CN107429421A - 用于将挥发性掺杂剂引入熔体内的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于掺杂半导体或太阳能级材料的熔体的设备。该设备包括籽晶夹、与籽晶夹连接的籽晶和与籽晶夹连接的掺杂剂容器。籽晶夹限定设备的第一端，并且籽晶限定设备的第二端。籽晶构造为在被放置成与熔体相接触时启动晶体生长。掺杂剂容器位于设备的第一端和第二端之间，并且限定用于将掺杂剂保持在其中的储器。掺杂剂容器构造成在位于熔体附近时将液态掺杂剂分配到熔体内。掺杂剂容器和籽晶同时与籽晶夹连接。

Description

用于将挥发性掺杂剂引入熔体内的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年11月26日提交的美国临时申请No.62/084,677的优先权，该文献的全部公开内容通过引用结合在本文中。
技术领域
本公开的领域总体上涉及用于从熔体制造半导体或太阳能级材料的晶锭的系统和方法，更具体地涉及用于将挥发性掺杂剂引入半导体或太阳能级材料的熔体内的系统和方法。
背景技术
在通过连续直拉(CCZ)方法生长的硅晶体的制造中，首先在晶体提拉装置的坩埚例如石英坩埚中熔化多晶硅，以形成硅熔体。然后，拉晶器将籽晶降低到熔体内并缓慢地将籽晶提出熔体。随着从熔体生长出籽晶，将固体多晶硅或液体硅添加到熔体内，以补充被结合在生长的晶体中的硅。
将适量掺杂剂添加到熔体以改变所得到的单晶晶锭的基础电阻率。在一些情况下，希望在硅晶体生长过程中使用挥发性掺杂剂，例如铟、锑和镓。例如，希望使用铟作为用于太阳能结构的晶体中的掺杂剂，其原因在于掺杂铟的太阳能结构的性能与掺杂硼的太阳能结构相比有所提高。然而，在CCZ工艺中使用挥发性掺杂剂存在多种挑战。例如，由于此类掺杂剂的挥发性质，大量掺杂剂在工艺期间可能蒸发损失，从而使晶体生长过程成本昂贵。另外，生长过程中的掺杂剂损失使得难以控制熔体的掺杂剂浓度。
虽然一些已知的系统解决了与挥发性掺杂剂的使用相关的一些上述问题，但大多数用于在CCZ工艺中对熔体掺杂挥发性掺杂剂的已知系统并未在所生长的晶体的籽晶端处提供足够均匀的电阻率分布。例如，为了减少与挥发性掺杂剂的蒸发相关的损失，一些系统刚好在晶体生长过程启动之前向熔体添加掺杂剂。这些系统通常向外熔体区添加掺杂剂以避免扰动内熔体区中的熔体表面，所述扰动会引起生长过程中的晶体结构的损失。掺杂剂向内熔体区的扩散比较缓慢。因此，掺杂剂主要通过液态熔体朝向内熔体区的物理流动而输送至内熔体区。由于这些系统通常向外熔体区添加掺杂剂，所以生长出的晶体的初始部分(即，籽晶端)具有比晶体的其余部分低得多的掺杂剂浓度并因而具有更高的电阻率。所生长的晶体的此区域有时称为“高电阻率过渡区域”。所述高电阻率过渡区域通常不用于后续的器件制造，从而导致生产率损失和制造成本的上升。
因此，存在对减小或消除根据CCZ方法生长的半导体或太阳能级晶体中的高电阻率过渡区域的设备和方法的需求。
此背景技术部分旨在向读者介绍可能与下文中描述和/或要求权利的本公开的各个方面有关的现有技术的各个方面。相信此讨论对于提供给读者背景信息以利于更好地理解本公开的各个方面是有帮助的。因此应该理解，应在这种意义上阅读这些内容，而不是作为对现有技术的承认。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于掺杂半导体或太阳能级材料的熔体的设备。该设备包括籽晶夹(seed chuck)、与籽晶夹连接的籽晶、以及与籽晶夹连接的掺杂剂容器。籽晶夹限定设备的第一端，并且籽晶限定设备的第二端。籽晶配置成在被放置成与熔体相接触时启动晶体生长。掺杂剂容器位于设备的第一端和第二端之间，并且限定用于将掺杂剂保持在其中的储器。掺杂剂容器配置成在位于熔体附近时将液体掺杂剂分配到熔体内。掺杂剂容器和籽晶同时与籽晶夹连接。
在另一方面，提供了一种用于从半导体或太阳能级材料的熔体生长晶锭的系统。该系统包括用于容纳半导体或太阳能级材料的熔体的坩埚、用于从熔体提拉晶锭的拉晶器、以及与拉晶器连接的掺杂设备。该掺杂设备包括籽晶夹、与籽晶夹连接的籽晶和与籽晶夹连接的掺杂剂容器。籽晶配置成在被放置成与熔体相接触时启动晶体生长。掺杂剂容器限定用于将掺杂剂保持在其中的储器，并且配置成使掺杂剂液化并将掺杂剂分配至熔体并且利用籽晶启动晶体生长。
存在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。这些改进和附加特征可以单独存在或以任意组合存在。例如，下文结合任何一个图示实施例讨论的各种特征可以单独地或以任意组合方式结合在任何上述方面中。
附图说明
图1是包括掺杂设备的一个合适实施例的晶体生长系统的截面图；
图2是图1的掺杂设备的截面图，示出了两个掺杂剂容器；
图3是图2的掺杂设备的其中一个掺杂剂容器的俯视平面图；
图4是包括两个掺杂剂容器的掺杂设备的另一合适实施例的截面图；
图5是图4的掺杂设备的其中一个掺杂剂容器的俯视平面图；
图6是适合供图4和5的掺杂设备和掺杂剂容器使用的臂的俯视平面图；
图7是包括掺杂剂棒(dopant bar)的掺杂设备的另一合适实施例的截面图；
图8是根据连续直拉方法生长的铟掺杂的硅锭的轴向电阻率分布的曲线图；以及
图9是使用根据本公开的掺杂设备根据连续直拉方法生长的铟掺杂的硅锭的轴向电阻率分布的曲线图。
在附图的多个视图中，对应的附图标记指示对应的部件。
具体实施方式
参考图1，示意性示出总体上由100指示的晶体生长系统。晶体生长系统100用于通过直拉法制造单晶晶锭。如这里讨论的，结合制造单晶晶锭的连续直拉法描述该系统，但是也可以使用批量工艺。例如，该工艺可用于“再填充”CZ过程。
图示的晶体生长系统100包括限定生长室104的壳体102、由可旋转轴108支承的基座106、容纳通过拉晶器116从其提拉晶锭114的半导体或太阳能级材料(例如，硅)的熔体112的坩埚组件110、用于向系统100供给热能的加热系统118、以及用于将掺杂剂引入熔体112中的总体上由200指示的掺杂设备。图示的系统100还包括进给系统120和热屏蔽件124，进给系统120用于将固体或液体原材料122进给到坩埚组件110和/或熔体112内，热屏蔽件124构造成屏蔽晶锭114免受来自熔体112的热辐射，以允许晶锭114固化。
壳体102包围基座106、坩埚组件110、以及加热系统118的在生长室104内的部分。在使用中，壳体102可用于相对于外部环境密封生长室104，并且诸如氩气的惰性气体可被供给到生长室104。可以构成壳体102的合适的材料包括但不限于不锈钢。
坩埚组件110包括坩埚126，坩埚126具有底部128和围绕底部128的圆周延伸的大致环形的侧壁130。底部128和侧壁130一起限定坩埚126的空腔132，熔体112被放置在空腔132内。坩埚126可以由使得系统100能够如本文中所述的那样工作的任何合适的材料构成，包括例如石英。
坩埚组件110还包括将熔体112分隔成不同的熔体区的多个堰体。在图示的实施例中，坩埚组件110包括第一堰体134和第二堰体140，第一堰体134将熔体112的外熔体区136与熔体112的内熔体区138分隔开，第二堰体140至少部分地限定从中提拉晶锭114的生长区142。第一堰体134和第二堰体140均具有大致环形的形状，并具有至少一个限定在其中的开口，以允许熔体112径向向内朝向生长区142流动。第一堰体134和第二堰体140设置在坩埚126的空腔132内，并形成从外熔体区136到内熔体区138和生长区142的迂回路径。堰体134、140因此有利于在固体原材料122到达紧邻正在生长的晶体的区域(例如，生长区142)之前熔化固体原材料122。堰体134、140可以由使得系统100能够如本文中所述的那样工作的任何合适的材料构成，包括例如石英。虽然示出和描述了图示的实施例包括两个堰体，但是系统100可以包括使得系统100能够如本文中所述的那样工作的任何合适数目的堰体，例如一个堰体、三个堰体和四个堰体。
坩埚126、第一堰体134和第二堰体140可以彼此单独形成并组装在一起以形成坩埚组件110。在其它合适的实施例中，坩埚组件110可以具有一体式构造。即，坩埚126与堰体134、140中的一者或两者可以一体形成(例如，由整块石英形成)。
掺杂设备200与拉晶器116连接，并且通常包括籽晶夹202、籽晶204和一对掺杂剂容器206。掺杂设备200配置成使容纳于掺杂剂容器206内的固体掺杂剂液化，并且将已液化的掺杂剂引入熔体112内(例如，在内熔体区138中)。掺杂设备200还配置成在掺杂熔体112之前、期间或之后利用籽晶204启动晶锭114的晶体生长。
进给系统120包括进给器144和进给管146。可以通过进给管146将固体原材料122从进给器144放置到外熔体区136中，以补充熔体112并维持熔体112内的期望的掺杂剂浓度。可以基于由正添加到熔体112中的较冷的原材料122导致的熔体112的温降，通过控制器(例如下文描述的控制器148)控制添加到熔体112中的原材料122的量。
热屏蔽件124定位在坩埚组件110附近，并将熔体112与系统100的上部部分分隔开。热屏蔽件124构造成屏蔽晶锭114免受熔体112和加热系统118产生的辐射热，以允许晶锭114固化。在该示例性实施例中，热屏蔽件124包括锥形件和限定在其中的中心开口，该锥形件将熔体112与系统100的上部部分分隔开，该中心开口允许从中提拉晶锭114。在其它实施例中，热屏蔽件124可以具有使得系统100能够如本文中所述那样工作的任何合适的构型。在该示例性实施例中，热屏蔽件124由石墨构成。在其它实施例中，热屏蔽件124可以由使得系统100能够如本文中所述那样工作的任何合适的材料构成，包括例如覆盖有硅石的石墨、高纯钼以及它们的组合。
加热系统118配置成熔化最初填充的固体原材料(例如块状多晶硅)，并且在最初填充的固体原材料熔化后将熔体112维持在液化状态。加热系统118包括围绕坩埚组件110设置在合适位置的多个加热器150。在图示的实施例中，每个加热器150都具有大致环形的形状。两个加热器位于坩埚126和基座106下方，并且一个加热器围绕坩埚126的侧壁130沿径向向外定位。
在该示例性实施例中，加热器150是电阻加热器，但是加热器150也可以是使得系统100能够如本文中所述那样工作的任何合适的加热装置。此外，虽然示出和描述了图示的实施例包括三个加热器150，但是系统100可以包括使得系统100能够如本文中所述那样工作的任何合适数目的加热器150。
加热器150连接到控制器148，控制器148控制提供给加热器150的电能，以控制加热器150所供给的热能的量。可以单独地且独立地控制通过控制器148供给到每一个加热器150的电流的量，以优化熔体112的热特性。在图示实施例中，控制器148还控制进给系统120以及原材料122向熔体112的输送，以控制熔体112的温度。
传感器152，例如高温计或类似的温度传感器，提供在生长的单晶晶锭114的晶体/熔体界面处的熔体112的温度的连续测量。传感器152还可以配置成测量生长的晶锭114的温度。传感器152与控制器148通信联接。可以使用附加的温度传感器来测量与原材料122的熔化有关的或与控制生长的晶锭114有关的熔体112的其它区域的温度以及向控制器148提供温度反馈。虽然为了清楚起见示出了单个通信引线(lead)，但是可以通过多个引线或无线连接方式(例如通过红外数据链接或其它合适的方式)将一个或更多个温度传感器链接到控制器148。
在晶体生长过程中，使最初填充的半导体或太阳能级材料在坩埚126中熔化，并且向熔体112添加期望类型和数量的掺杂剂以修改所获得的晶锭114的基础电阻率。由拉晶器116将籽晶204下降到熔体112内，然后缓慢地从熔体112提升。随着籽晶204缓慢地从熔体112提升，来自熔体112的原子自身与籽晶204对齐并附着至籽晶204，以形成晶锭114。在晶锭114从熔体112被提拉时将原材料122添加至熔体112，以补充熔体112并维持熔体112内的期望的掺杂剂浓度。
当用于晶体生长过程时，通常刚好在晶体生长过程启动之前将挥发性掺杂剂添加至熔体112，以降低与挥发性掺杂剂的蒸发相关的损失。掺杂剂通常被添加至外熔体区136以避免扰动内熔体区138中的熔体表面。结果，晶锭114的籽晶端的一部分具有比晶锭的其余部分更低的掺杂剂浓度和因而更高的电阻率，从而导致高电阻率过渡区域。术语“挥发性掺杂剂”通常是指在被引入半导体或太阳能级材料的熔体时具有蒸发倾向并且通常具有至少0.0001cm/s的蒸发系数的掺杂剂。挥发性掺杂剂的示例包括铟、锑和镓。
本文描述的液体掺杂设备通过实现内熔体区138的直接掺杂和相继较快启动晶体生长而有助于减小或消除高电阻率过渡区域。在一些实施例中，例如，本文描述的掺杂设备包括均与共同的籽晶夹连接的一个或多个掺杂剂容器和籽晶。本文描述的掺杂设备由此能够在不从生长室104移除掺杂设备的情况下对熔体112掺杂和启动晶体生长。
另外参考图2和3，籽晶夹202包括与拉晶器116连接的第一端208、与第一端208相对的第二端210、以及在第一端208与第二端210之间延伸的外周212。籽晶夹202包括构造成在籽晶夹202的第二端210附近固定籽晶204的紧固机构(未示出)。在一个合适的实施例中，例如，籽晶夹202具有在第二端210中限定的孔(未示出)以及径向可调节的爪部，所述孔构造成将籽晶204接纳在其中，所述爪部构造成将籽晶204固定(即，夹持)在所述孔内。在图示的实施例中，籽晶夹202具有大致环形的形状，但是籽晶夹202也可以具有使得掺杂设备200能够如本文中所述那样工作的任意合适的构型。
籽晶204与籽晶夹202连接，并且从籽晶夹202的第二端210伸出。在该示例性实施例中，籽晶204的第一端(未示出)被固定在籽晶夹202的第二端210中的孔内，并且籽晶204的第二端214从所述孔伸出并远离籽晶夹202的第二端210延伸。籽晶204构造成在被放置成与熔体112接触时启动晶体生长。特别地，当籽晶204降低至与熔体112接触时，来自熔体112的原子固化并且自身与籽晶204对齐以形成晶锭114。籽晶204可由与熔体112相同的材料构成，或者由具有晶锭114的期望晶体结构的任何其它材料构成。
如图2所示，籽晶夹202的第一端208限定掺杂设备200的第一端216，并且籽晶204的第二端214限定掺杂设备200的第二端218。每个掺杂剂容器206都与籽晶夹202连接并且位于掺杂设备200的第一端216和第二端218之间，更具体地，位于籽晶夹202的第一端208与籽晶夹202的第二端210之间。每个掺杂剂容器206都位于距掺杂设备200的第二端218足够近的距离处，以使得当掺杂设备200定位在熔体附近时，来自熔体112和晶体生长系统100的其它构件的热能足以熔化储存在掺杂剂容器206内的掺杂剂。另外，每个掺杂剂容器206都位于距掺杂设备200的第二端218足够距离处，以使得当籽晶204降低至与熔体112接触时，掺杂剂容器206不会接触熔体112。
参照图3，每个掺杂剂容器206都包括底壁220(广义上讲，底部)和从底壁220的周边围绕其向上延伸的侧壁222。尽管图示的掺杂剂容器206具有大致矩形的形状，但是应理解掺杂剂容器206可以具有使得掺杂设备200能够如本文中所述那样工作的任意合适的形状。在其它合适的实施例中，例如，一个或多个掺杂剂容器可以具有圆锥形的形状或圆柱形的形状。
底壁220和侧壁222共同限定构造成将掺杂剂保持在其中的掺杂剂储器224。在一个合适的实施例中，掺杂剂储器224的容积在约5立方厘米(cm3)与约50cm3之间，更合适地在约10cm3与约30cm3之间，更加合适地在约15cm3与约20cm3之间。在其它合适的实施例中，掺杂剂储器224的容积可小于约5cm3或大于约50cm3。
底壁220具有限定在其中的多个分配孔口226，所述分配孔口226贯穿底壁220的厚度延伸并提供与掺杂剂储器224的流体连通。图示的实施例包括五个分配孔口226，但是掺杂剂容器206也可以包括多于或少于五个的分配孔口226。每个分配孔口226的尺寸和形状都设计为禁止固体掺杂剂从其中通过，并容许液化的掺杂剂从掺杂剂储器224向外流出。在图示的实施例中，每个图示的分配孔口226都具有大致圆形的形状和约0.1厘米(cm)的直径。在其它合适的实施例中，一个或多个分配孔口可以具有大于或小于约0.1cm例如约0.5cm的直径，和/或具有与大致圆形的形状不同的形状。
掺杂剂容器206合适地由能耐受在晶体生长过程中经历的生长条件(例如，高温)的耐高温材料构成，以使得掺杂剂容器206可以用于多个掺杂和生长工序中(即，重复利用)。掺杂剂容器206可以由各种合适的材料构成，包括(例如但不限于)高度耐火的、相对惰性的材料。在一个合适的实施例中，例如，掺杂剂容器206均由石英构成。在另一合适的实施例中，掺杂剂容器206均由涂覆硅的石墨构成。在另一合适的实施例中，掺杂剂容器206均由硅或硅基合金构成。由硅或硅基合金构成的掺杂剂容器可以定位成比例如由石英构成的掺杂剂容器相距掺杂设备200的第二端218更远，以防止晶体生长过程中掺杂剂容器损失结构完整性。
图示的掺杂设备200包括两个掺杂剂容器206，但是掺杂设备200可以包括使得掺杂设备200能够如本文中所述那样工作的任意合适数目的掺杂剂容器206。在图示的实施例中，掺杂剂容器206围绕籽晶夹202的周边212等距地间隔开。即，掺杂剂容器206彼此沿直径相对地定位。在其它合适的实施例中，掺杂剂容器206可以围绕周边212以使得掺杂设备200能够如本文中所述那样工作的彼此间任意合适的距离间隔开。
在图2和3所示的实施例中，每个掺杂剂容器206都通过从籽晶夹202径向向外延伸的臂228与籽晶夹202连接。更具体地，每个臂228都包括与籽晶夹202连接的第一端230和与其中一个掺杂剂容器206连接的第二端232。臂228可以通过任意合适的紧固机构——例如但不限于，包括互补的螺纹紧固件、销、卡口式紧固件、摩擦配合件以及它们的组合——与籽晶夹202连接。在图2和3所示的实施例中，每个臂228都与其中一个掺杂剂容器206一体地形成。即，每个臂228和其中一个掺杂剂容器206由整块材料诸如熔融石英形成。在其它合适的实施例中，每个臂228可相对于掺杂剂容器206单独形成。
在使用中，掺杂设备200用于直接掺杂内熔体区138(特别地，生长区142)，并且从熔体112生长出晶锭114。更具体地，将期望数量和类型的掺杂剂装载到每个掺杂剂容器206内。在一些合适的实施例中，掺杂剂容器206在掺杂设备200从生长室104移除的状态下进行装载。在一些合适的实施例中，掺杂剂包括铟、锑和镓中的至少一者。利用拉晶器116将掺杂设备200朝向熔体112下降，直至掺杂剂容器206距熔体112足够近以使掺杂剂容器206内的掺杂剂液化。将掺杂剂容器206内的掺杂剂液化并通过限定在各掺杂剂容器206的底壁220中的分配孔口226引入内熔体区138中。使籽晶204降低至与熔体112接触以启动晶锭114的生长，并且利用拉晶器116提升掺杂设备200以生长晶锭114。在一些合适的实施例中，在不从生长室104移除掺杂设备200的状态下引入掺杂剂并且启动晶体生长。此外，在一些合适的实施例中，对掺杂剂容器206再次填充掺杂剂并用于后续的掺杂和晶体生长工序中。
图4是适合供图1的晶体生长系统100使用的总体上由300指示的掺杂设备的另一合适实施例的截面图。掺杂设备300包括籽晶夹302、籽晶304和一对掺杂剂容器306。掺杂设备300基本上等同于以上参考图2和3示出和描述的掺杂设备200，除了掺杂剂容器306相对于用于将掺杂剂容器306与籽晶夹302连接的连接臂(下文描述)单独形成。
籽晶夹302包括适于连接到拉晶器116(图1)的第一端308、与第一端308相对的第二端310、以及在第一端308与第二端310之间延伸的外周312。除非另外指出，否则籽晶夹302等同于以上参考图1-3描述的籽晶夹202并且履行与它相同的功能。
籽晶304包括固定在限定于籽晶夹302内的孔(未示出)中的第一端(未示出)，以及从所述孔伸出并远离籽晶夹302的第二端310延伸的第二端314。除非另外指出，否则籽晶304等同于以上参考图1-3描述的籽晶204并且履行与它相同的功能。
如图4所示，籽晶夹302的第一端308限定掺杂设备300的第一端316，并且籽晶304的第二端314限定掺杂设备300的第二端318。每个掺杂剂容器306都与籽晶夹302连接并且位于掺杂设备300的第一端316和第二端318之间，更具体地位于籽晶夹302的第一端308与籽晶夹302的第二端310之间。每个掺杂剂容器306都位于距掺杂设备300的第二端318足够近的距离处，使得当掺杂设备300位于熔体112附近时，来自熔体112和晶体生长系统100的其它构件的热能足以熔化储存在掺杂剂容器306内的掺杂剂。另外，每个掺杂剂容器306都位于距掺杂设备300的第二端318足够的距离处，以使得当籽晶304下降至与熔体112接触时，掺杂剂容器306不会接触熔体112。
参照图5，每个掺杂剂容器306都包括底壁320(广义上讲，底部)和围绕底壁320的周边并从其向上延伸的圆锥形的侧壁322。图示的掺杂剂容器306具有大致截锥形的形状(即，截锥体)，但是应理解，掺杂剂容器306可以具有使得掺杂设备300能够如本文中所述那样工作的任意合适的形状。在其它合适的实施例中，例如，一个或多个掺杂剂容器可以具有圆柱形的形状或矩形的形状。
底壁320和侧壁322共同限定构造成将掺杂剂保持在其中的掺杂剂储器324。在一个合适的实施例中，掺杂剂储器324的容积在约5cm3与约50cm3之间，更合适地在约10cm3与约30cm3之间，更加合适地在约15cm3与约20cm3之间。在其它合适的实施例中，掺杂剂储器324的容积可小于约5cm3或大于约50cm3，例如约100cm3。
底壁320具有限定在其中的多个分配孔口326，所述分配孔口326贯穿底壁320的厚度延伸并提供与掺杂剂储器324的流体连通。图示的实施例包括三个分配孔口326，但是掺杂剂容器306可以包括多于或少于三个的分配孔口326。每个分配孔口326的尺寸和形状设计为禁止固体掺杂剂从其中通过，并容许液化的掺杂剂从掺杂剂储器324向外流出。在图示的实施例中，每个图示的分配孔口326都具有大致圆形的形状和约0.1cm的直径。在其它合适的实施例中，一个或多个分配孔口可以具有大于或小于约0.1cm例如约0.5cm的直径，和/或具有与大致圆形的形状不同的形状。
掺杂剂容器306合适地由能耐受在晶体生长过程期间经历的生长条件(例如，高温)的耐高温材料构成，以使得掺杂剂容器306可以用于多个掺杂和生长工序中(即，重复利用)。掺杂剂容器306可以由各种合适的材料构成，包括(例如但不限于)高度耐火的、相对惰性的材料。在一个合适的实施例中，例如，掺杂剂容器306均由石英构成。在另一合适的实施例中，掺杂剂容器306均由涂覆有硅的石墨构成。在另一合适的实施例中，掺杂剂容器306均由硅或硅基合金构成。由硅或硅基合金构成的掺杂剂容器可以定位成比例如由石英构成的掺杂剂容器距掺杂设备300的第二端318更远，以防止晶体生长过程中掺杂剂容器损失结构完整性。
图示的掺杂设备300包括两个掺杂剂容器306，但是掺杂设备300可以包括使得掺杂设备300能够如本文中所述那样工作的任意合适数目的掺杂剂容器306。在图示的实施例中，掺杂剂容器306围绕籽晶夹302的周边312等距地间隔开。即，掺杂剂容器306彼此沿直径相对地定位。在其它合适的实施例中，掺杂剂容器306可以围绕周边312以使得掺杂设备300能够如本文中所述那样工作的彼此间任意合适的距离间隔开。
另外参考图6，每个掺杂剂容器306都通过从籽晶夹302径向向外延伸的臂328与籽晶夹302连接。更具体地，每个臂328都包括适于与籽晶夹302连接的第一端330和在第一端330的远侧的第二端332。臂328可以通过任意合适的紧固机构——例如但不限于，包括互补的螺纹紧固件、销、卡口式紧固件、摩擦配合件以及它们的组合——与籽晶夹302连接。
在图4-6所示的实施例中，每个臂328都包括设置在第二端332附近并且构造成将其中一个掺杂剂容器306可释放地保持在其中的容器支承件334。在图示的实施例中，容器支承件334是环形缘边，该环形缘边限定其尺寸和形状设计为将其中一个掺杂剂容器306的一部分接纳在其中的开口336。容器支承件334构造成在其中一个掺杂剂容器306插入开口336中时与其中一个掺杂剂容器306的向外呈锥形的侧壁322接合，并且由此阻碍掺杂剂容器306完全通过开口336。
臂328独立于掺杂剂容器306形成，并且可以由各种合适的材料构成，包括(例如但不限于)高度耐火材料。在一个合适的实施例中，例如，一个或多个臂328可以由石墨构成。在另一合适的实施例中，一个或多个臂328可以由石英构成。
图7是适合供图1的晶体生长系统100使用的总体上由400指示的掺杂设备的另一合适实施例的截面图。掺杂设备400包括籽晶夹402、籽晶404以及与籽晶404连接的掺杂剂棒406。
籽晶夹402包括适于连接到拉晶器116(图1)的第一端408、与第一端408相对的第二端410、以及在第一端408与第二端410之间延伸的外周412。除非另外指出，否则籽晶夹402等同于以上参考图1-3描述的籽晶夹402并且履行与它相同的功能。
籽晶404包括固定在限定于籽晶夹402内的孔(未示出)中的第一端(未示出)，以及从所述孔伸出并远离籽晶夹402的第二端410延伸的第二端414。籽晶404包括在籽晶404的第二端414附近的孔416，所述孔416穿过籽晶404横向地延伸。孔416的尺寸和形状设计为将掺杂剂棒406接纳在其中。除非另外指出，否则籽晶404等同于以上参考图1-3描述的籽晶404并且履行与它相同的功能。
掺杂剂棒406固定在籽晶404的孔416内，并且构造成在籽晶404下降至与熔体112接触时浸入熔体112中。掺杂剂棒406适当地包括期望的掺杂剂浓度。在一些合适的实施例中，掺杂剂棒406可以包括纯掺杂剂。在其它合适的实施例中，期望数量的掺杂剂可以与其它材料例如用于制备熔体112的基材(例如，硅)混合或形成合金。在一个合适的实施例中，掺杂剂棒406是通过熔化掺杂剂(或掺杂剂合金混合物)、将籽晶404浸入掺杂剂熔体内并且允许掺杂剂在籽晶404的孔416内以及围绕籽晶404固化而形成的。
在使用中，将掺杂设备400朝向熔体112下降以将掺杂剂引入熔体112中。随着掺杂剂棒406接近熔体112，掺杂剂棒406熔化，并且液体掺杂剂被引入熔体121内。掺杂剂棒406可浸入熔体112中以确保掺杂剂在熔体112内的完全熔化和分散。籽晶404的第二端414在熔体112内至少浸没至孔416的顶部，以使得籽晶404的包含孔416的部分在熔体112内熔化。然后将籽晶404从熔体112缓慢地提升以从熔体112生长晶锭。
本文描述的晶体生长系统的实施例相对于已知的晶体生长系统提供了多个优点。例如，本公开的晶体生长系统较快地相继实现了内熔体区的掺杂和在内熔体区的晶体生长的启动。更具体地，本文描述的掺杂设备包括均与共同的籽晶夹连接的一个或多个掺杂剂容器和籽晶。籽晶构造成启动晶体生长，并且掺杂剂容器构造成将掺杂剂分配到熔体内。该掺杂设备由此能将掺杂剂直接引入内熔体区，并且在不必更换构件或从生长室移除构件(例如，掺杂剂容器、籽晶夹或籽晶)的情况下启动晶体生长。结果，在晶体生长启动时的内熔体区的掺杂剂浓度能被更精确地控制在期望范围内。本文描述的晶体生长系统和设备由此有利于减小或消除通常在掺杂挥发性掺杂剂的半导体或太阳能级晶体中发现的高电阻率过渡区域。
示例
以下示例是非限制性的。
在几乎相同的生长条件下根据连续直拉法生长出两个铟掺杂的硅晶锭，但是一个晶锭是利用与图4所示的掺杂设备300基本上相似的掺杂设备生长的。两个晶锭都是利用包括坩埚、将熔体的外熔体区与熔体的内熔体区隔开的外堰体和限定由其生长出晶锭的生长区的内堰体的坩埚组件生长的。
示例1.通过连续直拉法生长的铟掺杂的单晶硅锭
通过连续直拉法生长第一晶锭，其中，在晶体生长启动之前将50克(g)铟掺杂剂引入硅熔体的外熔体区。在铟掺杂剂引入外熔体区之后大约5分钟启动晶体生长。在晶体生长过程中，以每小时约5-10千克(kg)(kg/hr)的速率向外熔体区添加固体多晶硅原料，并且以约3-5g/hr的速率向外熔体区添加铟掺杂剂。晶锭生长至约200mm的直径，并且晶锭的体部(即，晶锭的在籽晶锥体与端部锥体之间的部分)生长至约2600mm的长度。
使用例如ID锯或带锯将晶锭切成具有约2mm厚度的晶片。从距籽晶锥体不同长度处选择晶片进行分析。在晶片的中心和距晶片的边缘6mm处测试晶片的电阻率。在图8中以图表显示这些数据。正方形数据点802和虚线804表示晶片中心处的电阻率测量结果。圆形数据点806和实线808表示在距晶片边缘6mm处取得的电阻率测量结果。
示例2.通过连续直拉方法生长的铟掺杂的单晶硅锭
使用与第一晶锭类似的生长条件通过连续直拉法生长第二铟掺杂的单晶硅锭，但是使用与图4所示的掺杂设备300基本上相似的掺杂设备将铟掺杂剂引入内熔体区。更具体地，将30克铟掺杂剂放置在均通过臂与籽晶夹连接的两个掺杂剂容器中的每一个内。将籽晶夹朝向硅熔体下降，直至掺杂剂容器位于足够靠近熔体表面处，以使得容器内的铟掺杂剂由于来自熔体和晶体生长系统的其它构件的热而熔化。经限定在各掺杂剂容器的底部中的分配孔口将液化的掺杂剂引入内熔体区。在铟掺杂剂被熔化和引入内熔体区之后大约30分钟启动晶体生长。
在晶体生长过程中，以约5-10kg/hr的速率向外熔体区添加固体多晶硅原料，并且以约2-3g/hr的速率向外熔体区添加铟掺杂剂。晶锭生长至约200mm的直径，并且晶锭的体部生长至约2600mm的长度。
使用例如ID锯或带锯将晶锭切成具有约2mm厚度的晶片。从距籽晶锥体不同长度处选择晶片进行分析。在晶片的中心和距晶片的边缘6mm处测试晶片的电阻率。在图9中以图表显示这些数据。正方形数据点902和虚线904表示晶片中心处的电阻率测量结果。圆形数据点906和实线908表示在距晶片边缘6mm处取得的电阻率测量结果。
如图8和9所示，使用掺杂设备例如本文描述的掺杂设备将掺杂剂直接引入内熔体区和启动晶体生长显著减小了高电阻率过渡区域的长度。特别地，第一晶锭具有约250mm的高电阻率过渡区域，而第二晶锭具有约100mm以下的高电阻率过渡区域。高电阻率过渡区域的长度减小代表了晶锭的不可用部分的显著减小，以及因此晶体生长工艺的显著成本节省。
当介绍本发明或本发明的实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个这样的元件。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包含性的，意味着除了所列元件之外可以存在额外的元件。
可以对上述构造和方法进行各种改变而不会脱离本发明的范围，因此，以上说明书中包含的和附图中示出的所有内容应理解为示例性的，而不是限制性的。

Claims (22)

1.一种用于掺杂半导体或太阳能级材料的熔体的设备，所述设备包括：
籽晶夹，所述籽晶夹限定所述设备的第一端；
与所述籽晶夹连接的籽晶，所述籽晶限定所述设备的第二端并且配置为在被放置成与所述熔体相接触时启动晶体生长；和
掺杂剂容器，所述掺杂剂容器与所述籽晶夹连接并且位于所述设备的第一端和第二端之间，所述掺杂剂容器限定用于将掺杂剂保持在其中的储器，所述掺杂剂容器配置成在位于所述熔体附近时将液体掺杂剂分配到所述熔体内，其中所述掺杂剂容器和所述籽晶同时与所述籽晶夹连接。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掺杂剂容器能够重复使用。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掺杂剂容器通过从所述籽晶夹径向向外延伸的臂直接附接至所述籽晶夹。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述臂具有与所述籽晶夹连接的第一端和在所述第一端的远侧的第二端，所述臂包括布置在所述第二端附近并且配置成可释放地保持所述掺杂剂容器的容器支承件。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述臂与所述掺杂剂容器一体地形成。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掺杂剂容器包括底部和从所述底部向上延伸的侧壁，所述底部具有限定在其中的分配孔口。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述容器沿所述籽晶夹的外周与所述籽晶夹连接。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掺杂剂容器是第一掺杂剂容器，所述设备还包括与所述籽晶夹连接的第二掺杂剂容器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述掺杂剂容器包含石英和石墨中的至少一者。
10.一种利用包括根据权利要求1所述的设备的晶体生长系统由半导体或太阳能级材料的熔体生长晶锭的方法，所述方法包括：
向掺杂剂储器添加掺杂剂；
通过将所述设备定位在所述熔体附近来使所述掺杂剂储器中的掺杂剂液化；
将所述掺杂剂引入所述熔体中；
通过使所述熔体与所述籽晶接触来启动晶锭的生长；以及
通过使所述设备远离所述熔体上升来生长晶锭。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述晶体生长系统包括生长室，所述生长室具有设置在其中的用于容纳所述熔体的坩埚，其中，将所述掺杂剂引入所述熔体中和启动所述晶锭的生长是在不从所述生长室移除所述设备的情况下进行的。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括在生长晶锭之后使用掺杂剂再次填充所述掺杂剂容器。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述掺杂剂引入所述熔体中包括经所述掺杂剂容器中的分配孔口将所述掺杂剂引入所述熔体中。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述晶体生长系统包括坩埚和堰体，所述堰体将所述熔体的外熔体区与所述熔体的内熔体区分隔开，其中，引入液体掺杂剂包括将所述液体掺杂剂引入所述内熔体区中。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，向所述掺杂剂储器添加掺杂剂包括向所述掺杂剂储器添加铟、锑和镓中的至少一者。
16.一种用于由半导体或太阳能级材料的熔体生长晶锭的系统，所述系统包括：
用于容纳所述半导体或太阳能级材料的熔体的坩埚；
用于从所述熔体提拉所述晶锭的拉晶器；和
与所述拉晶器连接的掺杂设备，所述掺杂设备包括：
籽晶夹；
与所述籽晶夹连接的籽晶，所述籽晶配置为在被放置成与所述熔体相接触时启动晶体生长；和
与所述籽晶夹连接的掺杂剂容器，所述掺杂剂容器限定用于将掺杂剂保持在其中的储器，其中，所述掺杂设备配置成使掺杂剂液化并且将掺杂剂分配至所述熔体以及利用籽晶启动晶体生长。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述掺杂剂容器能够重复使用。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述籽晶夹限定所述掺杂设备的第一端并且所述籽晶限定所述掺杂设备的第二端，所述掺杂剂容器位于所述掺杂设备的第一端和第二端之间。
19.根据权利要求16所述的系统，还包括生长室，其中，所述坩埚布置在所述生长室内并且所述拉晶器配置成从所述生长室提拉所述晶锭，所述掺杂设备配置成使掺杂剂液化并将所述掺杂剂分配至所述熔体，并且在不从所述生长室移除所述掺杂设备的情况下利用所述籽晶启动晶体生长。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述掺杂剂容器通过从所述籽晶夹径向向外延伸的臂直接附接至所述籽晶夹。
21.根据权利要求16所述的系统，其中，所述掺杂剂容器包括底部和从所述底部向上延伸的侧壁，所述底部具有限定在其中的分配孔口。
22.根据权利要求16所述的系统，其中，所述掺杂剂容器包含石英和石墨中的至少一者。
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WO2020135255A1 (zh) * 2018-12-25 2020-07-02 徐州鑫晶半导体科技有限公司 籽晶、直拉法制备单晶硅的方法和单晶硅

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