TW201930658A - 從坩堝及相關芯總成移除矽融化物之方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示用於自矽錠生長方法中所使用之坩堝及相關芯總成移除矽融化物之方法。該芯由多孔碳製成，其在達至點燃溫度時點燃，造成自該坩堝相對快速且相對較大體積地吸出矽。

Description

從坩堝及相關芯總成移除矽融化物之方法

本發明領域係關於用於自坩堝移除矽融化物之方法，且詳言之，係關於自坩堝移除矽融化物以允許坩堝再用於錠生長之方法。本發明領域亦係關於用於移除融化物之芯總成，且詳言之，係關於經熱屏芯總成及併有安瓿裝置之芯總成。

單晶矽通常藉由所謂的柴氏(Czochralski，Cz)過程製備。在此類過程中，晶種浸漬於一灘矽融化物中且向上拉動以自該融化物抽出單晶矽錠。矽融化物容納在拉晶機內之坩堝中。在連續柴氏過程(CCz)中，將熔融或粒狀多晶矽連續添加至坩堝。在分批再裝填柴氏方法(BRCz)中，在生長及移除單個錠之後，將矽添加至坩堝而無需自拉晶機移除坩堝，且重複分批晶體生長過程。

歸因於諸如鐵、鎳及鉻等各種雜質之偏析係數，藉由生長中之錠以相較於添加至融化物之典型速率較小之速率導出此等雜質，這致使該等雜質在融化物中變得愈來愈濃縮。此等雜質可自包括經饋送多晶矽中之雜質之各種來源、自拉晶機內之坩堝或其他組件(例如，容納坩堝之晶座、加熱器等等)引入。

隨著融化物中雜質之濃度的提高，晶體中雜質之濃度亦提高。此類雜質減小晶體之少數載流子的壽命，從而導致所得裝置之效率降低。常常在少數載流子壽命變得不可接受時終止連續晶體生長過程。

通常，一旦拉晶機關閉，晶體生長過程中所使用之坩堝及其他組件就無法再使用。為了在終止運行之後移除融化物及坩堝，冷卻系統，這致使矽融化物膨脹及毀壞坩堝且可損壞拉晶機系統中之其他消耗組件。連續柴氏過程之終止歸因於拆卸及裝配之複雜性且歸因於確保系統在啟動之前已經適當地經清潔時所涉及之時間亦為耗時且勞力密集的。終止亦可降低一些拉晶機總成組件之壽命。

需要用於在拉晶機保持處於或接近於錠生長溫度時自拉晶機移除具有高雜質濃度之矽融化物之方法、用於涉及此類融化物萃取之錠之生長的方法，及可用於移除此類矽融化物之芯總成。

此部分意欲向讀者介紹可能相關於本發明之各種態樣的技術的各種態樣，在下文中描述且/或主張此等態樣。此論述被認為有助於為讀者提供背景資訊，以促進對本發明之各態樣的較佳理解。因此，應理解，應鑒於此來閱讀此等陳述，而非作為對先前技術之認可。

本發明之一個態樣係關於用於自坩堝移除矽融化物之方法。將芯放入該矽融化物中。該芯由多孔碳製成。將初始量之矽抽取至該芯之孔中以致使一定量之矽與碳反應且釋放熱。至少部分地保持該熱以致使該芯溫度提高。提高該芯之溫度直至達至該芯點燃時之點燃溫度為止。在點燃該芯之後將額外矽抽取至孔中。

本發明之另一態樣係關於用於自坩堝移除矽之屏蔽式芯總成。該總成包括多孔碳芯。該芯具有底部、頂部及自該頂部延伸至該底部之側壁。該芯具有延伸穿過該芯之該頂部及該底部之豎直軸。熱屏至少部分地沿著該豎直軸包圍該芯。

本發明之又一態樣係關於用於自坩堝移除矽之芯總成。該總成包括多孔碳芯。該芯具有底部、頂部及自該頂部延伸至該底部之側壁。該芯具有延伸穿過該芯之該頂部及該底部之豎直軸。安瓿至少部分地沿著該豎直軸包圍該芯。該安瓿具有底部及與該底部間隔開之流入孔口以允許矽進入該安瓿與芯之間的空間。

存在對於關於上文所提到的本發明之態樣所指出之特徵之各種改良。其他特徵亦可併入於上文所提到的本發明之態樣中。此等改良及額外特徵可單獨地或以任何組合存在。舉例而言，下文論述之關於本發明之該等所說明之實施例中之任一者的各種特徵可單獨或以任何組合併入至本發明之上述態樣中之任一者中。

相關申請案之交叉參考

本申請案主張2017年12月29日提交之美國臨時專利申請案第62/612,079號之權益，該美國臨時專利申請案以全文引用之方式併入本文中。

本發明之提供內容係關於用於自坩堝，諸如用於藉由柴氏過程產生單晶矽錠之坩堝移除矽融化物之方法。在各種實施例中，將碳芯放入矽融化物中，從而致使該芯點燃且將矽向上抽取至該芯中以倒空矽之坩堝。裝載有矽之芯可接著經移除且該坩堝用於進一步錠生長。若芯容量小於待移除矽之量，則第二芯可用於移除額外矽。

參看圖1，連續拉晶機100具有與拉動晶體錠之方向一致的豎直軸A。所說明拉晶機100包括界定生長室104之殼體102、由可旋轉軸108支撐之晶座106、含有坩堝128內之半導體或太陽能級材料之融化物112之坩堝總成110。殼體102圍封生長室104內之晶座106、坩堝總成110，及加熱系統118之各部分。殼體102包括上部圓頂126，其可包括一或多個視口以使得操作員能夠監控生長過程。在使用中，殼體102可用於密封生長室104免於外部環境影響。可建構殼體102之合適的材料包括但不限於不鏽鋼。

在所說明實施例中，坩堝總成110包括分區及多個區；然而，在其他實施例中，除非以不同方式陳述，否則可使用兩壁或單壁坩堝或其他坩堝配置。如所示，坩堝總成110具有三個融化物區-環形外部區138、環形內部區140及生長區144。坩堝總成110包括基座130及圍繞基座130之外周延伸之通常環形側壁132。基座130及側壁132共同界定安置有融化物112之坩堝128之空腔134。坩堝128可由任何合適材料構成，該材料使得系統100能夠如本文中所描述起作用，包括例如石英。

坩堝總成110包括內部分區136，其與側壁132一起界定環形外部區138。生長區144由中心分區142界定。內部分區136與中心分區142之間的間隙界定環形內部區140。

在晶體生長期間，藉由饋送系統120將粒狀或熔融矽連續添加至外部區138。在所說明的實施例中，饋送系統120包括饋送器146及饋送管148。原材料122及/或摻雜材料可經由饋送管148自饋送器146置放於外部融化物區138中以補充融化物112且維持融化物112中之所要摻雜物濃度。

熔融矽經由內部分區136中之開口152流出並進入環形內部區140。在環形內部區140中，熔融矽變得穩定(例如，所攜帶之任何粒狀矽經熔融且溫度穩定)以允許具有相對恆定溫度之矽經由中心分區142中形成之開口168進入生長區144。

藉由將晶種放入生長區144中之融化物中且將晶種及附著錠向上拉動至生長室104中而起始矽錠之生長。可藉由附接至拉線135之夾盤(例如，圖1中所示之夾盤145)緊固晶種。熱屏124可用於減少拉晶機中之熱損失。

加熱系統118經組態以使固體原材料(諸如塊狀多晶矽)之初加料融化，且在融化初加料之後使融化物112維持液化狀態。加熱系統118包括圍繞坩堝總成110配置於合適位置處之複數個加熱器154。加熱器154連接至控制器150，該控制器控制提供至加熱器154之電能以控制由加熱器154供應之熱能量。在所說明的實施例中，控制器150亦控制饋送系統120及原材料122至融化物112之遞送以控制融化物112之溫度。

諸如高溫計或類似溫度感測器之感測器156在生長中之單晶錠之晶體/融化物界面處提供對融化物112之溫度之連續量測。感測器156亦可經組態以量測生長中之錠之溫度。感測器156與控制器150以通信方式耦接。

在柴氏生長過程期間，可經由一或多個氣體入口158將載氣引入至生長室104中以自生長室104移除蒸發物種及微粒。經由氣體入口158引入之氣體經由一或多個排氣出口160排出。合適的惰性氣體包括例如而不限於氬氣、氦氣、氮氣、氖氣及其組合。氣體穿過氣體入口158之流速(亦即，入口流速)可使用一或多個流動控制器162控制。排氣出口160亦與壓力控制器164流體連通連接，該壓力控制器經組態以控制生長過程期間生長室104內之操作壓力。

就此而言，應注意，本文中所描述之加熱、控制及坩堝配置及裝置為例示性的，且除非另有說明，否則可使用其他加熱、控制及坩堝配置及裝置以用於矽錠之連續生長(或用於如此類實施例中之分批再裝填)。

通常，錠以連續過程生長，其中連續或間歇性地將矽添加至外部區138，同時錠繼續生長。可繼續錠生長直至錠接近於可藉由拉晶機支撐之最大重量或長度為止。此時，錠自拉晶機移除，同時拉晶機腔室維持處於或接近於生長溫度。接著重新起始錠生長，就此而言，關於錠生長過程之術語「連續」之使用包括以下此類實施例：其中多個錠以半連續方式生長且其中在生長此類錠時連續或間歇性地將矽添加至拉晶機。

在其他實施例中，使用分批再裝填方法，其中在錠生長及自生長室移除之後添加矽。拉晶機在矽材料之再裝填期間可維持處於或接近於拉晶溫度。

根據本發明之實施例，在矽融化物中雜質之濃度提高至雜質藉由錠以不可接受之速率導出時之濃度(或其中矽融化物應以其他方式自坩堝移除)之後，芯40放入生長區144中之矽融化物中。芯40附接至夾盤145，該夾盤連接至拉線135。芯40藉由石墨銷(未展示)連接至夾盤145。該銷之設計可類似於用於將矽晶種連接至夾盤之銷。

芯40由碳製成且為微孔的，其孔隙度允許芯點燃。在一些實施例中，芯40由碳纖維，諸如石墨剛性絕緣(graphite rigid insulation，GRI)板製成。此類多孔碳材料可藉由形成纖維(例如，人造絲纖維)與樹脂之漿化懸浮液且加熱以自材料燒掉樹脂而製成。接著複合材料經石墨化。在一些實施例中，芯40具有自約0.05至約1 g/cm³ 之密度及/或至少約60%、至少70%或至少80%之孔隙度(例如，自約60%至約99%或形成約80%至約99%之孔隙度)。芯之微觀表面積密度(亦即，微觀表面積比體積)可小於0.1 µm^{- 1} ，諸如自約0.01 µm^{- 1} 至約0.1 µm^{- 1} 或自約0.03 µm^{- 1} 至約0.06 µm^{- 1} 或約0.04 µm^{- 1} 。在一些實施例中，該芯並非為大孔材料之碳氈。

微孔碳材料可經塑形為圓柱體，其具有延伸穿過圓柱體之各端之豎直軸。如圖1中所展示，芯40包括底部44、頂部47及自頂部47延伸至底部44之側壁49。

碳芯40可包括碳基底(亦即，多孔結合碳)及基底表面上之石墨塗層。替代地或另外，芯側壁之一部分(例如，在將該芯放入之後在融化物上方延伸之中間部分)可經塗佈或包覆有陶瓷織物以防止矽液體自該芯之側面噴射出來。

該芯可經成形，使得與矽接觸之部分相較於矽融化物上方之部分具有較高內部碳表面積。可藉由在該芯中包括自底部向上延伸之開孔通道或切口而實現此輪廓以允許矽在浸漬至矽融化物中後沖進該芯。此輪廓針對給定突進深度提高矽滲入之初始速率且增大碳-矽反應物之表面積，該碳-矽反應物產生熱以用於提高芯溫度從而點燃。

在一些實施例中，諸如藉由與高溫鹵素氣體接觸而純化該芯。此純化可使得該芯具有更高反應性。替代地或另外，該芯中之碳可經活化以增大內表面積且促進碳與矽之反應。合適的活性碳來源為碳燈黑。碳燈黑可由由石油產品(例如，FCC焦油、煤焦油、乙烯裂化焦油等等)之不完全燃燒或諸如含碳材料(例如，堅果殼、椰子皮、泥炭、木材、褐煤及煤炭)之其他碳源產生之碳黑製備。藉由在無氧環境下或蒸汽(自約600℃至約1200℃)中之熱解，隨後用強酸或鹼(磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉、氯化鈣或氯化鋅)進行處理，隨後在約450℃與900℃之間的溫度下進行碳化而活化碳材料。

作為使用活性碳之替代方案，非活性碳基底可浸透或塗佈有活性碳(例如，活性碳漿料及視情況選用之黏合劑或分散劑與孔接觸或泵送至孔中或倒入該芯中形成之穿孔中)。黏合劑之量可經選擇使得碳將不會自該芯去除及排出，但允許與碳材料充分接觸。替代地，活性碳可被置放於碳氈中且圍繞該芯捲繞或封裝於鑽孔至該芯中之開口中。

在一些實施例中，活性碳在整個芯中均勻分散以防止熱斑形成於該芯中，及/或在其長度內均勻分散以促進拉晶機之較冷區中之產熱。

碳細線、繩或絲束(碳化聚丙烯腈、人造絲或石油瀝青)可圍繞該芯捲繞或經由軸向地鑽孔至該芯中之一或多個內部通道串接以促進該芯之點燃。任何通道之直徑可接近細線、繩或絲束之直徑以使該芯中空隙之體積最小化。

一般而言，將該芯放入融化物主體中而非僅僅觸碰融化物表面，以允許該芯點燃，如下文所論述。在一些實施例中，該芯放至融化物之高度H₁ 之至少約50%，或融化物之高度H₁ 之至少約75%或甚至至少約85%。在放入之後，該芯可與坩堝底部間隔開(例如，在自融化物抽取矽及將矽抽取至芯中以增大芯與融化物之間的界面表面積時距底部約1 mm至約10 mm (亦即，芯之底部與融化物接觸而非與坩堝底部接觸))。

一旦將芯40放入融化物中，就將初始量之矽向上抽取至芯之孔中(例如，歸因於孔內之毛細作用將矽向上抽取至芯中)。當熔融矽與芯內之纖維表面接觸時，矽與碳反應以形成碳化矽(Si+C-＞SiC)。矽與碳之間的反應為極其放熱的，這致使該芯經加熱。當SiC形成之放熱反應之產熱速率超出輻射及傳導之熱損失速率時，芯溫度提高。

由於芯溫度繼續提高，因此其可達至點燃溫度，在點燃溫度下矽迅速與碳反應且芯之溫度開始迅速升高。在點燃溫度下，產熱速率遠高於散熱速率(藉由輻射及傳導)，以致於SiC形成反應放熱失控。溫度之迅速升高使得芯之額外部分高於矽之熔融溫度，從而使得彼等部分將矽吸走。隨著溫度升高，芯中矽融化物之黏度降低，這允許將額外矽融化物自坩堝向上拉動至芯之孔中。一般而言，點燃致使芯及/或矽變得白熱(亦即，芯看起來可發光)。在一些實施例中，點燃可以在芯之核心內產生約10 W/cm³ 之反應速率進行。

在矽與碳之反應後形成於芯中之碳化矽之一部分可經固化，這在芯孔內，詳言之在誘導期(亦即，自接觸芯至點燃狀況之週期)期間引起「雪泥樣」之狀況。咸信點燃抵消由雪泥引起之黏度提高，由於溫度提高降低芯孔內矽-碳化矽混合物之黏度。

在點燃之後(以及之前)歸因於矽與碳之間的反應在芯中產生熱之速率至少等於(及通常大於)熱自芯損失之速率。此在芯中引起失控反應狀況，這使得坩堝中之大體上所有矽均被抽入芯中。

一般而言，在誘導期期間芯內之矽接近於矽之熔融溫度(亦即，向上抽取之矽在初始導出期間處於自約1410℃至約1480℃之溫度)。在點燃之後，芯中之矽可歸因於放熱反應之失控狀況處於明顯較高溫度(例如，高於初始矽溫度至少250℃，高於在導出之前的坩堝中之矽至少約500℃、至少約750℃或甚至至少約1000℃)。點燃亦可加熱融化物中之剩餘矽及/或熱區組件及/或熱屏。

芯中最初浸漬至融化物中之該部分具有宏觀表面積及宏觀體積。一般而言，具有相對低的宏觀表面積與宏觀體積之比率的芯更有可能點燃，由於此類芯之用以輻射掉熱之表面積較小。在一些實施例中，該芯具有0.025 mm^{- 1} 或更低或0.020 mm^{- 1} 或更低之宏觀表面與體積比。如本文中所提及，「宏觀」表面積及體積指代芯整體之特性(亦即，外部尺寸)且排除該芯之孔之任何表面積及體積特性。該芯之表面積包括包括該芯之側面及底部的與融化物接觸之所有外表面。由於宏觀表面積與體積之比率與該芯之半徑成反比，因此增大該芯之半徑減小表面積與體積之比率且改良矽導出。

一般而言，宏觀表面積與宏觀體積之比率受可用於拉晶機中之該芯之實際直徑束縛(該芯之直徑不能超過通常經大小設定為在晶體生長期間經拉動之晶體錠之標稱直徑的拉晶機及熱區之容量)。在本發明之各種實施例中，該芯之直徑至少在晶體生長過程期間經拉動之錠之直徑之約100 mm內或在晶體生長期間經拉動之錠之直徑之至少約50 mm、至少約25 mm或至少約10 mm內。在一些實施例中，該芯之直徑與在晶體生長期間生長之錠之直徑相同。

如上文所提及，該芯在誘導期期間在將芯插入至融化物中後溫度提高且接著在點燃芯之後溫度更為迅速地提高(且經由點燃提高溫度直至融化物大部分排出為止)。在點燃之前，該芯以速率R₁ 升高溫度且在點燃之後以速率R₂ 提高溫度。初始產熱速率R₁ 可為自約5 W/cm³ 至約10 W/cm³ 且在點燃之後的產熱速率R₂ 可至少約為20 W/cm³ 或甚至至少約25 W/cm³ 。在一些實施例中，R₂ 與R₁ 之比率至少約為1.5或甚至至少約為2或3。芯導出矽之速率在點燃芯之後亦提高。在一些實施例中，在點燃之前導出矽之速率Z₁ 與在芯點燃之後導出矽之速率Z₂ 之比率至少約為5或甚至至少約為10或至少約為15 (例如，自約5至約25或自約5至約10)。

一般而言，當矽液體表面處於溫度T₂ 時執行融化物萃取過程，該溫度處於或接近於溫度T₁ ，在晶體生長期間將拉晶機維持在溫度T₁ 下(例如，在處於或高於矽之熔融溫度的溫度(約1410℃)下執行融化物萃取)。

在一些實施例中，該芯諸如在誘導期期間經外部加熱(例如，電阻式加熱器)。在其他實施例中，該芯未經加熱且僅由於反應熱而溫度提高。

在一些實施例中，如在屏蔽式芯總成中，該芯可被熱屏52遮蔽。如圖2中所示，其中芯40經展示浸漬至坩堝18內之融化物中，熱屏52至少部分地沿著豎直軸包圍芯40。如所示，熱屏52，如芯40為圓柱形且沿著側壁49自芯40之頂部47 (圖1)向下延伸。可使用除圓柱形之外的芯形狀，諸如錐形、矩形區塊等等。儘管可在本文中參考其直徑描述芯，但應注意，此類描述亦可適用於與除圓柱體之外的形狀之芯相關聯之尺寸。

芯40中浸漬至融化物中之該部分在熱屏52下方延伸。熱屏52在融化物萃取期間被帶入至融化物之緊密附近(例如，約1 mm至約10 mm或自約5 mm至約10 mm)內。熱屏52用以保持芯中之熱以提高將矽抽取至芯中之速率以及保護熱區部分免於加熱及免於自反應中之芯排放矽。熱屏52可由各種材料製成，諸如鉬、石墨材料(例如，GRAFOIL)、碳纖維複合物(CFC)或氧化鋁(AlO)。在一些實施例中，石墨箔結合至芯表面以將熱屏及防濺罩整合至芯中。

在一些實施例中，熱屏52可包括若干同心層或環。該等環可由相同材料或不同材料製成。熱屏52可為包括一或多個反射材料塗層之複合材料。熱屏52之內表面可將輻射能量反射回至芯且其他部分可為絕緣的以防止熱損失至拉晶機。熱屏52可包括若干單獨層，諸如外部絕緣層、碳纖維複合物管或石墨管基底層及/或塗佈層。

熱屏52可包括允許產生氣體(例如，SiO)自芯移除之排氣埠及/或可包括用於將真空施加至芯以移除氣體之真空埠。

如圖2中所示，芯40可藉由在裝載矽之後有助於支撐芯40之重量的若干銷55緊固至熱屏52。熱屏52可如圖2中所示與芯40接觸或芯與熱屏之間可存在環隙。銷55可由在與矽重複接觸後及在拉晶機環境下耐久之材料，諸如碳化矽或石墨構成。

替代熱屏或除熱屏之外，真空可施加至芯以促進將矽抽取至芯中。此可提高產熱速率且縮短誘導期。可根據本發明之一些實施例使用之三個不同芯配置展示於圖3中。芯40包括連接至真空裝置(未展示)以用於拉動真空(相對於拉晶機大氣)之埠59。在圖3A之配置中，埠59延伸穿過芯達到其底部表面。在圖3B之配置中，埠59延伸至芯中但終止於芯內(亦即，並不完全延伸至底部表面以防止該埠被矽融化物迅速堵塞)。在圖3C之配置中，真空埠59在中間部分中為非連續的以防止熔融矽被抽取至真空系統中。芯40可包括任何適合大小及數目之埠(例如，一個、兩個、三個或更多個埠)。埠59可具有恆定直徑或可包括多個交錯直徑。

該芯(或在使用熱屏情況下為屏蔽式芯總成)可包括各種元件以在導出矽後芯質量增大時支撐該芯。舉例而言且如圖4中所示，芯40可包括朝向其端部形成隅角62之較小直徑部分。環65連接至熱屏52以支撐芯40。緊固件(未展示)可用於將環65連接至熱屏52。芯40可包括徑向地延伸穿過芯40及熱屏52以進一步支撐該芯之額外銷。環65可替代地連接至外部支撐桿66 (圖5)而非外部屏蔽件。在其他實施例中且如圖6中所示，豎直銷67可延伸至芯40中以支撐該芯。

安瓿裝置72 (圖7)可用於芯總成中以防止碳交叉污染矽融化物。安瓿72及芯40藉由套管77 (在圖7中以橫截面展示)分離，該套管支撐安瓿以及將該芯與拉晶機之熱區隔離。套管77亦可導引反應產物氣體離開拉晶機。芯40之一部分在套管77下方延伸。安瓿72包括與安瓿72之底部間隔開之流入孔口75。矽在矽導出期間流入流入孔口75。防止與芯40接觸(或近似接觸)之矽流出安瓿裝置72。由於唯一開口為填充有進入矽之孔口75，因此防止反向流動。

流入孔口75可經大小設定以實現足以防止反向流動但足夠大以使得該芯以並不會致使芯熄滅之足夠速率熔融饋送的填充速度。流入孔口75應處於一豎直位置，在該豎直位置處，若矽在萃取之後自芯流出，則並不會使得矽反向流動，但該豎直位置足夠低以使得坩堝中孔口75之位置下方幾乎沒有矽。安瓿72可與內部坩堝略微間隔開以防止安瓿及坩堝熔合。

安瓿72可由耐受萃取過程之溫度而不會污染諸如石英之融化物的任何材料製成。套管77可由石英、碳化矽或石墨或在加熱時並不排出氣體之另一合適材料製成。

在芯將矽向上抽吸之後，可使得形成該芯之碳化矽硬化且該芯自坩堝升高。該芯可經處理或再循環以產生其他碳化矽組分。在一些實施例中，在萃取之後將該芯(及使用安瓿之實施例中之安瓿)維持在坩堝中之其位置處達一段時間以允許已進入該芯之矽進一步向上拉動至該芯中。此允許朝向該芯之底部產生空隙，其在芯中之矽硬化時可容納材料之任何回滴。

相較於用於自坩堝萃取矽融化物之習知方法，本發明之方法具有若干優點。藉由使用多孔碳材料(相較於諸如碳氈之孔隙較少材料)，矽最初可藉由毛細作用向上芯吸，這增大矽與碳之間的接觸區域且致使材料經加熱。藉由使用宏觀表面積與體積之比率相對低之材料(亦即，通常為直徑較大之芯)，熱可較好地保持於芯中，這可使得芯溫度提高且達至發生熱失控反應狀況之點燃溫度。藉由使用微觀表面積與微觀體積之比率相對低之材料，可增大產熱。點燃使得芯溫度迅速提高，由此防止矽凝固以及減小向上抽取之矽及/或碳化矽雪泥之黏度，這允許藉由毛細作用迅速向上芯吸額外矽。多孔可點燃碳材料之使用允許在芯不與坩堝底部接觸之情況下藉由毛細作用向上抽吸矽材料(亦即，清空坩堝)。藉由將多孔碳芯浸漬至矽融化物中而非僅接觸融化物之表面，在誘導期期間更迅速地導出矽，這減小誘導時間且提高總體產熱速率。在芯已經純化(諸如藉由與高溫鹵素氣體接觸)之實施例中，芯可更具反應性。

在處於或接近於執行晶體生長過程時之溫度的溫度下執行萃取過程之實施例中，拉晶機部分在萃取期間遭受較少磨損，從而延長其使用壽命。在處於或接近於執行晶體生長過程時之溫度的溫度下執行萃取亦使得拉晶機系統中之坩堝及其他消耗組件經保留以供後續晶體生長。

在融化物溫度在融化物萃取期間降低之實施例中，減少二氧化矽之產生，這改良後續錠LZD效能、減小由SiO「煙塵」產生引起之相機埠之遮擋(直徑控制問題之較小改變)且使高溫監控變得更準確。實例

本發明之過程進一步由以下實例說明。此等實例不應在限制性意義上進行檢視。實例 1 ：芯之間的熱環境與不同宏觀表面積 - 體積比之比較

將由微孔碳製成之芯放入坩堝中以在用於藉由連續柴氏過程(cCz)產生200 mm矽錠之拉晶機中萃取矽融化物。該芯具有80 mm之直徑。藉由具有類似特性但具有200 mm直徑之芯執行另一融化物萃取回合。80 mm芯具有0.05 mm^{- 1} 之(該芯中浸漬至融化物中之該部分之)宏觀表面積與體積比。200 mm直徑芯具有0.02 mm^{- 1} 之(該芯中浸漬至融化物中之該部分之)表面積與體積比。芯具有自約0.1至約0.2 g/cm³ 之密度、約90%之孔隙度及小於約0.1 µm^{- 1} 之微觀表面積與體積比。

對於正好在滲入開始之前與液體接觸之兩個不同直徑的芯，沿著芯之軸線之模擬穩態溫度量變曲線(0為芯之底部)展示於圖8中。如自圖8可見，200 mm直徑的芯跨越前100 mm長度較熱，這指示該芯較擅長於保持熱及促進點燃及導出矽。實例 2 ：具有或不具有熱屏之芯之間的熱環境之比較

針對具有為微孔碳且被鉬熱屏遮蔽之200 mm芯之屏蔽式芯總成獲得模擬溫度量變曲線。針對不具有熱屏之芯執行另一模擬。

當芯正好在滲入開始之前與液體接觸時沿著芯之軸線之模擬穩態溫度量變曲線展示於圖9中。如自圖9可見，屏蔽式芯跨越其超過400 mm之長度較熱，這指示該芯較擅長於保持熱及促進點燃及導出矽。實例 3 ：針對不同芯直徑之矽導出速率

具有不同直徑之由微孔碳製成之若干芯用於自用於藉由連續柴氏過程(cCz)產生200 mm矽之拉晶機萃取矽融化物。芯具有自約0.1至約0.2 g/cm³ 之密度、約90%之孔隙度及小於約0.1 µm^{- 1} 之微觀表面積與體積比。圖10展示如在萃取過程期間所量測之芯之重量。如圖10中所示，具有較大直徑(直徑約200 mm)之芯在誘導期期間通常更迅速地導出矽且相對於較小直徑芯(直徑約150 mm)更有可能點燃。實例 4 ：在萃取期間之矽導出之速率

將由微孔碳製成之芯放入坩堝中以在用於藉由連續柴氏過程(cCz)產生200 mm矽之拉晶機中萃取矽融化物。該芯具有自約0.1至約0.2 g/cm³ 之密度、約90%之孔隙度及小於約0.1 µm^{- 1} 之微觀表面積與體積比。將該芯以約25 mm深度浸漬至矽融化物中且降至距坩堝底部約10 mm。圖11展示如在萃取過程期間所量測之芯之重量。在浸漬約4秒之後歸因於矽融化物中芯之浮力該芯重量減小。在約232秒之誘導期期間繼續將矽抽取至芯中。在約175秒處，反應及導出接近終止(如在曲線接近穩定時所示)。在誘導期之後，點燃芯(亦即，SiC反應之熱失控)且將矽迅速抽取至芯中達29秒直至其耗盡為止。實例 5 ：連續柴氏錠生長及融化物萃取

在200 mm拉晶機中拉動若干連續柴氏晶體。藉由使用Sinton BCT-400壽命測試器對晶體區段小塊進行量測，最後一個錠之尾端具有600 µ-s之少數載流子壽命(在MCD=1x10¹⁵ cm^{- 3} 下，電阻率=2至3 ohm cm，p型矽)。拉動經排放晶體以將內部坩堝清空為8與9 kg之間的融化物。具有微孔碳之六個矩形芯(6"x6"x1"厚)共同成塊以形成6''x6''x6''區塊。芯具有自約0.1至約0.2 g/cm³ 之密度、約90%之孔隙度及小於約0.1 µm^{- 1} 之微觀表面積與體積比。

此等芯中之兩者依次地用於萃取。芯材料之密度約為0.19 g/cm且芯為Americarb RG-18結構。第一區塊藉由鎢銷支撐且放入牽拉腔中。該芯點燃約5 kg之融化物、使約5 kg之融化物反應及萃取約5 kg之融化物。鎢銷熔融，但該結構保持完好。

第二區塊(與第一區塊以相同方式形成)藉由碳銷支撐且放入坩堝中。第二區塊點燃所有剩餘融化物，使所有剩餘融化物反應且萃取所有剩餘融化物，從而使內部坩堝乾燥。此區塊保持完好。移除第二區塊且開始多晶矽饋送，從而將內部坩堝填充至正常操作水平。浸漬晶種且首次嘗試在無零錯位損失(LZD)問題之情況下拉動晶體。在與先前晶體類似之條件下藉由Sinton BCT-400量測來自此晶體之晶種端之晶體區段小塊之少數載流子壽命，且發現該壽命超過1400 μ-s (就此配置而言基本上為起始少數載流子壽命)。兩個晶體之碳含量為0.2至0.4 ppma且兩個晶體之間未觀測到顯著的品質差異。此表明未藉由使用兩個芯添加大量碳。

如本文中所使用，術語「約」、「大體上」、「基本上」及「大致」在結合尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學屬性或特性之範圍使用時意欲涵蓋該等屬性或特性之範圍之上限及/或下限內可存在之變化，包括例如由捨入引起之變化、量測方法或其他統計變化。

當引入本發明或其實施例之元件時，冠詞「一(a，an)」、「該(the/said)」意指存在該等元件中之一或多者。術語「包含」、「包括」、「含有」及「具有」意欲為包含性的，且意謂可存在除所列元件之外的額外元件。使用指示特定定向(例如，「頂部」、「底部」、「側部」等等)之術語係為了便於描述且並不需要所描述項之任何特定定向。

由於可在不脫離本發明之範疇的情況下在上述構造及方法中作出各種改變，因此希望上述描述中所含有的及隨附圖式中所展示的所有事項將解釋為說明性的且不具有限制性意義。

18‧‧‧坩堝

40‧‧‧芯

44‧‧‧底部

47‧‧‧頂部

49‧‧‧側壁

52‧‧‧熱屏

55‧‧‧銷

59‧‧‧埠/真空埠

62‧‧‧隅角

65‧‧‧環

66‧‧‧外部支撐桿

67‧‧‧豎直銷

72‧‧‧安瓿/安瓿裝置

75‧‧‧流入孔口

77‧‧‧套管

100‧‧‧拉晶機

102‧‧‧殼體

104‧‧‧生長室

106‧‧‧晶座

108‧‧‧旋轉軸

110‧‧‧坩堝總成

112‧‧‧融化物

118‧‧‧加熱系統

120‧‧‧饋送系統

122‧‧‧原材料

124‧‧‧熱屏

126‧‧‧上部圓頂

128‧‧‧坩堝

130‧‧‧基座

132‧‧‧側壁

134‧‧‧空腔

135‧‧‧拉線

136‧‧‧內部分區

138‧‧‧環形外部區

140‧‧‧環形內部區

142‧‧‧中心分區

144‧‧‧生長區

145‧‧‧夾盤

146‧‧‧饋送器

148‧‧‧饋送管

150‧‧‧控制器

152‧‧‧開口

154‧‧‧加熱器

156‧‧‧感測器

158‧‧‧氣體入口

160‧‧‧排氣出口

162‧‧‧流動控制器

164‧‧‧壓力控制器

168‧‧‧開口

A‧‧‧豎直軸

圖1為拉晶機及碳芯總成之示意性橫截面圖；

圖2為坩堝及屏蔽式碳芯總成之另一實施例之示意性橫截面圖；

圖3為具有不同真空口配置之碳芯之三個實施例之示意圖；

圖4為具有在該芯之底切部分處支撐該芯之環之屏蔽式碳芯總成的橫截面；

圖5為由環支撐之芯及外部桿之正視圖；

圖6為由延伸至該芯中之豎直銷支撐之芯之正視圖；

圖7為屏蔽式碳芯總成及用於防止融化物之反向污染之安瓿之正視圖；

圖8為用於在實例1之條件下抽出矽之具有不同直徑之兩個芯之熱分佈之曲線圖；

圖9為用於在實例2之條件下抽出矽之具有或不具有熱屏之芯之熱分佈之曲線圖；

圖10為展示在對於不同直徑芯之矽萃取期間多孔碳芯之重量之曲線圖；以及

圖11為展示多孔碳芯在萃取期間之重量之曲線圖。

在整個圖式中，對應的元件符號指示對應的部件。

Claims (39)

1. 一種用於自坩堝移除矽融化物之方法，該方法包含： 將芯放入該矽融化物中，該芯由多孔碳製成； 將初始量之矽抽取至該芯之孔中以致使一定量之矽與碳反應且釋放熱量，至少部分地保持該熱量以致使該芯之溫度提高； 提高該芯之該溫度直至達至該芯點燃之點燃溫度為止；以及 在點燃該芯之後將額外矽抽取至該等孔中。
2. 如請求項1之方法，其中在將初始量之矽抽取至該芯之該等孔中以致使一定量之矽與碳反應且釋放熱量時以速率R₁ 產生熱量且在點燃之後以速率R₂ 產生熱量，R₂ 與R₁ 之比率至少約為1.5。
3. 如請求項1之方法，其中該等孔中之該矽融化物之黏度在點燃之後降低以致使額外矽融化物自該坩堝向上拉動且進入該芯。
4. 如請求項1之方法，其中一部分抽取至該芯中之矽與碳反應以形成碳化矽。
5. 如請求項1之方法，其中在點燃之前以速率Z₁ 將矽向上抽取至該芯中且在點燃之後以速率Z₂ 將矽向上抽取至該芯中，Z₂ 與Z₁ 之比率至少約為5。
6. 如請求項1之方法，其中在點燃之前及之後歸因於矽與碳之間的反應在該芯中產生熱量的速率至少等於熱量自該芯損失之速率以允許該坩堝中之大體上所有之該矽被抽入該芯中。
7. 如請求項1之方法，其中該坩堝具有豎直軸且該矽融化物在該芯放入該融化物中之前具有高度H₁ ，該芯降至該融化物之該高度H₁ 之至少約50%。
8. 如請求項1之方法，其中該坩堝具有底部，該芯在將自該融化物抽取矽且進入該芯中時與該底部間隔開。
9. 如請求項1之方法，其中該芯中浸漬至該融化物中之部分具有宏觀體積及宏觀表面積，該宏觀表面積與該宏觀體積之比率小於約0.025 mm^{- 1} 。
10. 如請求項1之方法，其中該芯之微觀密度小於約0.1 µm^{- 1} 。
11. 如請求項1之方法，其中該芯為多孔結合碳纖維。
12. 如請求項1之方法，其中該芯及/或矽在點燃後變得白熱。
13. 如請求項1之方法，其中該芯部分地由熱屏包覆。
14. 如請求項13之方法，其中該熱屏包含鉬、石墨或碳纖維複合物。
15. 如請求項1之方法，其中該芯包含碳基底及該基底之表面上之石墨塗層。
16. 如請求項1之方法，其進一步包含將真空施加至該芯以促進將矽抽取至該芯中。
17. 如請求項1之方法，其中在點燃之後該芯中之該矽比該坩堝中矽之溫度高至少約250℃。
18. 如請求項1之方法，其中該芯由安瓿包覆，該安瓿包含允許矽進入該安瓿與芯之間的空間的流入孔口。
19. 如請求項1之方法，其中提高該芯之該溫度直至達至點燃溫度為止包含藉由反應熱使該芯之溫度提高。
20. 如請求項1之方法，其中該提高該芯之該溫度直至達至點燃溫度為止包含該芯之外部加熱。
21. 如請求項1之方法，其中該芯由微孔碳製成。
22. 如請求項1之方法，其中該多孔碳芯之表面經活化。
23. 一種用於在包含坩堝之拉晶機中生長矽錠之方法，該方法包含： 將矽材料源提供至該坩堝中以形成矽融化物； 自該矽融化物抽出一或多個錠； 終止錠生長，在終止錠生長之後該坩堝中剩餘一池矽；以及 藉由如請求項1之方法移除該池矽。
24. 如請求項23之方法，其中在自該矽融化物抽出錠時添加該矽源。
25. 如請求項23之方法，其中自該矽融化物抽出第一錠且該矽材料源為第一矽材料源，該方法進一步包含： 在移除該池矽之後將第二矽材料源添加至該坩堝中而無需自該拉晶機移除該坩堝；及 自該矽融化物抽出第二錠。
26. 如請求項23之方法，其中自該融化物拉動之該等錠具有一定直徑且該芯具有一定直徑，該芯之該直徑至少在自該融化物拉動之該等錠之該直徑之約100 mm內。
27. 如請求項23之方法，其中自該融化物拉動之該等錠具有一定直徑且該芯具有一定直徑，該芯之該直徑與在晶體生長期間所生長之該等錠之直徑相同。
28. 一種用於自坩堝移除矽之屏蔽式芯總成，該總成包含： 多孔碳芯，該芯具有底部、頂部及自該頂部延伸至該底部之側壁，該芯具有延伸穿過該芯之該頂部及該底部之豎直軸；及 熱屏，其至少部分地沿著該豎直軸包圍該芯。
29. 如請求項28之屏蔽式芯總成，其中該芯連接至該熱屏。
30. 如請求項28之屏蔽式芯總成，其中該熱屏自該芯之該頂部且沿著該一或多個側壁向下延伸。
31. 如請求項30之屏蔽式芯總成，其中該芯之一部分延伸至該熱屏下方。
32. 如請求項28之屏蔽式芯總成，其中該熱屏包含鉬、石墨或碳複合纖維。
33. 如請求項28之屏蔽式芯總成，其包含該芯與該熱屏之間的環隙。
34. 如請求項28之屏蔽式芯總成，其中該芯及該熱屏為圓柱形。
35. 如請求項28之屏蔽式芯總成，其中該芯由微孔碳製成。
36. 一種用於自坩堝移除矽之芯總成，該總成包含： 多孔碳芯，該芯具有底部、頂部及自該頂部延伸至該底部之側壁，該芯具有延伸穿過該芯之該頂部及該底部之豎直軸；及 安瓿，其至少部分地沿著該豎直軸包圍該芯，該安瓿具有底部及與該底部間隔開之流入孔口以允許矽進入該安瓿與芯之間的空間。
37. 如請求項36之芯總成，其包含支撐該安瓿且屏蔽該芯不受該拉晶機干擾之套管。
38. 如請求項36之芯總成，其中該安瓿由石英製成且該套管由選自由石英、碳化矽及石墨組成之群之材料製成。
39. 如請求項36之芯總成，其中該芯由微孔碳製成。