TW201321564A - 用於加熱供半導體材料之生長用之爐具的技術 - Google Patents

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Abstract

一種用於結晶半導體材料之生長的多鑄錠爐具有一或更多加熱裝置用於加熱一熱區，該熱區容納含有半導體材料的數個坩堝。該等加熱裝置中之至少一個經配置成可施加預定微分熱通量分布於在一或更多該等坩堝中之半導體材料的水平橫截面，該預定微分熱通量分布的選擇係依賴於該一或更多坩堝在陣列中的位置。以此方式，該加熱裝置可至少部份補償半導體材料上由它在爐具中之幾何位置造成的溫差。這可減少結晶半導體材料在生長期間產生缺陷(例如，差排)的可能性。也揭示相關的方法。

Description

用於加熱供半導體材料之生長用之爐具的技術 發明領域
本發明係有關於供結晶半導體材料之生長用的多鑄錠爐具(multi-ingot furnace)，以及該爐具的方法。
發明背景
在目前世界量產構成太陽能面板的光電轉換元件(photovoltaic element)中，大部份是基於由鑄錠切成的多晶矽晶圓，鑄錠是在電氣加熱爐具中用基於布里奇曼或垂直梯度凝結(VGF)法的定向凝固法(DS)鑄成。所用坩堝常由矽膠SiO2製成，以及爐具有在坩堝上、下及/或兩旁的加熱裝置以在定向凝固期間提供熱供熱取出的熔解及控制用。該方法可摘要如下。
由製成SiO2的坩堝，有從上面打開的蓋子，其內部有含氮化矽塗層，且填入矽給料至預定高度。然後，將坩堝放在爐具處理室的地板上。接下來，沿著坩堝外壁貼上石墨板的周邊支撐結構以在SiO2坩堝溫度升高而下垂時提供機械支撐。然後關上該爐具隔室，抽空以及在加熱元件使用期間供給惰性清洗氣體(inert purge gas)以便造成矽給料熔解/凝固。當矽熔解時，調整加熱以得到定向凝固。常為氬的惰性清洗氣體沖洗矽的表面以防止氣體污染以及至少只要在矽處於液相時有效地移除一氧化矽氣體。
這些方法的主要挑戰之一是在整個定向凝固製程期間 維持平坦或有點凸出的凝固前緣(solidification front)(由固相至熔體垂直視之)。這被視為對於最小化諸如差排之類的缺陷是很重要的。此類缺陷對於為此目的而形成之晶體的適合性有不利影響。例如，如果被定向凝固的材料為將被加工成太陽能電池的矽，諸如差排之類的缺陷可能導致最終太陽能電池的效率劣化。
因此，由於平坦結晶輪廓要求的結果，必須保證垂直於材料凝固之水平面上的溫度為常數。不過，對於尺寸相對大的生產爐具，這不容易達成，因為有不均勻的熱分布，這與通過爐具側面的熱損失有關。
在簡單的一鑄錠爐具中，配置於坩堝上方之加熱裝置的習知設計經常是由兩條平行傳導軌道(conductor rail)組成，其係用在其間延伸而且與軌道垂直的電阻加熱元件連接。使電通過加熱元件可產生熱。儘管此設計有製造簡單及成本方面的效益，初始由加熱裝置產生的均勻垂直熱通量(heat flux)由於側面冷卻效應在爐具旁劣化，因此，淨效果不是想要的平坦形狀的結晶輪廓而是扭曲的。以此方式，熱通量的不均勻性有害於製成結晶材料的品質。
此外，在企圖按比例增加矽晶圓的生產時，這些困難會增加。生產製程的縮放對於降低矽晶圓成本而不犧牲品質很重要。相較於一鑄錠爐具，每次生產數個鑄錠的多鑄錠爐具為深具吸引力的經濟方案。事實上，鑄錠愈小則愈容易控制結晶參數以及各個鑄錠內的材料均勻性，後者使得晶圓有優異的最終品質。但是儘管有與品質有關的顯著 效益，生產尺寸較小的多個鑄錠而不是一個大鑄錠構成在爐具中組織正確熱通量的重大挑戰。特別是，鑄錠在爐具內的不同位置在熱方面不等價，因為上述側面冷卻效應對於它們的影響不同。這導致熱通量在每個鑄錠上有內在不對稱性。
例如，考量鑄錠排成2X2陣列的四鑄錠爐具。每個鑄錠有兩邊向內(亦即，面向另一鑄錠)以及其他兩邊向外(亦即，面向爐具的側面)。單一鑄錠爐具在鑄錠中心點四周至少保持垂直熱通量的對稱性，然而這對於多鑄錠爐具中的鑄錠不再成立。側面熱損失造成每個鑄錠有不正確的溫度梯度以及熱應力增加。
另一個問題是結晶過程的非同時結束，特別是相對大的鑄錠。亦即，鑄錠的表面不是同時完成結晶過程。結果，當鑄錠的一部份已經完全結晶時，另一部份上仍有熔融材料。該影響造成偏離生產製程的預計循環時間。
已有人努力改善加熱裝置所提供之淨熱通量的均勻性，熱取出機構之作用的均勻性，以及可否定與爐具之整體設計有關之因素的絕緣，但是仍需進一步改善爐具在此方面的效能。
發明概要
根據本發明的第一方面，提供一種用於結晶半導體材料之生長的多鑄錠爐具，該爐具包含：定義用於容納一坩堝陣列之一熱區的一殼體，該等坩 堝含有半導體材料；用於加熱該半導體材料的至少一加熱裝置；其特徵在於：該或每個加熱裝置經配置成可施加一預定微分熱通量分布至在一或更多坩堝內之該半導體材料的水平橫截面，其中該熱通量分布的選擇係依賴於在該一或更多坩堝之陣列內的位置。
本發明可協助補償出現在爐具中之半導體材料之水平橫截面上的溫度變化，此係藉由從加熱裝置提供隨著材料在爐具內之位置而改變的調制熱通量。其係藉由引進互補不對稱來企圖避免由多鑄錠爐具對於各個鑄錠之熱損失特性的定位不對稱引起的變化，例如藉由提供有非習知幾何的加熱裝置。本發明可確保這些變化彼此互補從而增加半導體材料之橫向橫截面的溫度均勻性。該加熱裝置通過它的物理幾何、化學組合物或其他特性或該等特性的組合可產生微分熱通量分布。坩堝的陣列可為多個坩堝的任何分布，但是在較佳具體實施例中，為規則的二維陣列。特別是，該陣列可為密集陣列。該水平橫截面為半導體材料的平坦橫截面。該水平橫截面可為半導體材料的表面，或可為在表面下穿過半導體材料的橫截面。
本發明可應用於許多半導體生長多鑄錠爐具，特別是可應用於以布里奇曼或垂直梯度凝結(VGF)方法熔解及定向凝固矽的爐具。本發明有助於確保結晶材料的固液界面(亦即，結晶前緣(crystallization front))呈實質平坦，此係藉 由維持在結晶前緣附近之水平橫截面有優異溫度均勻性。以此方式，可減少由材料中之熱應力所致的缺陷(例如，差排)數。
除了矽，本發明有益於生長許多其他材料，包括週期表中III至V族的元素，該等元素的化合物(例如，GaAs，GaP)，該等族中之元素的三元化合物，以及週期表中II至VI族之元素的化合物。
較佳地，該爐具包含多個加熱裝置，其中每個加熱裝置與單一坩堝關聯以及經配置成可施加一預定微分熱通量分布至在該關聯單一坩堝內之半導體材料的水平橫截面。因此，每個加熱裝置可用於在特定坩堝之中的材料，以及可針對該坩堝的位置予以優化。在替代具體實施例中，可將該或每個加熱裝置安排成可施加一預定熱通量分布於多個坩堝中之半導體材料的水平橫截面上，從而減少加熱裝置的需要數目。
在較佳具體實施例中，該預定微分熱通量分布只包含與該半導體材料之該水平橫截面垂直的一對稱面，以及該對稱面穿經該陣列之幾何中心。因此，該熱通量分布有不超過一個與半導體材料之水平橫截面垂直的對稱面，從而確保該輪廓有適度的不對稱性以對付半導體材料之熱損失性質由坩堝在陣列中之位置造成的不均勻性。
該熱通量分布至少部份可為該加熱裝置之物理幾何的結果。結果，在有些較佳具體實施例中，該加熱裝置的物理幾何對於該預定微分熱通量分布穿經該陣列之幾何中心 的該對稱面呈對稱。
在有些較佳具體實施例中，該預定熱通量分布沿著以下兩者的一交會線改變：該半導體材料之該水平橫截面，以及該預定微分熱通量分布穿經該陣列之幾何中心的該對稱面。例如，如果加熱裝置施加熱通量分布至在位於陣列角落之坩堝裡的半導體材料，最好在坩堝轉角施加增加的熱通量。
該加熱裝置可為任何習知或可想到的加熱構件。不過，在較佳具體實施例中，該加熱裝置為電阻加熱器。因此，該加熱裝置可包含一或更多加熱元件。該加熱裝置產生熱係藉由使電流通過一或更多加熱元件(為電阻型)。外加電流可為交流電(AC)或直流電(DC)。該等加熱元件可採用任何適當形式，例如線圈、電線、條帶、薄片等等。
在較佳具體實施例中，該加熱裝置包含在傳導軌道之間延伸的一或更多加熱元件。此配置讓該等傳導軌道可用來同時施加電流至所有加熱元件。在較佳具體實施例中，每個加熱裝置包含多個加熱元件。基於強健性與機械整體性，不同或相同加熱元件中之一些區段可相互連接。
提供至少兩種不同的加熱元件組態為較佳。該等組態的物理幾何、材料性質或兩者可不同。
在有些較佳具體實施例中，該等加熱裝置中之至少一個可設有相互平行的傳導軌道。較佳地，至少一電阻加熱元件係經組態成可用一電源供應器產生投射在穿經其接觸點之一線路上的單位長度可變總熱通量。例如，該等接觸 點可為有該等傳導軌道的接觸點。這意謂由該加熱元件產生的熱通量在此線路上的某些點處相對大，從而在被該加熱元件之該等點覆蓋的區域貢獻更多熱通量至該熱通量分布。在有些較佳具體實施例中，穿經該等接觸點的線路係垂直於該等傳導軌道。
較佳地，至少一加熱元件包含：與該等傳導軌道中之一者接觸的至少一主區段；一或更多副區段，其中該至少一主區段與該一或更多副區段係與線性軸線平行地延伸，而且彼此偏離對方，以及在該至少一主區段與該一或更多副區段之間延伸的一連接區段，使得投射在穿經其接觸點之線路上的單位長度總熱通量在該連接區段的區域中增加。相較於直接在該等傳導軌道之間延伸的加熱元件，此配置在該連接區段的區域中提供額外的熱通量。該額外熱通量可用來補償爐具(其係設在該區域中)的相對高熱損失特性。
在較佳具體實施例中，該至少一加熱元件包含多個副區段。以此方式，單一連接區段可延伸一段相當長的距離而不會不合意地增加副區段之間的距離。將副區段配置於主區段兩側為較佳。這意謂該連接區段從該主區段以一個以上的方向伸出，由於主區段、副區段及連接區段之間的距離減少而可限制施加其間之接合點的轉矩(turning moment)。這減少加熱元件機械故障的風險。
在較佳具體實施例中，該至少一加熱元件包含至少一主區段，其係與該等傳導軌道中之第一個接觸而不是副區 段。例如，如果有3個副區段，則有2個主區段與該等傳導軌道中之一個接觸。因此，在有些較佳具體實施例中，可具有多個主區段。在特別較佳的具體實施例中，在平行於傳導軌道的方向中，有與副區段穿插的多個主區段。這提供特別穩定的配置同時允許增加在連接區段附近的熱通量。
在較佳具體實施例中，多個處理室設在該熱區內，以及將每個處理室配置成可接受該陣列中之至少一坩堝。將每個處理室配置成可接受該等坩堝中之一個為更佳。以此方式，可個別控制每個坩堝的狀態，例如大氣狀態。此外，將每個加熱裝置配置成可提供熱至給定處理室為較佳。因此，可用個別加熱裝置仔細管理各個坩堝中之半導體材料的熱通量分布。
在有些較佳具體實施例中，該或每個加熱裝置包含排列成多個群組的多個加熱元件，其中該加熱裝置更包含每個群組的一獨立電源供應器。以此方式，可改變外加至個別加熱元件的功率。
可根據要求，串聯或並聯該加熱裝置之中的加熱元件。
較佳地，該爐具更包含配置於每個加熱裝置與該半導體材料之間的一或數個分隔件。該分隔件用作紅外線輻射的輔助來源以及協助進一步改善垂直熱通量以便組織產生平坦水平結晶前緣輪廓的所欲熱分布。
該至少一加熱裝置為配置於該處理室上方的頂端加熱裝置較佳。如果該室是要以布里奇曼方法來使用，此類型 的加熱裝置為較佳，因為在此背景下，最好讓在室中主要溫度梯度呈垂直，亦即，與坩堝的開放表面垂直，以及這可藉由選擇性地在坩堝上下方加熱來達成。然而，如有必要，可在坩堝旁邊另外或替換地配置加熱裝置。
在較佳具體實施例中，該至少一加熱裝置可配置於用一分隔件與該處理室隔開的一加熱室(heater chamber)內。這有以下優點：保護加熱裝置不因源於待加熱材料及/或該處理室之內部構成材料的氣體而變壞。該分隔件可為懸吊於處理室上方的上分隔件，以及該加熱室可為爐蓋的整合部份。替換地或附加地，可裝設與上分隔件類似的下分隔件，以及可為坩堝之底部支撐結構的整合部份。可考慮其他的分隔件幾何。較佳地，該等分隔件有順形正反面(例如在平坦面下為平行表面)。此分隔件實施例為截頭錐形上分隔件，其中截頭錐形的頂點指向坩堝的中心以及位於半導體材料上方。
可提供底部支撐結構作為石墨或另一導熱及機械剛性材料的承載負荷結構，用於支撐放在處理室內的坩堝及其他結構/裝置。該底部支撐結構可形成水平定向分隔物(壁)或覆蓋處理室之整個橫截面面積的地板從而允許在處理室下面配置另一室。就此情形而言，該另一室可用來保持在坩堝下的至少一加熱裝置。因此，該底部支撐可用作分隔件。如此裝設有以下優點：保護下加熱裝置免受害於在加工期間產生的有害氣體。不過，本發明也可應用於有用於承載坩堝之任何可能承載負荷支撐結構類型的爐具，包括 坩堝直接放在處理室底層上的爐具。
該等加熱元件最好由其性質與製程相容的材料形成。因此，該材料應能忍受與製程相關的高溫而不分解或以任何方式釋出(藉由釋氣、出汗、剝落、等等)污染化合物。該材料最好也忍受必要溫度而不損失機械剛性。該材料對於可能製程期間可能出現的化學物應有化學惰性為較佳。例如，如果爐具用來加工矽，形成該等加熱元件的材料最好對於用以製造多結晶矽鑄錠之結晶爐具會遭遇的化學環境有化學惰性。該等加熱元件最好能夠忍受達1000℃、1250℃、1500℃、2000℃、甚至更高的溫度。
在較佳具體實施例中，該等加熱元件可由用膨脹天然石墨製成之石墨箔形成，而無填料或黏合劑或碳纖維強化碳(CFRC)。替換地，可使用其他材料，例如與矽之熔解及相容的任何材料。
根據本發明的第二方面，提供一種操作用於生長結晶半導體材料之爐具的方法，其中該方法包括：用一加熱裝置加熱一處理室，該加熱裝置係施加一預定微分熱通量分布於在一或更多坩堝內之半導體材料的水平橫截面，該預定微分熱通量分布的選擇係依賴於該一或更多坩堝在陣列內的位置。大體上，第二方面的方法可用於第一方面的爐具，從而第一方面的較佳特徵也可應用於本發明的第二方面。
根據本發明的第三方面，提供一種生長結晶半導體材料的方法，其係包含下列步驟： 把待加熱材料裝入一爐具處理室；關閉該爐具；抽出該處理室內的空氣；造成製程氣體以所欲壓力由該爐具的一或更多加熱室流到該處理室；加熱該材料同時進行根據第二方面所述的方法；冷卻該材料；抽出該氣體使該處理室的壓力與大氣壓力一致；打開該爐具；以及取出該材料。
在較佳具體實施例中，本發明所有方面的結晶半導體材料係用作用以將入射輻射轉換成電荷的光電轉換材料。
圖式簡單說明
此時用附圖描述本發明的示範具體實施例。
第1圖根據本發明的較佳具體實施例示意圖示穿過爐具的剖面；第2a圖圖示由2X1處理室陣列構成之爐具在均勻加熱下的橫向示意實驗溫度分布；第2b圖圖示由2X2處理室陣列構成之爐具在均勻加熱下的橫向示意實驗溫度分布；第2c圖圖示由3X3處理室陣列構成之爐具在均勻加熱下的橫向示意實驗溫度分布；第3a圖的平面圖圖示溫度分布在由3X3處理室陣列構 成之爐具內的垂直對稱面；第3b圖的透視圖圖示穿經單一處理室的垂直對稱面；第4圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的配置；第5圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的替代配置，其中裝設用於加熱元件的獨立電源供給器；第6圖圖示第4圖加熱裝置之一元件的功率/長度；第7a圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的另一配置；第7b圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的又一配置；第8a圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的再一配置；第8b圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的另一配置；第9a圖的平面圖圖示半導體材料之水平橫截面在均勻加熱下的橫向溫度分布，其中半導體材料處於第2b圖上的位置B；第9b圖的平面圖圖示半導體材料之水平橫截面在預定微分熱通量分布下的橫向溫度分布，其中半導體材料處於第2b圖上的位置B；第10a圖的垂直橫截面圖圖示在均勻加熱下形成之半導體結晶材料的結晶輪廓；以及第10b圖的垂直橫截面圖圖示在預定微分熱通量分布下形成之半導體結晶材料的結晶輪廓。
詳細說明
此時用附圖描述本發明的較佳具體實施例。每個較佳具體實施例所圖示的多鑄錠爐具都包含產生不均勻熱通量分布的加熱裝置。該等爐具可用定向凝固法法(例如，布里奇曼方法)來生長結晶半導體材料，特別是矽。特別是，以此方式產生的矽可為用作用以將入射輻射轉換成電荷之光電轉換材料的矽。
第1圖根據本發明的第一較佳示範具體實施例圖示多鑄錠爐具1的側視圖。該爐具包含被絕熱壁3限制的熱區50。絕熱壁3可實質由石墨形成，特別是，可由舖上碳纖維合成襯裡的石墨形成。
爐具1的熱區50包含半導體結晶材料可在其中生長的許多處理室7。也裝設與每個處理室7一起的上加熱室11及下熱取出室5。每個處理室7用上分隔件9與其上加熱室11隔開以及用下分隔件4與其下熱取出室5隔開。上分隔件9及下分隔件4為水平隔牆而且由石墨形成。
熱取出構件6設在下熱取出室5中。熱取出構件6可為水或氣體冷卻機構或其他適當構件用於取出處理室7的熱。
包含熱區50的絕熱壁3通常由厚石墨(約30公分厚)形成以及提供良好的熱絕緣。不過，熱區50無氣密性。為了提供氣密室以及多些熱絕緣，通常把熱區設在殼體10內。該殼體10為水冷式殼體以及包圍加熱室及處理室之壁為較佳。殼體10的牆體用充氣空間與熱區50的隔開，該空間提 供進一步的熱絕緣以及含有由熱區50排出的氣體(製程氣體加上任何污染物)。殼體10可包含水冷式鋼殼或其他類型可圍封熱區的外冷式、有機械剛性及氣密結構。殼體10的氣密性考慮到在真空壓力下的高溫。為了裝卸材料進出爐具熱區，該殼體通常含有可與熱區之部件整合的可拆卸配置(蓋子或門)。
處理室7經配置成隔開下熱取出室5與處理室7的下分隔件4上可接受坩堝2。坩堝2由塗上氮化矽防滑塗層(slip coating)的矽膠形成。爐具1更包含支撐板8以機械支撐該坩堝。第一較佳具體實施例的板8由石墨或塗上碳化矽之石墨形成。替換地，板8可由對於二氧化矽呈化學惰性的另一材料形成，例如氮化矽。坩堝2經配置成可接受要用布里奇曼方法藉由熔解及凝固而結晶的矽。
在有些較佳具體實施例中，爐具1更包含數個入口13，彼等可通過爐具上半部提供製程氣體(含氬、氦、氫物種等等)至處理室7，以及爐具1的出氣口14。此外，爐具1可進一步包含處理室7的一或更多出口用於移除受污染製程氣體。例如，可對稱地配置該等出口於各室7的兩側上，然而其他配置也有可能。特別是，可按需要改變入口及出口的數目。
在上加熱室11中裝設頂端加熱裝置12。每個頂端加熱裝置12可加熱在毗鄰處理室7中之相關坩堝2內的矽。頂端加熱裝置12經設計成可提供遍及矽之水平橫截面的預定微分熱通量密度輪廓，頂端加熱裝置12的微分熱通量密度輪 廓的選擇係取決於所用爐具1的熱通量特性。特別是，給定頂端加熱裝置12的預定微分熱通量密度輪廓會取決於彼之相關坩堝2在爐具1之坩堝2陣列內的位置。例如，當坩堝2在陣列邊緣上時，可決定遠離任何其他坩堝2之坩堝2的側面需要來自加熱裝置12的更大熱通量，因為它損失熱的速率大於朝向毗鄰坩堝2的側面。因此，藉由根據坩堝2在陣列內的位置來選擇預定熱通量分布，可協助確保，在使用期間，坩堝2內之半導體材料的鑄錠之橫向橫截面理論上沒有水平溫度梯度。在較佳具體實施例中，頂端加熱裝置12為電阻加熱器。
在圖示於第1圖的較佳具體實施例中，有3個並列的處理室7。其係形成較大處理室7陣列之一部份，藉此在3X3陣列中也提供在各個處理室7內或與其相關的各個特徵。因此，第1圖之較佳具體實施例的爐具1包含9個處理室7以及可接受由9個坩堝2組成的陣列，這9個坩堝2含有矽，或將由結晶半導體材料生長的另一材料。不過，在其他較佳具體實施例中，可提供其他的坩堝陣列，例如2X2或2X1陣列。一般而言，可提供呈任何組態的任意多個坩堝。
在較佳具體實施例中，每個處理室7接受單一坩堝2。因此，坩堝2陣列有對應處理室7陣列用以接受該等坩堝2。
第2圖的平面圖圖示爐具1內的一些示範處理室7陣列，也圖示若施加均勻熱源至該等處理室可能出現在爐具1水平面上的溫度分布。在各個情形下，可見施加均勻熱通量會在爐具1中心產生熱斑，以及往爐具1邊緣有較冷的區 域。
特別是，第2a圖圖示由2X1處理室7陣列構成的爐具1。第2a圖之爐具1顯示的熱分布樣式圖示最熱的區域是在爐具1中心，同時爐具1的邊緣有較低的溫度。因此，在處理室中之坩堝裡被標示為第2a圖之位置A的半導體材料右手邊(按圖示)會經歷比左手邊還高的溫度。
第2b圖圖示由2X2處理室陣列構成之爐具。第2b圖的溫度分布樣式也顯示在均勻加熱下最熱處是在爐具1中心。第2b圖標示位置B。在此圖可見圖示於位置B的處理室7在左下角有最大溫度。
第2c圖圖示由3X3處理室7陣列構成之爐具，如第1圖所示者。就此情形而言，在陣列中心的中央處理室7包含溫度分布樣式的熱斑，同時在陣列邊緣的處理室7在離熱斑較遠的距離較冷。例如，在位置C的處理室在下緣有大於上緣的溫度。
第2a圖至第2c圖的溫度分布樣式示意圖示在加熱器施加均勻熱通量於鑄錠表面下結晶之鑄錠的實驗觀察資料(例如，通過摻雜硼之矽鑄錠的電阻率繪圖之歸納。由第2a圖至第2c圖可見，由於側面冷卻效應的影響，單室7可能有顯著的溫度變化。這意謂正被定向凝固的鑄錠材料在水平面有溫度變化。這種溫度變化可能貶低所得結晶材料的品質。為了緩和此一問題，本發明的爐具1不施加均勻熱通量於處理室7，反而施加預定微分熱通量分布於材料的水平橫截面，這可抵消圖示於第2a圖至第2c圖的影響。例如，在 第2a圖至第2c圖圖示在施加均勻熱通量時會冷卻的區域處，本發明可施加增加的熱通量。反之，在均勻熱通量會造成相對熱的區域處，本發明可施加減少的熱通量。
應瞭解，儘管溫度分布可能不均勻，即使在加熱裝置施加均勻熱通量的情形下，然而系統仍有可能某種對稱性。第3a圖至第3圖圖示有3X3處理室陣列之多鑄錠爐具的對稱性。如同第2c圖，第3a圖圖示此一爐具的平面圖。第3a圖顯示此一爐具在均勻加熱下的溫度分布的垂直對稱面σ’v，σ”v，σ'''v。垂直對稱面σ’v，σ”v，σ'''v垂直於被每個處理室7之坩堝2保持的半導體材料之水平橫截面，這在第3b圖清楚可見，圖示對稱面σ”v係穿經在3X3陣列之角落位置的室。對稱面與半導體材料水平橫截面的交叉點圖示於第3b圖以及後續附圖用符號n表示。
應注意，3X3陣列中在外圍的室各有一及只有一個對稱面σ’v，σ”v，σ'''v。由於該較佳具體實施例的加熱裝置12被設計成可補償圖示於第2a圖至第2c圖的不合要求溫度變化，由加熱裝置12施加的熱通量分布會共享同一個對稱面。
一較佳具體實施例之頂端加熱裝置12的配置更詳細地圖示於第4圖，其係圖示頂端加熱裝置12在坩堝2上方位置的平面圖。為了圖解說明，第4圖未圖示分隔件9，然而熟諳此藝者會明白實務上這可能妨礙在頂端加熱裝置12、坩堝2之間的視線。
圖示於第4圖的加熱裝置12經設計成可配置於一位置，例如第2a圖的位置A。由第2a圖可見，如果施加均勻加 熱在在此位置的處理室7，則該室7的溫度會往右遞增。如第2a圖所示，相對於室7的中央區，室7的上、下半部會較冷。
頂端加熱裝置12包含兩條平行傳導軌道15。裝設在該等傳導軌道之間延伸的加熱元件16、17、18。該等包含3個筆直加熱元件16，延長加熱元件17，以及多個接合元件(junction element)18。加熱元件16、17、18為在有電流通過它們時耗散功率以產生熱通量的電阻加熱元件。
第4圖之加熱裝置12的配置由左至右不對稱。結果，坩堝2中之半導體材料的水平橫截面可施加微分熱通量分布。特別是，第4圖的加熱裝置12經配置成往左可產生比往右還大的熱通量。這可補償在位置A之處理室的自然特點，如第2圖的溫度分布樣式所示。
第4圖之加熱裝置12的配置在如附圖所示位置的上、下區域也提供增加的熱通量。這是通過形成延長加熱元件17及多個接合加熱元件18的特殊方式來達成。
由第4圖之加熱裝置12提供的熱通量分布及其物理幾何對於與半導體材料之水平橫截面垂直的對稱面σ v都呈對稱。這是熱通量分布的唯一對稱面而且穿過陣列的中心。
延長加熱元件17與多個接合元件18都包含連接至傳導軌道的主區段17a、18a，副區段17b、18b，以及連接區段17c、18c。主區段17a、18a與傳導軌道15物理接觸而且與傳導軌道15垂直地延伸。副區段17b、18b也與傳導軌道15垂直地延伸，但是偏離主區段17a、18a。連接區段17c、18c 使主區段17a、18a連接至副區段17b、18b。由於主區段17a、18a與副區段17b、18b相互偏離，連接區段17c、18c至少部份與該等區域垂直地延伸。
由於配置延長加熱元件17與多個接合元件18的結果，它們用電源供應器產生的功率/長度從而熱通量會沿著在接觸點21之間的線路(在此情形下，為傳導軌道15)改變。特別是，連接區段17c、18c沿著此線路拋出比主區段17a、18a及副區段17b、18b還大的功率/長度。這是因為它們至少部份與此線路垂直地延伸。因此，加熱裝置12整體上在靠近傳導軌道15的區域產生比其他點還大的通量。在使用時，這至少部份補償爐具1在該等區域已知增加的熱損失特性。
第6圖示意圖示延長加熱元件17中之一個投射在X軸上的功率/長度，該X軸與在第4圖及第5圖實施例中之延長加熱元件17之接觸點間的線路平行，從而有相同的投射功率/長度。由附圖可見，在連接區段17c的區域中，功率/長度增加。對比之下，筆直加熱元件16的功率/長度會顯示出沒有這個特性而且沿著X軸不變。
因此，經配置成如第4圖所示的加熱裝置12能夠補償圖示於第2a圖之位置A的溫度梯度。應瞭解，替代配置可睞實現類似的效果。
在第4圖中，加熱元件16、17、18通過傳導軌道15共享共用的電源供應器。不過，在一些具體實施例中，可裝設若干獨立電源供給器給該等加熱元件用。例如，第5圖所示的配置是傳導軌道15分成不同的區段15a、15b及15c。結 果，可提供各自耦合至一或更多加熱元件的若干獨立電源供給器。因此，如有必要，可單獨控制加熱元件16、17、18。這允許動態控制由加熱裝置12施加至坩堝2中之半導體材料的的熱通量分布。
第7a圖圖示加熱裝置12的第一配置，它可用在第2b圖的位置B。
在圖示於第7a圖的配置中，安排彼此垂直的傳導軌道15。加熱元件安排在傳導軌道之間。就此情形而言，加熱元件彎曲成直角以便在傳導軌道15之間延伸。此外，由附圖可見，加熱元件15的寬度d為變數，傳導軌道15之間的距離s及其總長L也一樣。在第7a圖的實施例中，該等變數的變化可用來增加在上右方提供的熱通量(由加熱裝置12之第7a圖的觀點可見)。請回想，位置B的上右方在第2b圖之溫度分布樣式中是相對冷的。因此，第7a圖的配置可有效地補償圖示於第2b圖的溫度梯度從而提高在坩堝2中形成之結晶矽的品質。
第7b圖圖示可用於位置B的加熱裝置之替代配置。加熱元件16也有可變長度L，間距s及寬度d。可選定參數L、d及s以實現加熱裝置12的所欲微分熱通量。
第7b圖的配置與第7a圖不同的地方在於加熱元件有不變的曲度弧形而不是單點彎曲。已發現，這可增加加熱元件的機械強度，特別是在結晶半導體生長所要求的高溫下。
對稱面σ”v圖示於第7a圖及第7b圖。該對稱面係垂直地穿過處理室，亦即，與半導體材料的水平橫截面垂直。由 加熱裝置12施加至坩堝中之半導體材料之水平橫截面的熱通量分布對於此平面呈對稱，該加熱裝置的物理幾何也一樣。這是熱通量分布或加熱裝置12之物理幾何的唯一對稱面而且穿過爐具1的坩堝2陣列中心。
第8a圖及第8b圖的上視圖圖示可用在圖示於第2c圖之位置C的加熱裝置12。參考處理室7在第2c圖之位置C的方位，可回想到，圖示於附圖的溫度分布樣式顯示處理室的下面部份比上面部份溫暖。因此，第8a圖及第8b圖的加熱裝置經設計成藉由向上面部份施加較大的熱通量可抵消此不均勻性。
與第4圖的加熱裝置12相比，第8a圖的加熱裝置12在延長加熱元件17或多個接合元件18的下半部中不包含連接區段17c、18c。由第8a圖的觀點，這至少部份補償在室7頂部、底部之間的處理室熱損失特性差異。
第8b圖之加熱裝置12的配置也向上面部份提供較大的熱通量，但是與第8a圖有點不同，以便提供較大的機械彈性。在第8b圖的配置中，多個接合元件18包含與傳導軌道15中之一個接觸的多個主區段18a。這允許多個接合片18支撐更多副區段18b。
第8b圖的複雜多個接合元件18有一些優於第8a圖之延長加熱元件17與多個接合元件18之組合的優點。特別是，與延長加熱元件17的等價性質相比，第8b圖的配置允許減少施加於主區段18a與連接區段18b接合處的轉矩。這可降低元件在使用期間機械故障的可能性，例如彎曲。這對設 計用於爐具的高溫特別有用。
對稱面σ”v圖示於第7a圖及第7b圖。該對稱面係垂直延伸穿過處理室，亦即，與半導體材料的水平橫截面垂直。由加熱裝置12施加至坩堝中之半導體材料之水平橫截面的熱通量分布對於此平面呈對稱，加熱裝置的物理幾何也一樣。這是熱通量分布或加熱裝置12之物理幾何的唯一對稱面而且穿過爐具1的坩堝2陣列中心。
使用時，爐具1的操作如下。首先，將半導體材料(矽較佳)放入坩堝2。然後，將坩堝2放入在第1圖之位置的爐具。然後，把支撐板8放在坩堝2四周。然後，關上及密封該爐具。然後，操作氣流系統以抽空該室，從而減少壓力至0.1毫巴以下。然後，操作該氣流系統以產生約600至900毫巴的穩定氣流(例如，氬氣流)通過入口13及出口14。在用氬沖洗爐具的製程開始後，電腦控制器操作頂端加熱裝置12。這造成矽加熱到熔解溫度以上。典型的溫度約為1420至1480℃。持續加熱直到所有的矽材料熔解。之後，該電腦控制器調制加熱裝置12及熱取出機構6以便使矽材料冷卻到熔解點以下以及提供材料的受控定向凝固(典型生長速率約為1至3公分/時)。在此製程期間，由加熱裝置12產生的微分熱通量可有效地補償爐具的不均勻熱損失特性從而減少矽上的橫向溫度梯度。這有利於減少缺陷，例如在凝固期間形成之結晶矽的差排。
在凝固完成後，使加熱裝置12無效。然後，在製程氣體繼續流動下讓矽冷卻，從而提供額外的冷卻效果。冷卻 後，使爐具熱區回到大氣壓力。在溫度減到約350℃以下時，打開該室，移出凝固的材料。
參考第7a圖，第9b圖，第10a圖及第10b圖可了解本發明在此製程的有利效果。第9a圖及第9b圖圖示在位置B(如第2b圖所示)之處理室的水平面上的模擬溫度分布輪廓。在第9a圖中，加熱裝置12為習知類型以及提供實質均勻的熱通量。由第9a圖可見，處理室在爐具中的位置意謂所得溫度分布包含往附圖左下方的較熱區，而附圖的右上方相對冷。因此，處理室7上存在不合要求的溫度梯度。
在第9b圖中，加熱裝置12經設計成可提供預定微分熱通量分布。例如，加熱裝置12可具有如第7a圖及第7b圖所示的配置。由第9b圖可見，與第9a圖相比，材料上的溫度梯度大大減少。這改善製程的品質。
本發明的效益可由第10a圖及第10b圖看到，其係沿著第9a圖及第9b圖之點線的剖面圖示在爐具中形成之結晶半導體材料的傳播輪廓。此輪廓在摻硼矽用作半導體材料時由電阻率等高線(iso-contour)繪成，其係顯示結晶輪廓，因為成形材料的電阻率會隨著結晶過程的進展而改變，藉由可了解有相同電阻係數(resitivity)的區域已同時形成。
第10a圖及第10b圖為對應至第9a圖及第9b圖之橫向溫度輪廓的結晶前緣輪廓，其係反映第2b圖的位置B。第10a圖圖示使用提供實質均勻熱通量之習知加熱裝置12時的結果，而第10b圖圖示使用如第7a圖及第7b圖所示之加熱裝置12時得到的結果。比較附圖清楚可見，本發明所提供的微 分熱通量分布可改善溫度的水平均勻性，從而改善結晶過程的可靠性。
在不脫離本發明的範疇下，上述具體實施例仍可能有變體及修改。如上述，處理室7在爐具內的數目可改變。此外，儘管以上所給出的描述係關於較佳具體實施例的頂端加熱裝置12，然而替換地或附加地，未圖示於較佳示範具體實施例的底面加熱裝置或側面加熱裝置可使用類似的配置。此外，氣體入口及出口的確切位置可按要求改變，爐具其他方面的尺寸及物理幾何也一樣。
也應瞭解，可使用加熱元件的不同配置。此外，上述配置不限定只用於上述爐具。例如，第7a圖及第7b圖的配置經優化成可用於如第2b圖所示之2X2陣列的位置B，然而它也可用於其他陣列(例如，3X2陣列)的角落位置。在後者實施例中，由特定配置之微分熱通量分布提供的補償可能不完美地抵消陣列的側面熱損失性質，但是相較於均勻的加熱，仍然有利。
熟諳此藝者明白其他的變體及修改。此類變體及修改可能涉及眾所周知以及可用來取代或附加在此所述之特徵的等價及其他特徵。可以組合成單一具體實施例的方式提供在個別具體實施例背景下提及的特徵。反之，也可個別或以任何適當次組合的方式提供在單一具體實施例背景下提及的特徵。
1‧‧‧多鑄錠爐具
2‧‧‧坩堝
3‧‧‧絕熱壁
4‧‧‧下分隔件
5‧‧‧下熱取出室
6‧‧‧熱取出構件
7‧‧‧處理室
8‧‧‧支撐板
9‧‧‧上分隔件
10‧‧‧殼體
11‧‧‧上加熱室
12‧‧‧頂端加熱裝置
13‧‧‧入口
14‧‧‧出氣口
15‧‧‧兩條平行傳導軌道
15a、15b、15c‧‧‧區段
16‧‧‧筆直加熱元件
17‧‧‧延長加熱元件
17a、18a‧‧‧主區段
17b、18b‧‧‧第二區段
17c、18c‧‧‧連接區段
18‧‧‧多個接合元件
21‧‧‧接觸點
50‧‧‧熱區
d‧‧‧寬度
s‧‧‧間距
A、B、C‧‧‧位置
L‧‧‧可變長度
σ’v，σ”v，σ'''v‧‧‧垂直對稱面
第1圖根據本發明的較佳具體實施例示意圖示穿過爐 具的剖面；第2a圖圖示由2X1處理室陣列構成之爐具在均勻加熱下的橫向示意實驗溫度分布；第2b圖圖示由2X2處理室陣列構成之爐具在均勻加熱下的橫向示意實驗溫度分布；第2c圖圖示由3X3處理室陣列構成之爐具在均勻加熱下的橫向示意實驗溫度分布；第3a圖的平面圖圖示溫度分布在由3X3處理室陣列構成之爐具內的垂直對稱面；第3b圖的透視圖圖示穿經單一處理室的垂直對稱面；第4圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的配置；第5圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的替代配置，其中裝設用於加熱元件的獨立電源供給器；第6圖圖示第4圖加熱裝置之一元件的功率/長度；第7a圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的另一配置；第7b圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的又一配置；第8a圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的再一配置；第8b圖的示意平面圖根據本發明圖示加熱裝置的另一配置；第9a圖的平面圖圖示半導體材料之水平橫截面在均勻加熱下的橫向溫度分布，其中半導體材料處於第2b圖上的 位置B；第9b圖的平面圖圖示半導體材料之水平橫截面在預定微分熱通量分布下的橫向溫度分布，其中半導體材料處於第2b圖上的位置B；第10a圖的垂直橫截面圖圖示在均勻加熱下形成之半導體結晶材料的結晶輪廓；以及第10b圖的垂直橫截面圖圖示在預定微分熱通量分布下形成之半導體結晶材料的結晶輪廓。
1‧‧‧多鑄錠爐具
2‧‧‧坩堝
3‧‧‧絕熱壁
4‧‧‧下分隔件
5‧‧‧下熱取出室
6‧‧‧熱取出構件
7‧‧‧處理室
8‧‧‧支撐板
9‧‧‧上分隔件
10‧‧‧殼體
11‧‧‧上加熱室
12‧‧‧頂端加熱裝置
13‧‧‧入口
14‧‧‧出氣口
50‧‧‧熱區

Claims (18)

  1. 一種用於結晶半導體材料之生長的多鑄錠爐具，該爐具包含：一界定有一熱區的殼體，用於容納一含有半導體材料之坩堝陣列；至少一加熱裝置，用於加熱該半導體材料；其特徵在於：該或每個加熱裝置經配置成可施加一預定微分熱通量分布至在一或更多坩堝內之該半導體材料的水平橫截面，其中該熱通量分布的選擇係依賴於在該一或更多坩堝之陣列內的位置。
  2. 如申請專利範圍第1項之爐具，該爐具包含多個加熱裝置，其中每個加熱裝置與單一坩堝關聯以及經配置成可施加該預定微分熱通量分布至在該關聯的單一坩堝中之半導體材料的水平橫截面。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之爐具，其中該預定微分熱通量分布只包含與該半導體材料之該水平橫截面垂直的一對稱面，以及該對稱面穿經該陣列之幾何中心。
  4. 如申請專利範圍第3項之爐具，其中該加熱裝置的物理幾何對於該預定微分熱通量分布穿經該陣列之幾何中心的該對稱面呈對稱。
  5. 如申請專利範圍第3或4項之爐具，其中該預定熱通量分布沿著以下兩者之間的一交會線而改變：該半導體材料之該水平橫截面，以及該預定微分熱通量分布穿經該陣 列之幾何中心的該對稱面。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項的爐具，其中該加熱裝置為包含至少一電阻加熱元件的一電阻加熱器。
  7. 如申請專利範圍第6項之爐具，其中該加熱裝置包含多個電阻加熱元件，以及其中該等電阻加熱元件係提供有至少兩種不同組態。
  8. 如申請專利範圍第7項之爐具，其中該至少兩種不同組態包含該等電阻加熱元件的物理幾何變化。
  9. 如申請專利範圍第6至8項中任一項的爐具，其中至少一電阻加熱元件係經組配成可用一電源供應器產生投射在穿經其接觸點之一線路上的每單位長度可變總熱通量。
  10. 如申請專利範圍第9項之爐具，其中該至少一加熱元件在平行的傳導軌道之間延伸以及包含：至少一主區段，其係與該等傳導軌道中之一者接觸；一或更多副區段，其中該至少一主區段及該一或更多副區段係與垂直於該等傳導軌道而延伸，而且彼此偏離，以及一連接區段，其在該至少一主區段與該一或更多副區段之間延伸，使得該加熱元件沿著穿經其接觸點的該線路在該連接區段的區域中產生的每單位長度總熱通量增加。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項的爐具，其中該爐 具更包含在該熱區內的多個處理室，其中各室經配置成可容納該陣列的其中一個坩堝。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項的爐具，其中該或每個加熱裝置為設置於該半導體材料上方的一頂端加熱裝置。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項的爐具，其中該或每個加熱裝置包含配置成多個群組的多個加熱元件，其中該加熱裝置更包含用於各個群組的一獨立電源供應器。
  14. 如申請專利範圍第1至13項中任一項的爐具，其更包含配置於該或每個加熱裝置與該半導體材料之間的至少一分隔件。
  15. 如申請專利範圍第1至14項中任一項的爐具，其中該結晶半導體材料係作為光電轉換材料使用，以將入射輻射轉換成電荷。
  16. 一種操作用於生長結晶半導體材料之多鑄錠爐具的方法，其中該方法包括：使用一加熱裝置加熱一處理室，該加熱裝置施加一預定微分熱通量分布至在一或更多坩堝內之半導體材料的水平橫截面，該預定微分熱通量分布的選擇係依賴於該一或更多坩堝在一陣列內的位置。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該結晶半導體材料係作為光電轉換材料使用，以將入射輻射轉換成電荷。
  18. 一種生長結晶半導體材料的方法，其係包含下列步驟： 把待加熱材料裝入一爐具處理室；關閉該爐具；抽出該處理室內的空氣；供給一氣體流進入該處理室；加熱該材料同時進行根據申請專利範圍第16或17項的方法；冷卻該材料；抽出該氣體；使該處理室中的壓力與大氣壓力齊平；打開該爐具；以及取出該材料。
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