CN1494608A - 边缘限定硅膜生长工艺的晶体生长设备与方法 - Google Patents

Abstract

控制将硅粒引入边缘限定硅膜生长工艺(EFG)坩埚/模具单元(20A)内以在晶体生长过程中补充熔体的改进的机械装置。由供料装置(124)通过坩埚/模具单元(20A)的中心套筒(114)向上注入硅粒，由机械装置阻截注入的硅粒并将其导引，使之落入坩埚的选定区域内的熔体中而其注入速度能减少溅射，从而能减小由于在中心套筒(114)与相邻部件上形成硅固体团而中止生长过程的可能性。本发明还包括应用法拉第环(300)来改变流过加热坩埚模具单元(20A)与机械装置的初级和次级感应加热线圈的电流之比。

Description

边缘限定硅膜生长工艺的晶体生长设备与方法

本发明是在DOE转包合同NO.ZAX-8-17647-10下完成的。

发明领域

本发明涉及由边缘限定硅膜生长(EFG，即Edge-defined Film-fed Grown)工艺从熔体生长晶体，具体涉及到对由EFP法生长空心晶体所用设备的改进。

发明背景

EFP法是周知的，例如说明于下述美国专利中4 230 674；4 661324；4 647 437；4 968 380；5 037 622；5 098 229；5 106 763；5 156 978与5 558 712。在这种EFP法中，具有预定剖面形状的晶体是从选定供料的液膜生长于籽晶上的，而所供的料则是通过EFP模具中的一个或多个毛细管利用毛细作用从坩埚中所含熔体输送到此模具的顶端表面。晶体的形状则由模具的顶端表面外部的或边缘构型确定。EFG法主要用于生长多边形的例如“九边形”或“八边形”的空心硅晶体。这种形状的空心晶体在其角隅处细分成许多平基片，用来形成光生伏特太阳能电池。

用EFG法生长空心体的设备的理想形式包括毛细模具/坩埚单元，其具有一中心套筒提供一通道，经此通道可引入硅粒，以在生长过程补充坩埚周围的熔体。在生长硅晶体中，硅粒通常用约2mm粒度的大致球形颗粒。将这种料粒通过中心套筒注入坩埚上方的空间，由此再偏转向下到坩埚内。一般的作法是根据熔体的消耗率周期性地输送粒料，以将坩埚内熔体的高度保持在预定的限度内。

用EFG法生长大型薄壁空心晶体(例如各边或各小面为10cm宽的硅八边形晶体)要求精密地控制热输入，因为这对于将生长界面的温度，也就是在模具的顶端面与籽晶或与籽晶上生长的晶体之间弯液面区的温度，保持到基本上恒定的水平以允许按选定的速率进行生长是必需的。在一般用于生长空心硅晶体的EFG设备中，是由安装有坩埚/模具单元的拉晶炉壳周围的感应加热线圈进行加热。晶体生长中的热控制是通过控制加热功率来实现的，特别是通过采用在它们之间从模具中拉出生长中的晶体的同心内、外后加热器来实现的。这种后加热器事实上是感受器，通过电磁感应加热。此内与外后加热点帮助控制生长中晶体的纵向热梯度，同时也在径向即垂直于拉晶轴线的方向影响模具与坩埚的热梯度。

应用EFG法来成功地生长晶体是复杂的，这是由于在EFG模具的周边以及沿模具与坩埚的径向常有温度改变。模具周边热对称性的变化局部地改变着生长中的晶体的厚度。这类改变使得难以持续进行晶体生长，常常导致在模具与生长中晶体间弯液面断裂。当这种弯液面断裂，晶体生长便中止。

对模具设计的改进减少了模具周围热对称性的改变，这样就改进了生长成的晶体的质量并减少了弯液面的断裂发生率。但是即使在改进了模具的设计下，采用具有中心套筒的坩埚的这种EFG晶体生长设备，由于固体硅在晶体生长中随着生长区中的扰动倾向于附着到或生长在坩埚的中心套筒上，遇到了障碍。在这方面应注意的是，径向上的热梯度使得坩埚的中心套筒常比坩埚外周边要冷。

已经明确了已有的EFG晶体生长设备缺乏适当的装置，以在料粒从中心套筒出来进入坩埚中熔体时来控制这种粒料的路径与速度，结果是(a)这些料粒有时会落入坩埚内导致熔体飞溅，以至液体硅冲击中心套筒的上部，(b)某些固体料粒有时会与中心套筒的上端直接接触。当这种情形发生时，取决于中心套筒的温度，液体硅将固化而硅粒会附着到中心套筒并从其上向外生长，最终会形成蘑菇形的固定料团，料粒团大到足以干扰熔体的补充。在中心套筒区附近的这种固化还会影响到生长的晶体的均匀性以及使生长中断。温度的波动会使蘑菇形件裂成许多细片而落入熔体中，导致坩埚过满而从模具溢流出。

在本发明之前，通常用到的加热器装置包括与适当的中频电源串联的同轴的初级与次级感应加热线圈，初级线圈有三匝，而次级线圈有一匝且位于初级线圈上方并与之分开。这种加热器装置还包括与初级线圈并联的饱和扼流圈，用来控制流过这两个线圈的电流的比例。此饱和扼流圈可调节两者电流的比例。由此可沿拉晶炉轴线改进温度的分布。但这种饱和扼流圈则受到价高、噪声与电气效率低的不利影响。

发明内容

本发明的基本目的在于提供一种改进的供料分配器/EFG坩埚/模具单元装置，它能在硅粒于重力作用下从中央供料管运动到坩埚时控制硅粒的路径。

本发明的另一基本目的在于提供一种改进的装置以控制加热EFG晶体生长炉所用的电磁能量场。

本发明的又一目的在于给EFG晶体生长设备提供一种新颖设计的料粒输送分布器，以对将硅粒输送入含熔体的坩埚进行控制，从而消除或显著减少在坩埚中心套筒上发生晶体生长。

本发明的另一目的在于为生长空心晶体的EFG晶体生长设备提供一种组合式的料粒分配器/内后加热器单元，它能充分防止EFG模具中心区附近的熔融料发生有害的固化或使之最小。

本发明的又另一目的在于提供将硅粒输送入EFG晶体生产设备的坩埚中一种改进方法。

本发明的再一目的在于提供一种改进方法以控制用来加热EFG晶体生长设备的一对感应加热线圈的电流流动。

本发明的又再一目的在于避免硅固化到与EFG模具关联的部件上，由此可防止晶体生长过程过早地终止。

本发明又再另一目的在于提供由熔体池来生长管状晶体的改进方法。

本发明的所述目的以及其他目的是通过改进与EFG坩埚/毛细模具单元相关的粒料分配器/内后加热器结构而实现的。所述系统的有代表性的设备公开于美国专利No.4661324、4968380、5037622与5098229中，它们提供了料粒分配与流量控制装置，其可使硅粒与溅射的熔融硅不太可能接触或附着到坩埚中心套筒的较冷部分上而作为晶核或晶格因熔体中熔融硅的固化导致进一步的增长，由此可免中断生长过程和/或产生劣质的管状晶体。通过采用法拉第环调节此初级与次级感应加热线圈提供的功率比，改进了加热速率的控制。

本发明的其他目的与特点列述或描述于以下结合附图一起考虑的详细说明中。

附图说明

为了能更全面地理解本发明的性质与目的，应参考下面结合附图所作的详细说明，附图中：

图1是包括有在本发明之前所用那种硅供料分配器单元的EFG晶体生长炉的部分轴向剖面前视图；

图2与图1类似，示出具有体现本发明的改进的硅供料分配器的晶体生长炉；

图3A是相对于EFG坩埚/模具系统改进了的加供料分配器下部的放大的分解图；

图3B是此改进了的供料分配器上部的放大分解图；

图4是此改进了的供料分配器中排料孔部分的放大剖面图；

图5A与5B是示明本发明另一实施例的放大的局部剖面图；

以上附图中以相同的标号表明相同的部件。

具体实施方式

图1示明生长空心硅晶体的在本发明之前所用EFG晶体生长设备的优选形式。这种先有技术设备包括：根据美国专利No.5 037 622的原理制备且安装在具有炉壳24的拉晶炉(为了简明只给出了它的一部分)中的坩埚/毛细模具单元20；以及围绕炉壳24的加热线圈26。坩埚/模具单元20由石墨制成，包括矮型的敞口坩埚，此坩埚具有竖立的外侧壁32、底壁34与形成环形套筒的环形内侧壁36。外侧壁32、底壁34与内侧壁36在一起界定出一可内含熔体38的环形空间。尽管于图1中未能看见，但外壁32包括一毛细模具部，此模具部的结构与前述美国专利No.5 037 622中以图3～7中所示的基本相同，这里将该项专利的内容通过引用包括进来。图1中的设备还包括一热感受器40，它直接位于下方且用作坩埚/毛细模具单元20的支承件。尽管图中未予示明。但应认识到在炉壳24中安装有用来支承感受器40和坩埚/模具单元20的底座。感受器40由石墨或其他合适材料制成，由加热线圈26产生的感应电磁能加热。感受器40将它的热传输给坩埚模具单元20以使坩埚中的硅保持为熔融态。

模具/坩埚单元20的中央套筒36确定出一中心孔46，这是一种埋头孔而形成有肩部44。感受器40在其上侧有一与其中心孔46同心的环形突起或套筒50。套筒50伸入套筒36内且与之形成紧配合而以肩44重叠到感受器套筒50上。在坩埚/模具单元的下侧和感受器的上侧的孔中设有一或多个石墨定位销52，用来使这些部件相互相对地适当取向。在此应注意到，在生长多边形横剖面构型的空心晶体中，所述感受器如模具则一般与所述横剖面构型一致。

感受器的中心孔46充填以环绕着供料管54的多个石墨绝缘垫53。此供料管54连接到一于图中56处示意表明的熔体补充系统，它可用来将硅供应原料的固体粒料全部送入坩埚上方的区域内，而这些粒料便从该区域落入熔体38中。

在坩埚/模具单元20的中心套筒上安装着石英或石墨制的支座环60，而覆盖着感受器的套筒50与石墨绝缘垫的则是一个于其内边缘处有环形套筒64的环形石墨板或盘62。具有锥形上表面68的硅供料导向器或伞形件66于其外边缘附近由环60支承。供料导向器66也是由石墨制成，具有一容纳供料管54顶端的中心孔和设于环形石墨板62的套筒64之上的悬垂的管延伸部70。导向器66起到类似伞的作用，即阻截落下的硅粒，然后使之沿其上部的斜面68下滑而后流入坩埚内。导向器66将落下的粒料导入坩埚的熔体38中。

图1的设备还包括一包围供料导向器66的帽形件72。帽形件72包括侧壁74、顶壁76以及在侧壁底边缘处的周边凸缘78。帽形件72与凸缘78由石墨制成，凸缘78设于多个安装于坩埚/模具单元的底壁34中盲孔内的多个支座销80上。帽形件72备有可更换的石墨插件82，此插件起到经供料管54输送的硅粒的偏转器的作用。

帽形件有三个功能。它起到增压室的作用，包含并分配用来将硅粒向上输送给供料管54的气体。此气体通过各支座销80之间同时通过凸缘78与坩埚/模具单元20之间，进入生长中的空心晶体88内的空隙。在此应知，在生长具有预定多边形横剖面构型的空心晶体中，帽形件(如同感受器与模具)的横剖面大致与预定的横剖面构型一致。第三个功能主要是由石墨插件的偏转器82产生，即将硅粒偏转向下落到供料导向器66上，由此使粒料能够沿锥面滚下或落下到坩埚内以补充其中的熔体。

第二外后加热器90如同所述美国专利No.5 037 622中所述的，环绕生长的晶体88的底端，并与内后加热器72协同工作，以控制正在生长界面上方区域中晶体的温度。外后加热器是由石墨制成，并由多个安装于坩埚外侧壁32的上端中盲孔内的石墨支座销支承。

图1中的设备还包括概示于94处的籽晶保持器，用于保持于其上生长晶体88的籽晶(未图示)。此籽晶是取先生长成的晶体的一短段的形式，以简化生长过程的起始步骤。籽晶保持器94装附于拉晶体机构96上，后者可使籽晶保持器94沿轴向相对毛细模具/坩埚单元20移近与移开。籽晶保持器94有许多将气体从增压室排出的通风孔(未图示)。

应用图1所示的设备来生产硅的空心晶体例如八面体的硅晶体是很简单的。按前述美国专利No.5 037 622所述的方式开始并继续晶体的生长，从熔体补充系统56通过供料管54由喷射惰性气体注入硅粒。需要以充分大的速度来注入硅粒来确保其进入部件66与72之间的空隙。通常，这种料粒是以速度约1m/sec的气流注入。从管54排出的料粒是装盛于起到增压室作用的石墨件72中。排出的硅粒碰撞到偏转器82而朝下返向伞形供料导向器66。绝大部分料粒将直接落到表面68上，然后由此表面下滑而落入熔体38内。其他的料粒则可能从表面68飞溅而在落入熔体前与部件72的顶壁76作实际的接触或接近接触。结果，落入坩埚内的料粒会导致熔体38溅射，而某些溅射的液体硅就可能接触到并固化于坩埚中心套筒36的上端。此外，某些飞溅的料粒则可能与中心套筒直接接触而附着于其上，随着更多的硅粒经供料管54送入坩埚内，于套筒36上端上固化的硅趋向朝外生长而形成所述蘑菇状的固体件。这种蘑菇形件甚至会向外生长得远到可以触摸的程度且附着到伞形导向器66的周边部分，在这种情况下，将在生长界面处造成周边温度分布的严重不匀，并将生长得大到足以阻止任何显著量的硅落入坩埚内，由于减少了对坩埚中熔体38的供应而过早地中止了晶体生长。还观察到偶尔有大量的硅从此蘑菇形件断裂开而落入熔体内，导致坩埚过满而溢流，这常常导致生长结束。即使是不会有这种过早地结束生长，生长界面处的不均匀温度分布也会导致壁厚的有害的增大，结果就降低了能从长成的空心晶体上切下合格硅晶片的总成品率。

图2示明的拉晶炉包括有体现本发明的料粒分布器/后加热器结构的改进形式，这样的拉晶炉能理想地用来生长直径约20英寸的空心圆柱薄壁硅晶体。图2所示的设备包括的石英炉壳100，其底端被底座102封闭。底座102支承的空心支座104载承着支承板106。支座104则经由若干石墨支座销110支承石墨感受器。感受器108与支承板106分开而它们的中介空间内则充填以多层石墨垫用作隔热件(为简明起见，这若干层石墨垫于图2中以单件形式表示)。支承于感受器108上的坩埚/模具组件20A与图1所示的坩埚单元20类似，是由石墨并依据美国专利No.5 037 621的制备，只是其构型是用来生长圆柱形的而非多面体的晶体。这里已将该专利的内容通过引用包括进来。感受器108具有环绕坩埚/模具单元20A的竖立的凸缘或套筒114。还有另设的石墨隔热件122环绕感受器108与坩埚/模具单元20A。

炉子底板102有一为石墨供料管124通过的中心孔。此供料管延伸通过石墨制的经支承板106中的孔突出的下部支承管126。支承管126的上端承载着叠置于坩埚/模具单元20A内部上的石墨防辐射罩130。

安装于支承管126内且围绕供料管124的是上支承管134。下支承管126的上端有一加大内径的孔来接纳上支承管134。如图1所示，管134设于管126的内表面上形成的肩136上。管134的上端伸入到石墨制的锥形供料导向器138内并对其支承(图2与3A)。导向器138的中央有一为供料管124上端占据的轴向孔140。锥形导向器138的底侧有凸缘部142且为共同起到热屏作用的石墨板144、145封闭。此锥形导向器138的上表面139最好以与水平面成25～40°的角度延伸，这样足以保证落于其上的料粒向下滚落到锥形件138的底边缘。但也可采用较所述为大或小的角度。如图4清楚地表明，锥形件138的底边缘终止于圆柱形的外边缘面146。

叠置于此锥形件138上的是一在顶端具有圆柱形管状套筒150的锥形石墨制料粒偏转器148。如图3B清楚地表明，上锥形件即偏转器148的下侧表面或底面149是平的，以同于下锥形件132上表面139的角度伸展开。锥形件148的上表面151形成有一系列同心的沿圆周延伸的沟152。沟152的剖面呈L形，可由图3B中看清，而其大小可以接纳平的环形石墨板154形式的档板。在此共有六个外径尺寸一致的这样的板154A～154F。这些板的内径依板154A～154 F的顺序渐次加大，板的内边缘155则叠置于上锥形件148的沟152中。

返回参看图2与3B，锥形件148具有周边肋件158，其用作肩部以支承石墨制的圆柱形内后加热器160，后者围绕并接近板154A～154F的外边缘，而其上端边缘设于顶板164的沟162内。顶板164有一大小可容纳石墨螺塞168的中心孔166。螺塞168拧入锥形件148的套筒150内，所述套筒有内螺纹如图3B中170处所示。螺塞168与套筒150相接合，以将圆柱形的内后加热器160保持到锥形件148上形成一整体结构。

再行参考图2与3A，料粒偏转器148是由多个石墨支座销174支承，这些销穿过锥形件138中的孔以及板144、145与罩130上的另外的与之准直的孔，而接纳到感受器108的套筒114的盲孔中。这些支座销174环绕感受器108的套筒部114，而其所具长度例如可在上锥形件148的底表面149和下锥形件138的平行的上表面139之间形成一窄的间隙。此间隙最好但不一定要在0.12～0.20英寸之间。

下面参看图3B与4，上锥形件148于其底端形成有反向或内翻的唇180。唇180最好具有与柱形内边缘面182接合的倾斜(锥形)上表面181，借此使表面139与149之间的间隙于倾斜表面181区域中的底端处增大而于上锥形件148内边缘表面182的区域中减小。

所示的设备还包括石墨外后加热器190(图2与3A)。它环绕内后加热器160并与之分开，外后加热器190由多个穿过前述坩埚/模具单元中的孔的石墨支座销192支承，并由感受器108支承。外后加热器190与内后加热器160界定一环形轴向延伸的槽，通过此槽可以生长管状晶体200并将其从坩埚/模具单元20A拉出。外后加热器190最好围以石墨垫形式的隔热介质210。所示的设备还包括装附到拉晶体机构206上的石墨籽晶座204。籽晶座204保持籽晶，在籽晶之上生长晶体200。按照通常的方法，籽晶一般是先前生长的具有相同剖面构型的管状晶体的一部分。此籽晶座设有通风孔208以从生长中的晶体内排出气体，避免蓄集压力而有害于生长过程。

供料管124穿过固定于底座102上的盖210并同一熔体补充系统212偶联，此系统用来根据指令注入硅粒以将坩埚内熔体的高度保持于预定限度内。适用的熔体补充系统描述于以下的美国专利中：No.4968380(授予G.M.Freedman等)；5085728(授予B.H.Mackintosh等)；5098229(授予F.V.Meier等)。

在所述结构中，板154A～F与盖板164用来沿着内后加热器160的全长平行于拉晶轴线，促进形成近似恒定的温度梯度。此外，前述两个锥形件138与148对从熔体补充系统通过供料管124引入的硅粒起到分配器的作用。锥形件148用作料粒偏转器而锥形件138则用作粒料导向器，它们相配合工作便将硅粒流引入到坩埚内。这些料粒是以很大的速度通过供料管124注入的，它们碰撞到螺塞168上，向下偏转进入表面139和149之间的锥形空隙，再沿此锥形空隙落下而碰撞到肋180的斜面181上。这些料粒趋向于斜面飞溅离开181，使某些料粒冲击内锥形件138的外边缘表面而另一些则趋向于通过表面146与表面182间的间隙直接下落。实际上，斜面181是阻碍料粒的下落的，使它们此后减速地落入坩埚内。再来参看图2，锥形件138与148所取的尺寸使得由唇180的表面与下部锥形件138的相邻表面146所形成的排料孔基本上位于包含熔体的坩埚部分的内、外径之间的中心处。这样就保证了落入熔体内的料粒不会碰撞坩埚的中心套筒。此外，通过与唇180接合而导致的减速保证了料粒几乎不会或完全不会导致熔体溅射。由于所述结构，便消除了或显著减少了所述形成蘑菇形件的问题。

应知道料粒落入熔体内的速度乃是表面139与149的角度的函数，而使这些表面以较小的角度展开将有助于减小料粒落入坩埚内的速度。据此可以认为能将唇180省掉，例如下面的另一实施例所述。

图5A与5B示明了本发明的一种改型，及适合用于生长多边形例如“八边形”横剖面的空心晶体。图5A与5B分别示明此改型一般结构的下部与上部。这里应注意到图5A与5B组成的是局部图。炉壳、坩埚与感受器的外后加热器与外部等都已略去。但要认识到，图5的实施例是结合图2所示的炉子应用的。

图5A与5B所示的设备包括支承坩埚/模具单元20A的感受器108。坩埚/模具单元20A的毛细模具部分，还最好是此单元的坩埚部分的外壁，以及外后加热器(未图示)应成形为在平面图中与进行生长的空心晶体的多边形横剖面构型一致。在这种情形下，坩埚的中心套筒36具有覆盖到感受器套筒114上的内部唇或凸缘230，唇或凸缘安装到下部支承管126A之上且围绕它的石墨隔件232所分开。此下部支承管126A围绕并支承一用作供料管导向器的上部支承管134A。于坩埚中心套筒36上设有一石墨支座环236。而于此支座环236上则设有一石墨制的锥状料粒导向器240，它用作一伞形件且在功能上等同于锥形件138。导向件240的上表面242基本上平坦，以选定的角度相对水平面倾斜，以提供横剖面呈锥形的轮廓。在此种情形下，所示的表面242是以比图2中相应锥形件的表面139较小的角度伸展。表面242与外边缘表面244接合。外边缘表面244是柱形而上表面242是锥面。导向件240具有一埋头孔式的中心孔来接纳上部支承管134A的上端。供料管124的上端通过管134A延伸到上表面242的顶端。

图5A与5B所示的设备还包括一锥形料粒偏转器250，它的功能与图2中的锥形件148相当。料粒偏转器250具有一带顶部凸缘253的中央螺孔252。螺孔252中设有塞254。偏转件250还有一垂悬的侧边缘壁258。壁258于平面图中呈圆形构型而其内表面260平行于供料管124延伸。上锥形件即料粒偏转件250的内(底侧)锥形表面262是平的，按与下锥形件240的上表面242大致相同的角度伸展。侧壁258底端有一周边凸缘268，用作环形板270的支承件。板270支承一与侧壁258具有相同多边形剖面形状的石墨内后加热器272。虽然在图中并未示明，但此内后加热器272最好由多块平的石墨板组成，在待生长的多边形晶体的各边各配置一块，且以这些石墨板设定于环形板270的沟槽中，如图所示。

偏转器250上形成有连续的圆形凸台274，此凸台有螺孔用以接纳螺纹连杆276，后者用来连接用于确保获得平行于后加热器272轴线的热梯度的多块平的石墨板278。连杆276上的分隔管282用于保持相邻板278之间的选定间距。顶板284上有沟槽以同构成外后加热器272的板的上端联锁。连杆276的上端上的螺帽286用来将一支承板285压到顶板284上。由此促致板278、后加热器272与板270锁定到偏转器250之上而形成单元结构。此结构则由接纳于板270和坩埚/模具单元20A中盲孔内的多个支座销288支承。各个销288所具的长度能将板270保持成与坩埚/模具单元极其接近，如图所示，但使表面242与262之间的空隙大到足以让料粒沿表面242自由流下而又小到足以控制料粒在被塞254偏转时的轨道。

在所述装置中，通过供料管124引入的料粒碰撞到偏转塞254，被塞254偏转而落入两部件240与250之间形成的间隙290内。这些料粒沿间隙290向下进入表面244与260之间的环形空隙内。料粒随着沿间隙290下行而沿表面260的高度在垂向分隔开的不同点上撞击表面260。其中某些料粒从表面260飞溅向表面244，而另一些料粒则从表面260直接进入熔体内。表面244与260之间形成的排料孔定位成能在坩埚的模具部分与坩埚中心套筒36之间的一处排出料粒。结果，落入熔体内的硅粒便不会与中心套筒接触。还由于料粒因碰撞表面260和244而使其速度受阻，常能于落入熔体内时不造成任何实质的干扰或溅射，从而避免了变冷的中心套筒36的较高部分处堆聚液体硅。

再来参看图2，本发明的另一个方面涉及到与此晶体生长设备有关的感应加热装置。图2概示了环绕炉壳的两个加热线圈296与298，线圈296有两匝而线圈298只有一匝，但表征各个线圈的匝数可以改变。机械装置(未图示)支承线圈296与298同炉壳成同心关系。线圈296最好设置成处于感受器108的高度，从而将其大部分能量传递到感受器，感受器再将热提供给坩埚。线圈298最好被设置成其围绕外后加热器190的底端，而由此将热传给两个后加热器。设于线圈298上方相对于炉壳成环绕关系的是法拉第环300。用机械装置(未图示)支承法拉第环使之能相对线圈298垂直地移近或移开。尽管图中未予示明，线圈296与298是与适当的电源串联，使之能通电来对其所围绕的部件感应加热。法拉第环也称作“短路线匝”或“短路环”，它与次级加热线圈298的磁场相互作用，使它能提供改变和反抗励磁线圈298所产生的磁场的磁场。将环300移近线圈298会增加此反磁场。改变线圈298的磁场可影响流入此线圈的电流与流入线圈296的电流之比。由所述反磁场所得的净效应是它减少了线圈298的有效热输出，从而改进了它的热输入对线圈296的热输出之比。在实际作业中是将法拉第环的位置调节到操作者认为对坩埚和外后加热器的热输入能使生长过程最优化的满意程度为止。

以上所述的设备改进的好处是消除或显著地减少了前述产生“蘑菇形物问题”，同时还提供了控制两个相邻加热线圈热效应的优越方法。另一个优点是，将这种改进的料粒分配器/内后加热器结构安装到图1所示的晶体生长设备中并不要求对这种设备或对所述生长空心晶体的方法作任何重大改变。在此应注意到，本发明保持了前述美国专利No.5037622中公开和要求专利权的该发明中的所有优点，同时提供了给坩埚输送粒料的更好装置。

在不脱离这里涉及到的本发明的范围的条件下是可以对所述装置作出某些变更与改进的。例如此毛细坩埚/模具单元的上端表面可以设计成来生产具有圆形、椭圆形、三角形、矩形或其他剖面构型的空心晶体。此外，附图中所示结构的不同部分的相对尺寸可以改变。例如可以改变偏转器与导向器的相对面的角度来调节料粒排入熔体内的速度，以及按照生长不同尺寸空心晶体的要求适应坩埚/模具单元尺寸的改变。

在不背离本发明的原理下，还可以对坩埚/模具单元的设计作出其他一些改变。例如此坩埚与EFG模具可以形成为两个分开的和不同的部件，它们相互组合成在功能上与附图中所示整体式坩埚/模具单元20A等效的装置。此外，图5A与5B的料粒分配器/内后加热器结构可加以改进用来生长大型圆柱形晶体，而图2～4中的相应结构则可改进用来生长八边形晶体或具有其他多边形的或其他剖面构型的其他晶体。此时应知导向件240的表面244与偏转件250的垂悬壁258则可以成形为在平面图中呈多边形的，例如在生长八边形剖面的空心晶体时为呈八边形。尽管本发明是针对用于生长管状硅晶体的改进设备与方法，但本领域技术人员知道本发明也可用来生长涉及到EFG方法与设备的其他授权的专利中所述的其他晶体材料的成形晶体。在生长不同于硅的材料的晶体时，EFG生长区中的某些部件例如坩埚/模具单元、后加热器、防热辐射屏等等可能需用不同于石墨的材料制成，以便获得具有合适组成、纯度与强度的晶体。

本领域技术人员显然还可知道其他可能有的改型。为此应认为如上所述和附图所示的全部内容只应视之为解释性的而非限制意义的。

Claims (28)

1.用边缘限定硅膜生长(EFG)工艺生长选定材料的管状晶体的设备，该设备包括：

坩埚/模具单元，它包括具有底壁、外侧壁与限定一中心孔的内侧壁的坩埚，所述底壁与侧壁一起限定出用来容纳所述选定材料的液体源内部空间，还包括用于由所述液体源来生长成型晶体的毛细模具；

支承所述坩埚的感受器，该感受器具有与所述中心孔对准的孔；

供料分配器/内后加热器单元，它位于所述坩埚上方，且包括供料导向器、供料偏转器与管状内后加热器；

所述供料导向器包括具有中心孔和围绕所述中心孔的倾斜上表面的导向件，所述导向件安装于所述坩埚上方并与之分开，且定向成使所述倾斜上表面的半径随着与所述坩埚距离的增大而减小；

所述供料偏转器则安装于所述供料导向器的上方，且包括一具有与所述导向器的倾斜上表面共轴且面对的倾斜下表面，所述倾斜下表面与倾斜上表面近距离地分开而在其间形成一倾斜的间隙，在所述倾斜下表面中心的偏转器装置定位成拦截通过所述导向件的中心孔引入的供给料粒并使之偏转进入所述间隙；

所述管形内后加热器在所述坩埚上方，同所述毛细模具同轴且围绕所述供料导向器与供料偏转器；以及

通过所述坩埚的中心孔、所述感受器的中心孔以及所述导向件的中心孔的供料管，用以从料粒供应器接收所供料粒并将所述料粒排送到所述偏转装置，使所供料粒碰撞所述偏转装置并被其偏转而进入所述间隙内；

所述导向件与偏转件为所述坩埚上方的所述间隙限定出环形的排料孔，所述排料孔处于靠近所述坩埚上端的位置且位于所述坩埚的内、外侧壁之间。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述供料偏转器由所述供料导向器支承。

3.  如权利要求1所述的设备，其中所述供料偏转器由所述坩埚支承。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述内后加热器与所述供料偏转器连接并被所述供料偏转器支承。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述偏转件具有倾斜的上表面，还包括由所述偏转件的倾斜上表面支承的多个相互分开的阻挡件。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述阻挡件是板件且设于所述偏转件的倾斜上表面的沟槽内。

7.如权利要求5所述的设备，其中所述管状内后加热器围绕所述阻档件。

8.如权利要求5所述的设备，其中所述供料偏转件具有与所述中心孔共轴线的管状套筒，还包括一带中心孔的端板，端板叠置并接合到所述供料偏转件的管状套筒以及所述内后加热器的上端，而所述偏转装置是一固定于所述供料偏转器的所述管状套筒内的塞且用来将所述端板固定到所述管状套筒。

9.如权利要求1所述的设备，还包括安装于所述偏转件上方且被所述内后加热器围绕的多个相互分开的阻挡件。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述偏转件具有周边凸缘，所述内后加热器设置在所述凸缘上并由该凸缘支撑。

11.如权利要求1所述的设备，其中所述偏转件具有中心孔，而所述偏转装置包括安装于所述偏转件的所述中心孔内的塞件。

12.如权利要求1所述的设备，其中所述导向件的所述上倾斜表面具有底端，所述导向件有一与所述上倾斜表面的底端连接的沿周边延伸的外边缘表面，所述外边缘表面还基本上平行于所述导向件的纵轴线延伸，此外，所述下倾斜表面有一底端，而所述偏转件具有一接连所述下倾斜表面的所述底端的沿周边延伸的内边缘表面，所述内边缘表面面对所述外边缘表面并与之协同工作以为所述倾斜间隙确定一沿周边延伸的排料孔。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述内边缘表面平行于所述外边缘表面延伸。

14.如权利要求12所述的设备，其中所述内边缘表面以一倾斜角度相对所述外边缘表面，使所述排料孔的径向尺寸随着与所述倾斜锥形表面距离的加大而减小。

15.如权利要求1所述的设备，还包括与所述供料导向件结合并将其支承的支承管。

16.如权利要求15所述的设备，其中所述供料管穿过所述支承管延伸。

17.用于利用边缘限定硅膜生长工艺生长选定材料的管状晶体的设备，该设备包括：

炉壳；

位于所述炉壳内的热感受器，所述热感受器内具有一通孔；

由所述热感受器支承于所述炉壳内的坩埚/毛细模具单元，所述单元具有底壁、外侧壁、限定出一与所述感受器通孔对准的中央孔的内侧壁以及围绕所述中央孔用来容纳所述选定材料的液体源的坩埚以及一毛细模具，该毛细模具有稍部，用来支承由所述坩埚中所含熔体提供的液/固生长界面并用来控制所生长的晶体的剖面构型；

向上通过所述感受器通孔和所述中央孔延伸的供料管，用来将携带有所述选定材料的固体粒子的气流注入所述坩埚/模具单元上方的空间内；

位于所述供料管上端上方的料粒偏转器，它定位成阻截所述选定材料的固体粒子并将其向下偏转向所述坩埚；以及

以环绕所述供料管上端被支承的料粒导向器，所述料粒导向器的形状与位置被设置成能阻截被所述偏转件偏转向下的固体料粒并将其导引到坩埚内，由此可补充所述坩埚内的所述选定材料的熔体；

所述料粒偏转器与料粒导向器具有面对且相互分开的锥形表面，在它们之间限定出环形间隙，所述间隙的上端定位成可接收被所述偏转件偏转的料粒而其底端则定位成可将所述料粒排放到所述坩埚内位于所述坩埚的内外侧壁间的区域中。

18.如权利要求17所述的设备，其中所述料粒导向器是由与所述坩埚或感受器接合的支座销支承。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述料粒偏转器包括一锥形件，该锥形件的特征体现为所述锥形面之一，还包括由所述锥形件支承的管状内后加热器。

20.如权利要求19所述的设备，其中所述内后加热器与所述锥形件的周边部分接合。

21.如权利要求19所述的设备，还包括多个平行且相互分开的导热板形式的阻挡件，所述板横向延伸到所述后加热器并被所述后加热器围绕。

22.如权利要求19所述的设备，其中所述的板由连杆锁定到所述锥形件上。

23.用于利用边缘限定硅膜生长工艺生长选定材料的管状晶体的设备，所述设备包括：

炉壳；

坩埚/毛细模具单元，它位于所述炉壳内，并包括用来容纳选定材料的熔体，所述坩埚是环形的从而限定出一中心孔，以及与所述坩埚内部连通以支承所述选定材料的膜的EFG毛细模具，所述选定材料用于生长所述空心管状晶体并用于确定所述晶体的剖面构型；

生长装置，它包括(1)用来支承籽晶的籽晶座，所述晶体生长在籽晶上，以及(2)用来将所述管状晶体和籽晶座从所述坩埚拉出的提拉机构；

热感受器，它将所述坩埚支承于所述炉壳内；

电加热装置，它包括：初级与次级感应加热线圈，使初级线圈围绕所述炉壳且定位成可感应加热所述感受器，而次级线圈定位成可对生长的管状晶体提供感应加热；法拉第环，它围绕所述炉壳且邻近所述次级加热线圈，所述法拉第环可沿所述炉壳的纵向移近或离开所述次级线圈，从而可改变所述次级线圈的磁场而得以改变流过所述初级线圈与次级线圈的电流之比。

24.如权利要求23所述的设备，其中所述次级加热线圈是单匝线圈。

25.如权利要求23所述的设备，还包括设于所述炉壳内的外后加热器与内后加热器，它们之间具有一间隙，通过该间隙拉出所述管状晶体，此外所述次级线圈定位成围绕所述外后加热器并为之提供感应加热。

26.用于利用边缘限定硅膜生长工艺生长选定材料的管状晶体的设备，所述设备包括：

坩埚，其用于容纳所述选定材料的熔体，所述坩埚为环形，从而限定出一中心孔；

生长装置，其用于由所述熔体生长出所述选定材料的管状晶体，所述生长装置包括(1)与所述坩埚内部连通用于确定将要生长的管状晶体的剖面构型的毛细模具，(2)用于支承籽晶的籽晶座，所述晶体生长在籽晶上，以及(3)用于从所述模具提拉出所述管状晶体和所述籽晶座的提拉机构；

支承所述坩埚的热感受器，所述热感受器具有一与所述中心孔对准的通孔；

电气装置，用于加热所述感受器；

供料管，用于将所述选定材料的固体料粒注入所述坩埚上方的空间内，所述管穿过所述通孔与中心孔延伸并使管的上端终止于所述坩埚上方；

偏转器，其位于所述管的上端上方，定位成阻截所述料粒并使之偏转向下朝向所述坩埚；

导向器，其围绕所述供料管在所述偏转器下方，定位成阻截从所述偏转器落下的所述选定材料的料粒；

所述偏转器与导向器包括相互面对的锥形表面，所述表面一起确定出一倾斜通道以及排料孔，用来将所述料粒导入所述坩埚内。

27.将硅粒引入顶部敞口的坩埚内的方法，所述坩埚具有用于容纳液体硅的室，该室由外壁、限定出中心孔的环形内壁以及在所述外壁与内壁间延伸的底壁确定，所述方法包括：将硅粒朝上通过所述中心孔注入所述坩埚上方的空间内；阻截所述注入的硅粒并将其导入在一对相邻表面间形成的倾斜通道，所述一对相邻表面在所述内外坩埚壁之间在所述室正上方形成垂直排料孔；并且，在改变流道角度后将所述硅粒从所述通道经所述排料孔排出，使得所述硅粒经所述排料孔垂直地落入所述室中。

28.确定由两个与电源串联的环绕感应线圈在晶体生长炉内产生感应热之比的方法，所述方法包括下述步骤：围绕所述炉壳邻近所述线圈之一布置法拉第环，以改变所述一个线圈产生的磁场，从而改变流过所述线圈的电流之比。

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