TW202219334A - 將熱屏蔽安置於側端加熱器下方的拉錠器及使用該拉錠器製備錠塊的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示將一熱屏蔽安置在一側端加熱器下方之拉錠器及用以在此拉錠器中製備一錠塊之方法。在一些實施例中，該側端加熱器相對較短。當坩堝在該拉錠器中位於其最低位置時，該側端加熱器可完全高於該坩堝之一底面。

Description

將熱屏蔽安置於側端加熱器下方的拉錠器及使用該拉錠器製備錠塊的方法

本發明之領域係關於拉錠器且特定言之，在一側端加熱器下安置有一熱屏蔽之拉錠器。

一些習知拉錠器包含拉錠器熱區中之一相對較長側端加熱器。為達成熔體之一所要溫度分佈，移除接近熱區之底部之絕緣材料。絕緣材料之移除增加側端加熱器能量輸入以藉此降低熱效率。此外，相對較長加熱器可加熱坩堝之底部及用於在晶體生長期間升高坩堝時升高坩堝之軸桿以進一步降低程序之能量效率。

需要具有允許達成一所要溫度分佈之一熱區同時提高熱區及加熱系統之效率之拉錠器。

此節意欲向讀者介紹可與下文將描述及/或主張之本發明之各種態樣有關之各種技術態樣。可認為此討論有助於向讀者提供背景資訊以促進本發明之各種態樣之一較佳理解。因此，應理解，此等敘述，應鑑於此解讀，而非被承認為先前技術。

本發明之一態樣係針對一種用於產生一矽錠之拉錠器。該拉錠器包含用於保持矽之一熔體之一坩堝。該坩堝具有一底面及自該底面延伸之一側壁。該拉錠器包含用於自該熔體沿一拉軸提拉一矽錠之一生長室。該拉錠器包含用於在晶體生長期間相對於該拉軸升高及降低該坩堝之一升降機構。該坩堝軸向移動於其中熔化矽之一進料以產生該矽熔體之一最低位置、其中一晶種開始與該熔體接觸以自該熔體提拉該矽錠之一浸種位置及其中該坩堝已耗盡熔體之一終端位置之間。隨著該坩堝自該最低位置行進至該終端位置，一側端加熱器徑向安置於該坩堝側壁外。一底部加熱器安置於該坩堝底面下。一熱屏蔽直接安置於該側端加熱器下。

本發明之又一態樣係針對一種用於以一拉錠器製備一錠塊之方法，該拉錠器包括：一坩堝，其具有一底面及自該底面延伸之側壁；一側端加熱器，其徑向安置於該坩堝側壁外；及一熱屏蔽，其直接安置於該側端加熱器下。當該坩堝位於一最低位置時，在該坩堝中形成矽之一熔體，當該坩堝位於該最低位置時，該側端加熱器完全位於該坩堝之該底面上。該熔體與一晶種接觸。自該矽熔體抽出一錠塊。該坩堝隨著該錠塊自該矽熔體抽出而升高，當該錠塊與該熔體分離時，該坩堝位於一終端位置。

存在相對於本發明之上述態樣所提及之特徵之各種改進。進一步特徵亦可併入本發明之上述態樣中。此等改進及額外特徵可個別或以任何組合存在。例如，下文相對於本發明之繪示實施例之任何者所討論之各種特徵可單獨或以任何組合併入至本發明之上述態樣之任何者中。

一拉錠器(ingot puller apparatus)(或更簡言之，「拉錠器(ingot puller)」)在圖1中大體上以「100」指示。拉錠器100包含用於保持半導體或太陽級材料(諸如矽)之一熔體104之一坩堝102，其由一基座106支撐。拉錠器100包含界定用於自熔體104沿一拉軸A提拉一矽錠113 (圖2)之一生長室152之一拉晶器外殼108。

坩堝102包含一底面129及自底面129向上延伸之一側壁131。側壁131大體上垂直。底面129包含延伸於側壁131下之坩堝102之彎曲部分。坩堝102包含一底部116，其係坩堝102相對於拉軸A之最低點。具有一熔體表面111 (即，熔體-錠塊界面)之矽熔體104位於坩堝102內。

基座106由一軸桿105支撐。基座106、坩堝102、軸桿105及錠塊113 (圖2)具有一共同縱軸A或「拉軸」A。

一提拉機構114提供於拉錠器100內用於使一錠塊113自熔體104生長及提拉。提拉機構114包含一提拉纜線118、耦合至提拉纜線118之一端之一晶種保持器或卡盤120及耦合至晶種保持器或卡盤120用於引發晶體生長之一晶種122。提拉纜線118之一端連接至一滑輪(圖中未展示)或一鼓輪(圖中未展示)或任何其他適合類型之升降機構(例如一軸桿)，且另一端連接至保持晶種122之卡盤120。在操作中，降低晶種122以接觸熔體104。操作提拉機構114以引起晶種122升高。此引起一單晶錠113 (圖2)自熔體104提拉。

在加熱及拉晶期間，一坩堝驅動單元107 (例如一馬達)使坩堝102及基座106旋轉。在生長程序期間，一升降機構112使坩堝102沿拉軸A升高及降低。例如，如圖1中所展示，坩堝可位於其中熔化了先前添加至坩堝102之固態多晶矽之一進料之一最低位置(靠近底部加熱器126)。晶體生長藉由使熔體104與晶種122接觸及由提拉機構114拉升晶種122來開始。坩堝102可在熔體104與晶種122接觸之前自其最低位置升高一距離(即，升高至一「浸種位置」)。

隨著錠塊生長，矽熔體104逐漸被消耗且坩堝102中熔體之高度降低。可升高坩堝102及基座106以維持熔體表面111處於或靠近相對於拉錠器100之相同位置。坩堝102可軸向移動於圖1中所展示之其最低位置(例如在熔化時)至其中一晶種開始與熔體接觸以自熔體提拉矽錠之浸種位置，以及其中坩堝已耗盡熔體之一終端位置(圖3)之間。坩堝102之終端位置高於坩堝102之浸種位置(及最低位置)。

一晶體驅動單元(圖中未展示)亦可使提拉纜線118及錠塊113 (圖2)在與晶體驅動單元107使坩堝102旋轉之方向相反之一方向上旋轉(例如反向旋轉)。在使用同向旋轉之實施例中，晶體驅動單元可使提拉纜線118在晶體驅動單元107使坩堝102旋轉之相同方向上旋轉。另外，晶體驅動單元在生長程序期間使錠塊113視需要相對於熔體表面111升高及降低。

拉錠器100可包含一惰性氣體系統以自生長室152引入及抽出諸如氬氣之一惰性氣體。拉錠器100亦可包含用於將摻雜劑引入熔體104中之一摻雜劑供給系統(圖中未展示)。

根據丘克拉斯基(Czochralski)單晶生長程序，將多晶矽或聚合矽之一數量裝載至坩堝102。引入坩堝中之半導體或太陽級材料由自一或多個加熱元件提供之熱熔化。拉錠器100包含底部絕緣材料110及側端絕緣材料124以保持提拉器中之熱。在所繪示之實施例中，拉錠器100包含安置於坩堝底面129下之一底部加熱器126。坩堝102可經移動以相對緊密接近底部加熱器126以熔化裝載至坩堝102之多晶體。

為形成錠塊，晶種122與熔體104之表面111接觸。操作提拉機構114以自熔體104提拉晶種122。現參考圖2，錠塊113包含其中錠塊自晶種122向外過渡及漸縮以達到一目標直徑之一冠狀部分142。錠塊113包含藉由提高提拉速率來生長之晶體之一恆定直徑部分145或圓柱形「主體」。錠塊113之主體145具有一相對恆定直徑。錠塊113包含其中錠塊在主體145之後直徑漸縮之一尾部或端錐149 (圖3)。當直徑變得足夠小時，錠塊113與熔體104分離。錠塊113具有延伸穿過錠塊103之冠狀部分142及一終端150之一中心縱軸A。

拉錠器100包含一側端加熱器135及環繞坩堝102之一基座106以在晶體生長期間維持熔體104之溫度。隨著坩堝102沿拉軸A上下行進(例如，自最低位置至終端位置)，側端加熱器135安置於坩堝側壁131之徑向外。側端加熱器135及底部加熱器126可為允許側端加熱器135及底部加熱器126如本文所描述般操作之任何類型之加熱器。在一些實施例中，加熱器135、126係電阻加熱器。側端加熱器135及底部加熱器126可由一控制系統(圖中未展示)控制，使得在整個提拉程序中控制熔體104之溫度。

根據本發明之實施例，側端加熱器135可具有相對於習知拉錠晶器之一相對較短長度L ₁₃₅(即，高度)，其可減少錠塊113中引出之氧含量。在一些實施例中，側端加熱器135可具有500 mm或更小、450 mm或更小、400 mm或更小或350 mm或更小之一長度L。隨著坩堝102行進於坩堝最低位置、浸種位置及終端位置之間，側端加熱器135之至少一部分與坩堝102之側壁131橫向對準(例如，自拉軸A向外正交延伸之一半徑能夠與側壁131及坩堝102相交)。

拉錠器100亦包含環繞坩堝102及基座106以在晶體生長期間維持熔體104之溫度之一熱屏蔽140。熱屏蔽140安置於側端加熱器135下且可與側端加熱器135由一間隙155分隔開。在一些實施例中，熱屏蔽140與側端加熱器135分隔開不超過約50 mm或不超過40 mm (例如自30 mm至約50 mm)。在其他實施例中，熱屏蔽140不與側端加熱器135分隔開(即，熱屏蔽140及側端加熱器135係連續的)。

在所繪示之實施例中，熱屏蔽140直接安置於側端加熱器135下(即，側端加熱器135及熱屏蔽140對準(當自下觀看時)或「垂直對準」)。在一些實施例中，熱屏蔽140具有大於熱屏蔽140之厚度T ₁₄₀之一長度L ₁₄₀(圖2)。熱屏蔽140可具有至少為側端加熱器135之厚度T ₁₃₅且在其他實施例中係側端加熱器135之厚度T ₁₃₅之至少1.1倍、側端加熱器135之厚度T ₁₃₅之至少1.25倍或側端加熱器135之厚度T ₁₃₅之至少1.5倍(例如自側端加熱器135之厚度T ₁₃₅之1.0倍至2.0倍)之一厚度T ₁₄₀。熱屏蔽140可相對於側端加熱器135徑向安置，使得熱屏蔽140之一部分與側端加熱器135之各側重疊(即，當自上觀看時，熱屏蔽140之一第一部分在側端加熱器135之徑向內且熱屏蔽140之一第二部分在側端加熱器135之徑向外)。

熱屏蔽140一般可由減少側端加熱器135之底部部分之冷卻之任何材料製成。熱屏蔽可包含絕緣材料或反射材料。熱屏蔽可分層。在其中熱屏蔽可由絕緣材料製成之實施例中，絕緣材料可覆蓋有石墨以降低錠塊之零差排之風險。在一些實施例中，熱屏蔽可包含一石墨殼，其中鉬片安置於殼內以阻擋輻射。

拉錠器100可包含一第二熱屏蔽151 (例如，其中第一熱屏蔽140係一「下」熱屏蔽且第二熱屏蔽151係一「上熱屏蔽」)。第二熱屏蔽151可側圍錠塊113使得錠塊穿過第二熱屏蔽151所形成之一開口160。第二熱屏蔽151可在晶體生長期間安置於坩堝102內(例如坩堝102之終端位置所展示，如圖3中所展示)。

坩堝102在圖1中展示為位於其最低位置。在所繪示之實施例中，當坩堝102位於其最低位置時，側端加熱器135完全位於坩堝102之底面129上。例如，坩堝102之底部116與側端加熱器135之間的距離(即，至側端加熱器135之底部之距離)可為至少約25 mm或至少約50 mm。坩堝102之底部116與側端加熱器135之頂部之間的距離可為至少約75 mm或至少約100 mm。熱屏蔽140之至少一部分高於坩堝102之底部116。熱屏蔽140之至少一部分亦低於坩堝102之底面129之至少一部分。

坩堝102在圖3中展示為位於其終端位置。在所繪示之實施例中，當坩堝102位於終端位置時，熱屏蔽140完全低於坩堝102之底面129。當坩堝102位於終端位置時，熱屏蔽140亦完全低於基座106。

本發明之拉錠器具有相較於習知拉錠器之若干優點。在其中拉錠器包含一相對較短側端加熱器(例如當側端加熱器具有500 mm或更小、450 mm或更小、400 mm或更小或350 mm或更小之一長度及/或側端加熱器完全高於坩堝之底面(此時坩堝位於其最低位置)時)之實施例中，隨著坩堝在錠塊生長期間逐漸升高，來自側端加熱器之熱直接導引至坩堝及基座而不使一些能量導引向軸桿及底部絕緣材料。此導致更高效能量使用且使熔體熱點自熔體-坩堝界面向上移動。此允許添加更多絕緣材料以使熱點向下移動且以較少能量及較少洩漏朝向熱區之底部維持相同溫度分佈以藉此提高效率。在錠塊之後體(即，在拉器中坩堝相對較高時生長之接近端錐之恆定直徑部分之部分)之生長期間，坩堝壁之溫度範圍可相對較寬以使用較長加熱器，其允許減少後體之間隙氧。

在其中一熱屏蔽安置於側端加熱器下之實施例中，熱屏蔽減少側端加熱器之下部分之冷卻，因為熱屏蔽減少暴露於接近熱區之底部之相對較冷組件。此減少加熱器達成其所要溫度所需之能量且提高熱區之能量效率。 實例

本發明之程序由以下實例進一步繪示。此等實例不應被視為意在限制。 實例 1 ：使用具有一 525 mm 加熱器之一熱區對具有在加熱器下安置有一熱屏蔽之一 325 mm 加熱器之一熱區

圖5展示圖4之拉錠器之熱區組態之溫度分佈(熔體及加熱器之較冷部分在圖5及圖6中以較暗彩斑展示)。圖4之熱區包含具有525 mm之一長度之一側端加熱器135且在側端加熱器下不包含一熱屏蔽。熱區亦包含朝向熱區之底部移除以達成所要溫度分佈之絕緣材料之一部分。圖4之側端加熱器以103 kW操作且底部加熱器以5 kW操作(108 kW總熱輸入)。當熔體熱點位於熔體-坩堝界面處時，圖5之溫度分佈係值得期望的。如圖5之右邊之側端加熱器之溫度分佈中所展示，由於減少絕緣材料，側端加熱器在接近加熱器之下部分時相對較冷。

圖6展示其中使用325 mm長之一相對較短側端加熱器135 (即，比圖4之側端加熱器小200 mm)之圖1至圖3之拉錠器之熱區組態之溫度分佈。熱區包含安置於側端加熱器135下之一熱屏蔽140。熱區包含相對於圖4之熱區朝向拉錠器之底部移除之絕緣材料量(約1英寸)。側端加熱器135以59 kW操作且底部加熱器以5 kW操作(64 kW總熱輸入)。

如圖6中所展示，熔體具有實質上相同於圖4之熱區(如圖5中所展示)之所要溫度分佈，但拉錠器以少44 kW功率輸入操作(即，少41%)。

如本文所使用，術語「約」、「實質上」、「基本上」及「近似」在結合尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍使用時意謂涵蓋可存在於性質或特性之範圍之上限及/或下限中之變動，其包含(例如)源自捨入、量測方法或其他統計變動之變動。

當引入本發明或其實施例之元件時，冠詞「一」及「該」意欲意謂存在一或多個該等元件。術語「包括」、「包含」、「含有」及「具有」意欲為包含性且意謂可存在除所列元件之外的額外元件。使用指示一特定定向(例如「頂部」、「底部」、「側端」等等)之術語係為了方便描述且對描述項無任何特定定向要求。

由於可在不背離本發明之範疇之情況下對上述構造及方法作出各種改變，因此以上描述中所含及附圖中所展示之所有物質意欲被解譯為意在繪示而非限制。

100:拉錠器 102:坩堝 104:(矽)熔體 105:軸桿 106:基座 107:坩堝驅動單元 108:拉晶器外殼 110:底部絕緣材料 111:熔體表面 112:升降機構 113:矽錠/錠塊 114:提拉機構 116:底部 118:提拉纜線 120:卡盤 122:晶種 124:側端絕緣材料 126:底部加熱器 129:(坩堝)底面 131:(坩堝)側壁 135:側端加熱器 140:熱屏蔽 142:冠狀部分 145:主體 149:端錐 150:終端 151:第二熱屏蔽 152:生長室 155:間隙 160:開口 A:拉軸/中心縱軸 L ₁₃₅:長度 L ₁₄₀:長度 T ₁₃₅:厚度 T ₁₄₀:厚度

圖1係在一側端加熱器下安置有一熱屏蔽之一拉錠器之一橫截面圖，其中坩堝位於最低位置；

圖2係錠塊生長期間之拉錠器之一橫截面圖；

圖3係拉錠器之一橫截面圖，其中坩堝位於其中耗盡熔體之一終端位置；

圖4係具有一相對較長側端加熱器且在側端加熱器下無熱屏蔽安置之另一拉錠器之一橫截面圖；

圖5係圖4之拉錠器之熔體及側端加熱器之溫度分佈之一示意圖；及

圖6係圖1至圖3之拉錠器之熔體及側端加熱器之溫度分佈之一示意圖。

對應元件符號指示所有圖式中之對應部分。

100:拉錠器

102:坩堝

104:熔體

106:基座

110:底部絕緣

113:矽錠/錠塊

116:底部

122:晶種

124:側端絕緣材料

126:底部加熱器

129:底面

131:側壁

135:側端加熱器

140:熱屏蔽

142:冠狀部分

145:恆定直徑部分/主體

151:第二熱屏蔽

155:間隙

160:開口

A:拉軸

L₁₄₀:長度

T₁₃₅:厚度

T₁₄₀:厚度

Claims (20)

1. 一種用於產生一矽錠之拉錠器，其包括： 一坩堝，其用於保持矽之一熔體，該坩堝具有一底面及自該底面延伸之一側壁； 一生長室，其用於沿一拉軸自該矽熔體提拉一矽錠； 一升降機構，其用於使該坩堝在晶體生長期間相對於該拉軸升高及降低，該坩堝軸向移動於其中熔化矽之一進料以產生該矽熔體之一最低位置、其中一晶種開始與該矽熔體接觸以自該矽熔體提拉該矽錠之一浸種位置及其中該坩堝已耗盡熔體之一終端位置之間； 一側端加熱器，其隨著該坩堝自該最低位置行進至該終端位置而安置於該坩堝之該側壁之徑向外； 一底部加熱器，其安置於該坩堝之該底面下；及 一熱屏蔽，其直接安置於該側端加熱器下。
2. 如請求項1之拉錠器，其中當該坩堝位於該最低位置時，該側端加熱器完全高於該坩堝之該底面。
3. 如請求項1之拉錠器，其中當該坩堝位於該最低位置時，該熱屏蔽之至少一部分高於該坩堝之一底部。
4. 如請求項1之拉錠器，其中當該坩堝位於該最低位置時，該熱屏蔽之至少一部分低於該坩堝之該底面之至少一部分。
5. 如請求項1之拉錠器，其中當該坩堝位於該終端位置時，該熱屏蔽完全低於該坩堝之該底面。
6. 如請求項1之拉錠器，其中該側端加熱器具有500 mm或更小、450 mm或更小、400 mm或更小、或350 mm 或更小之一長度。
7. 如請求項1之拉錠器，其中該熱屏蔽具有大於該熱屏蔽之一厚度之相對於該拉軸之一長度。
8. 如請求項1之拉錠器，其中隨著該坩堝行進於該最低位置與該終端位置之間，該側端加熱器之至少一部分與該坩堝之該側壁橫向對準。
9. 如請求項1之拉錠器，其中該側端加熱器及該熱屏蔽由一間隙分隔開。
10. 如請求項1之拉錠器，其中該側端加熱器與該熱屏蔽分隔開不超過約50 mm、不超過約40 mm、或其中該側端加熱器與該熱屏蔽不由一間隙分隔開。
11. 如請求項1之拉錠器，其進一步包括支撐該坩堝之一基座，當該坩堝位於該終端位置時，該熱屏蔽完全低於該基座。
12. 如請求項1之拉錠器，其中當該坩堝位於該最低位置時，該坩堝之一底部與該側端加熱器之一底部之間的一距離係至少約25 mm。
13. 如請求項1之拉錠器，其中該側端加熱器具有一厚度且該熱屏蔽具有一厚度，該熱屏蔽之該厚度至少為該側端加熱器之該厚度，或為該側端加熱器之該厚度之至少1.1倍、為該側端加熱器之該厚度之至少1.25倍、為該側端加熱器之該厚度之至少1.5倍、或為該側端加熱器之該厚度之1.0至2.0倍。
14. 如請求項13之拉錠器，其中該熱屏蔽之一第一部分在該側端加熱器之徑向內且該熱屏蔽之一第二部分在該側端加熱器之徑向外。
15. 一種用於在一拉錠器中製備一錠塊之方法，該拉錠器包括具有一底面及自該底面延伸之側壁之一坩堝、安置於該坩堝側壁之徑向以外之一側端加熱器及直接安置於該側端加熱器下之一熱屏蔽，該方法包括： 在該坩堝位於一最低位置時使矽之一熔體形成於該坩堝中，當該坩堝位於該最低位置時，該側端加熱器完全高於該坩堝之該底面； 使該矽熔體與一晶種接觸； 自該矽熔體抽出一錠塊；及 隨著該錠塊自該矽熔體抽出而逐漸升高該坩堝，當該錠塊與該矽熔體分隔開時，該坩堝位於一終端位置。
16. 如請求項15之方法，其中該熱屏蔽直接安置於該側端加熱器下方。
17. 如請求項15之方法，其中當該坩堝位於該最低位置時，該熱屏蔽之至少一部分高於該坩堝之一底部。
18. 如請求項15之方法，其中當該坩堝位於該最低位置時，該熱屏蔽之至少一部分低於該坩堝之該底面之至少一部分。
19. 如請求項15之方法，其中當該坩堝升高至該終端位置時，該熱屏蔽完全低於該坩堝之該底面。
20. 如請求項15之方法，其中該側端加熱器具有500 mm或更小、450 mm或更小、400 mm或更小、或350 mm或更小之一長度。

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