)、从所述熔体生长的晶锭的半径(R_c)和晶锭的垂直凝固率(s)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述通路的截面积(l²)的步骤利用下式进行：

$l^2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\πR}}_c^{2}Ls}{{\mathrm{\ρ}}_c{D}_{eff}Pe}.$

4.根据权利要求3的方法，还包括以下步骤：

确定将位于所述坩埚中的所述熔体的密度(ρ_m)；

确定要添加到所述熔体的所述固体原料的密度(ρ_c)；

确定所述通路要穿过其中的所述屏障的厚度(L)；

确定所述熔体的有效扩散率(D_eff)；

确定要生长的晶锭的半径(R_c)；以及

基于要生产的晶锭的半径来确定晶锭的垂直凝固率(s)。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述熔体是硅熔体，并且液态熔体的有效扩散率(D_eff)约为0.1cm²/s，所述熔体的密度(ρ_m)约为2.57g/cm³，所述固体原料的密度(ρ_c)约为2.329g/cm³。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括确定提供有效屏障的单个通路的最大截面积的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括通过将计算出的所述通路的截面积(l²)除以所述最大截面积来计算所述屏障中的通路的最小数量。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括通过将计算出的所述通路的截面积(l²)除以通路的最小数量来计算多个通路中的每一个通路的截面积。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述佩克莱特数(Pe)在0.5与1.0之间。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

基于在没有晶锭从熔体生长时熔体的熔体流动特性和杂质扩散，来确定对所述通路的截面积(l²)的非生长约束条件；以及

基于所确定的佩克莱特数和非生长约束条件，来确定所述通路的截面积(l²)。

11.一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法，所述系统包括坩埚和在所述坩埚内的屏障，其中所述屏障具有允许熔体从中移动通过的通路，所述通路具有构造成允许杂质在晶锭的生长期间扩散的截面积，所述方法包括：

将穿过所述屏障的通路设计成允许杂质在晶锭的生长期间通过所述通路向外扩散；

将晶种下降到所述熔体中；

将所述晶种从所述熔体提升出来以生产晶锭；

将所述晶锭与所述熔体分离；

在所述晶锭与所述熔体分离之后并且还经过晶锭交替时间之后，将第二晶种下降到所述熔体中；以及

将所述第二晶种从所述熔体提升出来以生产第二晶锭。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，设计穿过所述屏障的所述通路包括：

基于在生长晶锭时所述熔体的熔体流动特性和杂质扩散，来确定对所述通路的截面积的生长约束条件；

基于在没有晶锭从熔体生长时熔体的熔体流动特性和杂质扩散，来确定对所述通路的截面积的非生长约束条件；以及

确定满足所述生长约束条件和所述非生长约束条件两者的所述通路的截面积。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，对所述通路的截面积(l²)的生长约束条件是基于所述熔体的密度(ρ_m)、添加到所述熔体的固体原料的密度(ρ_c)、所述屏障的厚度(L)、所述熔体的有效扩散率(D_eff)、晶锭的半径(R_c)和晶锭的垂直凝固率(s)。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对所述通路的截面积(l²)的生长约束条件为

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\πR}}_c^{2}Ls}{{\mathrm{\ρ}}_c{D}_{eff}}\≤l^2\≤2\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_m{\mathrm{\πR}}_c^{2}Ls}{{\mathrm{\ρ}}_c{D}_{eff}}\right).$

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述非生长约束条件是基于所述熔体的总质量(M)、所述屏障的厚度(L)、液态熔体的有效扩散率(D_eff)、熔体的密度(ρ_m)和晶锭交替时间(T)。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述通路的截面积(l²)的非生长约束条件为

$l^2\≥\frac{ML}{{\mathrm{\ρ}}_m{D}_{eff}kT},$

其中，k是小于1的系数。

17.一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法，所述系统包括坩埚和在所述坩埚内的屏障，其中所述屏障具有允许熔体从中移动通过的通路，所述方法包括：

将穿过所述屏障的所述通路设计为允许杂质在晶锭的生长期间通过所述通路向外扩散；

将原料放置到所述坩埚中并位于所述屏障的外侧；以及

熔化所述原料以形成熔体，从而允许所述熔体向所述屏障的内侧移动。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括将晶种下降到所述熔体中并将所述晶种从所述熔体提升出来以生产晶锭的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述晶种的提升与将所述原料放置到所述坩埚中同时进行。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括以下步骤：在生产所述晶锭之后，将第二晶种下降到所述熔体中以及将所述第二晶种从所述熔体提升出来以生产第二晶锭。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括在提升所述晶种与下降所述第二晶种之间等待一定时间量的步骤，其中所述时间量是基于所述熔体的特征混合时间(τ)。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括以下步骤：基于所述熔体的总质量(M)、所述通路延伸穿过其中的内部屏障的厚度(L)、液态熔体的有效扩散率(D_eff)、所述熔体的密度(ρ_m)和所述通路的截面积(l²)，来计算所述特征混合时间(τ)。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，计算所述特征混合时间(τ)的步骤利用下式进行：

$\mathrm{\τ}=\frac{ML}{{\mathrm{\ρ}}_m{D}_{eff}{l}^2}.$