TW202231943A - 線軸平衡之晶種提升 - Google Patents

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Abstract

一種晶體生長系統可包括用於旋轉及提升由纜線支撐之晶種的線軸平衡之晶種提升總成。該晶種沿提升軸線支撐且圍繞該提升軸線旋轉。該線軸平衡之晶種提升總成包括在與該提升軸線相交之軸線上旋轉且具有沿該軸線之重心的線軸。當該線軸旋轉時，其沿其軸線軸向地移動以避免將該纜線自該提升軸線移位。定位於該線軸下方之導引滑輪用以在該提升軸線與線軸相切軸線之間引導該纜線以在該纜線升高及旋轉時最小化該纜線的移位。

Description

線軸平衡之晶種提升
本發明大體上係關於晶體生長設備，且更具體言之係關於晶種之提升及旋轉。
較大晶體，尤其單晶錠，對於各種技術領域而言極其重要。關於現代電子器件，單晶矽係用於各種功能之尤其重要的源材料，諸如用於光伏面板之積體電路及組件的晶圓。單晶結構包括不具有晶界之連續晶格，且可由單個元件或多個元件(例如，摻雜材料)製成。
一種通常用於產生單晶矽之製造技術為丘克拉斯基法(Czochralski method)，其涉及將晶種浸漬至材料熔池中，隨後在旋轉晶種的同時將晶種緩慢拉離熔池。然而，當前技術遭受由振動、失衡及其他類似問題引起之低效率。若未正確地執行，則可出現故障且所得錠可為多晶錠，其可包括晶界。由於晶界對於各種用途可能存在問題，因此不合格之錠可能必須熔融且再生長，這既浪費時間又浪費精力。由於單晶生長程序通常花費較長時段(例如，約幾十小時或幾十天)，因此任何失敗皆可對生產效率產生重大影響。
需要用於有效地製造諸如單晶矽之大型單晶之改良設備。
術語實施例及類似術語意欲廣泛地指代本發明及下文申請專利範圍之所有主題。含有此等術語之陳述應理解為不限制本文所描述之主題或不限制以下申請專利範圍的涵義或範疇。本文中所涵蓋之本發明之實施例係由以下申請專利範圍界定，由此發明內容補充。此發明內容係本發明之各種態樣的高階綜述且引入一些進一步描述於以下實施方式部分中之概念。此發明內容並不意欲識別所主張主題之關鍵或基本特徵，亦不意欲單獨使用以判定所主張主題之範疇。應參考本發明之整篇說明書之適當部分、任何或所有圖式及每一申請專利範圍來理解該主題。
本發明之實施例包括一種用於晶體生長系統之晶種提升總成。該晶種提升總成包含可圍繞提升軸線旋轉之支撐結構。該晶種提升總成進一步包含用於接納纜線之線軸。該纜線沿該提升軸線支撐晶種。該線軸可圍繞線軸軸線旋轉。該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心。該線軸耦接至該支撐結構以使得該線軸軸線與該提升軸線相交。該晶種提升總成進一步包含耦接至該線軸以實現該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉的線軸驅動器。該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉控制該纜線圍繞該線軸之捲繞以控制該晶種沿該提升軸線的豎直移位。該晶種提升總成進一步包含耦接至該支撐結構以在第一方向與第二方向之間改變該纜線的軸向方向之導引滑輪。該第一方向與該提升軸線共線。該第二方向與該提升軸線不共線且不平行。
本發明之實施例包括一種包含具有用於容納熔融物之坩堝的爐槽之晶體生長系統。該晶體生長系統進一步包含耦接至該爐槽之接納腔室。該晶體生長系統進一步包含藉由纜線沿提升軸線懸掛於該接納腔室內之晶種。該晶體生長系統進一步包含可旋轉地耦接至該接納腔室以圍繞該提升軸線旋轉之晶種提升總成。該晶種提升總成包括支撐結構。該晶種提升總成進一步包括用於接納該纜線之線軸。該線軸可圍繞線軸軸線旋轉。該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心。該線軸耦接至該支撐結構以使得該線軸軸線與該提升軸線相交。該晶種提升總成進一步包括耦接至該線軸以實現該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉的線軸驅動器。該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉控制該纜線圍繞該線軸之捲繞以控制該晶種沿該提升軸線的豎直移位。該晶種提升總成進一步包括耦接至該支撐結構以在第一方向與第二方向之間改變該纜線的軸向方向之導引滑輪。該第一方向與該提升軸線共線。該第二方向與該提升軸線不共線且不平行。
本發明之實施例包括一種包含將晶種降低至熔融物之方法。該晶種由纜線沿提升軸線支撐。該纜線由晶種提升總成之線軸支撐。該線軸可圍繞線軸軸線旋轉。該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心。該線軸軸線與該提升軸線相交。該方法進一步包含同時圍繞該提升軸線旋轉該晶種提升總成及沿該提升軸線升高該晶種。升高該晶種包括圍繞該線軸軸線旋轉該線軸以圍繞該線軸捲繞該纜線。
相關申請之交叉引用
本申請案主張於2021年6月3日申請且題為「Spool-Balanced Seed Lift」之美國專利申請案第17/338,152號、於2020年12月9日申請且題為「Unbiased load seed crystal lifting device」的中國專利申請案第202011449838.0號以及於2020年12月9日申請且題為「Unbiased load seed crystal lifting device」之中國實用新型申請案第202022979953.0號的優先權，該等申請案中之每一者在此以全文引用之方式併入本文中。
本發明之某些態樣及特徵係關於一種晶體生長系統，其包括用於旋轉及提升由纜線(例如，鋼絲繩)支撐之晶種的線軸平衡(例如，未偏置)之晶種提升總成。該晶種沿提升軸線支撐且圍繞該提升軸線旋轉。該線軸平衡之晶種提升總成包括在與該提升軸線相交之軸線上旋轉且具有沿該軸線之重心的線軸。當該線軸旋轉時，其沿其軸線軸向地移動以避免將該纜線自該提升軸線移位。定位於該線軸下方之導引滑輪(例如，纜線滑輪)用以在該提升軸線與線軸相切軸線之間引導該纜線以在該纜線升高及旋轉時最小化該纜線的移位。
某些晶體生長技術，諸如產生單晶矽錠，利用懸掛於密封殼體內之材料(例如，類金屬，諸如矽)之熔融物上方的晶種。晶種經降低以與熔融物接觸，隨後以受控方式升高及旋轉以准許形成結晶材料(例如，生長晶體)之初生錠。隨著晶種繼續經提升遠離熔融物之表面，初生單晶錠繼續生長直至已達到所要長度為止。晶種及初生錠可沿提升軸線經豎直向上抽取至熔融物上方之接納腔室中。
晶體生長製程可採用不同時間量，此視錠之端部尺寸而定。在一實例中，使單晶矽之圓柱形錠生長至長度為大致5至7公尺可能耗費大致兩天。在彼時間期間對該系統之任何充足干擾可導致所得錠中之顯著缺陷，其可導致錠不合格。不合格之錠可能需要再熔融及再生長，此可為極昂貴的。本發明之某些態樣係關於准許晶種生長系統在減少之搖動(例如，纜線之搖動)及/或其他干擾下操作同時維持小外觀尺寸且需要較少靜態抗衡的改良。
為了以高效率達成所要且可再現之結果，提供對用於懸掛、旋轉及升高晶種及初生錠之纜線的高效且精確控制可為重要的。定位於接納腔室之頂部處的晶種提升總成可控制纜線之旋轉及提升。該纜線可在纜線埠處自晶種提升總成離開。
為了控制旋轉，整個晶種提升總成可旋轉地耦接至接納腔室以使得其可圍繞旋轉軸線(例如，晶種提升總成旋轉軸線)旋轉。該晶種提升總成之旋轉軸線與提升軸線共線。該晶種提升總成可包括諸如經由調平板可旋轉地耦接至接納腔室之頂部且經驅動(例如，藉由旋轉馬達)以所要速度(例如，約幾轉/分鐘或數十轉/分鐘，諸如1至40 RPM)旋轉的支撐結構。晶種提升總成之組件可安裝至支撐結構以使得支撐結構之旋轉實現安裝於其上的所有組件之旋轉。在一些情況下，支撐結構可包括諸如底板之基座，組件可耦接至該基座。
晶種提升總成可經由調平板耦接至接納腔室之頂部。該調平板可用以建立用於晶種提升總成之精確調平附接表面。該調平板可經由複數個調平配接器支柱耦接至接納腔室之頂部，該複數個調平配接器支柱可經個別地調整以達到所要位準度(例如，達到調平配接器的最小斜率)。舉例而言，儘管在一些情況下可使用一組三個調平銷，但可使用任何數目個調平銷。在一些情況下，調平板可支撐控制晶種提升總成之旋轉之旋轉馬達。
用以升高纜線之機構係由晶種提升總成之旋轉基座支撐，且因此亦相對於接納腔室旋轉。在一些情況下，可藉由纜線絞車系統來提升纜線，該纜線絞車系統包括凹槽線軸或滾筒，該凹槽線軸或滾筒在線軸旋轉時收集(例如，捲起)凹槽中之纜線(例如，以約十分之一轉/分鐘或幾轉/分鐘的速度旋轉)。纜線絞車系統亦沿其旋轉軸線(例如，線軸軸線)軸向地平移線軸，以使得纜線在製程期間並不與其自身重疊，且因此纜線並不沿線軸軸線軸向地移位。
由於晶種提升總成之各種組件具有不同重量，因此一或多個靜態及/或非靜態配重可在各種位置處耦接至晶種提升總成之基座，以將晶種提升總成的質心(CoM)維持在與提升軸線且因此與線軸提升總成旋轉軸線對準之位置處。晶種提升總成之CoM可沿此線定位在某處，諸如在晶種提升總成之基座上方的位置處。隨著纜線絞車沿線軸軸線軸向地移動，非靜態配重(例如，活動配重或動態配重)可用以偏移線軸之此軸向移動，包括由線軸捲起之纜線添加的質量。
在傳統實施方式中，線軸軸線自提升軸線(且因此自晶種提升總成旋轉軸線)偏移，且纜線傳遞至晶種提升總成中且直達頂置式滑輪，該頂置式滑輪將纜線向下重新引導至線軸。頂置式滑輪及偏移線軸軸線之使用促進在其由線軸捲起時沿提升軸線保持纜線居中。然而，線軸軸線之偏移置放引起線軸之質心自晶種提升總成的旋轉軸線偏移，因此需要額外靜態及/或非靜態配重以確保晶種提升總成之CoM維持在晶種提升總成之旋轉軸線上方，且因此確保晶種提升總成的旋轉不會引起纜線之非所需移位。此外，頂置式滑輪之使用需要整個晶種提升總成較大且佔據大量豎直空間。同樣，頂置式滑輪必須包括殼體以確保受控環境維持於接納腔室內。殼體及頂置式滑輪系統可引起增加之費用、提供增加之故障可能，且需要進一步靜態及/或非靜態抗衡。
根據本發明之某些態樣及特徵，與傳統晶種提升總成相比，線軸平衡之晶種提升總成可提供相同或改良的晶種生長功效及/或減小之重量及/或成本。為了促進對線軸平衡之晶種提升總成之描述，可命名三個垂直軸線：提升軸線、線軸軸線及橫向軸線。提升軸線可為纜線在接納腔室內傳送所沿之且晶種旋轉可圍繞之軸線。線軸軸線可為線軸旋轉所圍繞之且線軸在升高或降低纜線時軸向地移位所沿之軸線。橫向軸線可為垂直於提升軸線及線軸軸線兩者之軸線。出於描述之目的，線軸軸線、提升軸線及橫向軸線中之每一者的中心可被視為線軸軸線、提升軸線及橫向軸線會合之點。
根據本發明之某些態樣，線軸平衡之晶種提升總成包括具有位於與提升軸線相交的線軸軸線上之CoM之線軸，藉此確保線軸的CoM沿橫向軸線居中。因此，線軸所需之抗衡量減小，此係由於沿橫向軸線不需要抗衡。因此，線軸平衡之晶種提升總成之總重量可減小。
為了確保纜線在其纏繞於線軸周圍時不會不當地移位，導引滑輪位於線軸與接納腔室之間以將纜線導引於提升軸線與相切於線軸之軸線之間。導引滑輪可由一或多個力感測器支撐，因此准許準確地量測纜線中之張力，以便判定初生晶體之重量。
給出此等例示性實例以向讀者介紹本文所論述之一般主題且並不意欲限制所揭示概念之範疇。以下部分參考圖式描述各種額外特徵及實例，其中相同標號指示相同元件，且方向描述用於描述例示性實施例，但如例示性實施例一樣不用於限制本發明。包括於本文圖示中之元件可能未按比例繪製。
圖1係根據本發明之某些態樣的具有線軸平衡之晶種提升總成102及動態配重系統的晶體生長系統100之示意圖。晶體生長系統100可用於生長任何合適之晶體，諸如基於單晶矽之晶體。晶體生長系統100可包括其中含有坩堝116之爐槽114。爐槽114可將熱量提供至坩堝116。坩堝116最初可填充有固體材料，其可加熱直至其形成熔融物112為止。可控制坩堝116在第一方向上旋轉。
接納腔室106可經由隔離閥耦接至爐槽114之頂部。接納腔室106可延伸任何合適之長度。線軸平衡之晶種提升總成102可諸如經由調平配接器120耦接至接納腔室106之頂端。調平配接器120可包括藉由三個調平配接器銷耦接至調平配接器120之頂端的調平配接器板。在一些情況下，可使用其他數目個調平配接器銷，諸如一個、兩個或多於三個。調平配接器銷可經個別地調整以確保調平配接器板係齊平的，由此確保線軸平衡之晶種提升總成102係齊平的。
線軸平衡之晶種提升總成102可經由軸承122可旋轉地耦接至調平配接器120。因此，線軸平衡之晶種提升總成102可旋轉地耦接至接納腔室106。旋轉馬達124可控制線軸平衡之晶種提升總成102圍繞提升軸線118之旋轉，該提升軸線軸向地穿過接納腔室106的中心(且軸向地穿過接納腔室106內之纜線104的中心線)。
線軸平衡之晶種提升總成102可將纜線104向下懸掛穿過接納腔室106且到達爐槽114中。在纜線104之遠端(例如，最遠離線軸平衡之晶種提升總成102的端部)處固持有晶種108。晶種可為與熔融物112材料相同的小型單晶。
晶體生長系統100經描繪於生長製程之開始與結束之間。在生長製程開始時，線軸平衡之晶種提升總成102可降低纜線104直至晶種108接觸熔融物112為止。線軸平衡之晶種提升總成102可接著穩定地升高晶種108 (例如，以約幾、數十或數百毫米/小時，諸如0至600 mm/hr之速度)，同時允許初生錠110形成。為了獲得最佳晶體生長，線軸平衡之晶種提升總成102可在與坩堝116之旋轉方向相反的方向上旋轉，同時同步升高纜線104。隨著纜線104升高，初生錠110自熔融物112中抽出，從而允許新材料在初生錠110之底部與初生錠110的單晶結構對準地固體化。
在生長製程期間，線軸平衡之晶種提升總成102將纜線104且因此將初生錠110向上升高至接納腔室106中直至生長製程結束為止。生長製程可在初生錠110達到所要長度時結束、在坩堝116中之材料耗盡時結束、在線軸平衡之晶種提升總成102可不再進一步升高纜線104時結束，或以其他方式結束。
出於說明性目的，描繪無覆蓋物或護罩之線軸平衡之晶種提升總成。在一些情況下，覆蓋物或護罩可包圍線軸平衡之晶種提升總成，以有助於在接納腔室106及爐槽114內維持所要環境。覆蓋物或護罩可阻止灰塵及污染物進入，同時准許控制初生錠110周圍之氣態環境。在一些情況下，代替使用護罩，可在接納腔室106、爐槽114及線軸總成126內建立受控環境(例如，真空)。
線軸平衡之晶種提升總成102可包括一或多個配重134 (例如，靜態配重及/或非靜態配重)以建立及/或促進將線軸平衡之晶種提升總成102的CoM維持在提升軸線118上方。
線軸總成126可包括含有線軸128之外殼。線軸128用以捲起或放出纜線104，由此升高或降低纜線104，且由此升高或降低晶種108。如本文中更詳細地描述，線軸128具有沿與提升軸線118相交之線軸軸線130而定位之CoM。隨著纜線104升高，線軸128可沿線軸軸線130軸向地移動而不使線軸之CoM自線軸軸線130移位。
線軸總成126可包括導引滑輪132以在提升軸線118與線軸128之間引導纜線104。舉例而言，隨著纜線104經提升，導引滑輪132可導引纜線104沿提升軸線118移動以沿與線軸128相切之軸線移動。導引滑輪132可維持纜線104沿線軸軸線130居中(例如，維持於與提升軸線118相交且垂直於線軸軸線130之平面內)。導引滑輪132可定位於線軸128下方，諸如在線軸128與接納腔室106之間。更特定言之，導引滑輪132可定位於線軸128與軸承122之間，且可耦接至線軸平衡之晶種提升總成102的基座，以使得導引滑輪132圍繞提升軸線118與線軸平衡之晶種提升總成102之其他組件旋轉。在一些情況下，導引滑輪132定位於線軸平衡之晶種提升總成102之基座內或下方。
圖2係先前技術線軸總成225之示意性側視圖。線軸總成225可為經設計以在晶體生長期間旋轉及升高晶種之晶種提升總成之部分。線軸總成225可包括用於捲起及放出纜線204之線軸227。線軸227具有自與纜線204相關聯之提升軸線218偏移之線軸質心237。線軸質心237可置放於平行於提升軸線218且自該提升軸線偏移之線軸平面237中。
為了維持纜線204圍繞提升軸線218居中，先前技術線軸總成225依賴於頂置式滑輪229，該頂置式滑輪沿提升軸線218接納纜線204且朝向線軸227之凹槽重新引導纜線204。由於線軸227自提升軸線218偏移，因此頂置式滑輪229之直徑一定大於線軸227之直徑，以使得頂置式滑輪229可朝向線軸227的凹槽與提升軸線218成180°重新引導將纜線204。另外，頂置式滑輪229具有位於線軸平面237與提升軸線218之間的頂置式滑輪質心233。
因為線軸質心237及頂置式滑輪質心233兩者自提升軸線218偏移，所以必須使用配重235以維持整個晶種提升總成之質心與提升軸線218對準。換言之，由線軸227及頂置式滑輪229之質量產生的力矩臂將需要藉由與提升軸線218相對定位之配重235之力矩臂自線軸227及頂置式滑輪229偏移。因此，配重235將需要更大規模且更接近提升軸線218，或規模不大但更遠離提升軸線218而定位。因此，先前技術晶種提升總成之總質量與先前技術晶種提升總成之總尺寸成反比，從而僅需要以一者為代價而改良另一者。
圖3係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成之線軸總成326的示意性側視圖。線軸總成326可為任何合適之線軸總成，諸如圖1之線軸總成126。
線軸總成326可包括用於支撐及接納纜線304之線軸328。纜線304之遠端可支撐晶種，諸如圖1之晶種108。纜線304之相對的近端可耦接至線軸328，以使得線軸328之旋轉使纜線304捲繞至線軸328上或自該線軸展開(例如，自其放下)。纜線304可由線軸總成326支撐，以使得纜線304之遠端及因此晶種沿提升軸線318懸掛。舉例而言，線軸328在使纜線304捲繞至線軸328上的方向上之旋轉將使晶種沿提升軸線318在向上方向上軸向地移動。同樣地，線軸328在相反方向上之旋轉可自線軸328解繞纜線304，由此使晶種沿提升軸線318在向下方向上軸向地移動。
在一些情況下，線軸328可包括纜線304可擱置於其中之一或多個凹槽。舉例而言，線軸328可包括用於在纜線304捲繞至線軸328上時接納纜線304之長度的單個螺旋槽。
線軸平衡之晶種提升總成之線軸總成326包括至少一個導引滑輪332以改變纜線304的方向，以使得其可以最小摩擦及最小偏差捲繞至線軸328上並自該線軸解繞。導引滑輪332之使用允許纜線304的中心軸線當在接納腔室或爐內時沿提升軸線318維持，同時允許線軸328居中定位(例如，其中線軸軸線330與提升軸線318相交)。導引滑輪332可採取任何合適之形式，諸如具有用於接納纜線304之凹槽的惰輪滑輪。在一些情況下，固定蓋子可用以確保纜線304不會無意中脫離導引滑輪332之凹槽。在一些情況下，導引滑輪332可採取不同形式，諸如低摩擦纜線導引件(例如，由低摩擦材料製成之環形環)或圍繞環之一連串軸承。
為了確保晶種提升總成保持為線軸平衡的，線軸328可定位成使得其線軸軸線330與提升軸線318相交。線軸軸線330可垂直地與提升軸線318相交。線軸之質心可沿線軸軸線330定位。
在一些情況下，使用單個導引滑輪332，但未必總是如此。在一些情況下，可使用多個導引滑輪，如本文中進一步詳細描述。導引滑輪332可定位於線軸328下方，諸如在線軸328與接納腔室之間的位置處。在一些情況下，諸如圖3中所描繪，導引滑輪332可延伸穿過基座346，但在其他情況下導引滑輪332可定位於基座346上方或下方。
導引滑輪332可具有任何合適之直徑。在一些情況下，導引滑輪332之直徑小於線軸328。在一些情況下，導引滑輪332之直徑係基於纜線304之直徑及/或纜線304的最小彎曲半徑而設定。可針對纜線預定纜線304之最小彎曲半徑，諸如自纜線之規格接入或基於纜線的直徑計算。當使用單個導引滑輪332時，導引滑輪332應經設定大小及/或定位成使得纜線304並不經受小於纜線304之最小彎曲半徑的任何彎曲。在一些情況下，導引滑輪332可具有小於纜線304之最小彎曲半徑之半徑。在一些情況下，若僅使用單個導引滑輪，則多個導引滑輪可用以達成將會另外需要使用小於纜線304之最小彎曲半徑的彎曲半徑之方向變化。在該等情況下，每一導引滑輪可沿大於纜線304之最小彎曲半徑的半徑彎曲纜線304，直至達成所要方向變化為止。因此，當使用多個導引滑輪時，每一導引滑輪個別地實現纜線304之軸向方向沿大於纜線304之最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
在一些情況下，使用多個導引滑輪可與使用單個導引滑輪332提供相同或類似功能，諸如足夠大之彎曲半徑，同時向線軸總成326添加較少質量及/或同時達成更緊湊結構。
導引滑輪332可用以使纜線304之軸向方向(例如，纜線之中心軸線正指向的方向)在同提升軸線318共線與同軸線344共線之第二方向之間移位。軸線344係在線軸328上之暫態位置342處與線軸328 (例如，線軸328之纜線支撐表面，諸如線軸328的凹槽內之纜線支撐表面)相切之軸線。暫態位置342係線軸328上之位置，在該位置處，纜線304在接觸線軸328與不接觸線軸328之間轉變。在一些情況下，纜線304之軸向方向藉由導引滑輪332之移位係藉由單個滑輪實現，但在一些情況下可使用額外導引滑輪。
導引滑輪332可藉由耦接至線軸平衡之晶種提升總成的支撐結構(例如，耦接至線軸平衡之晶種提升總成的基座346)之支撐件338支撐。導引滑輪332可因此圍繞提升軸線318以及線軸平衡之晶種提升總成之其他組件旋轉。可使用任何合適之支撐件338，諸如托架或軛。導引滑輪332可圍繞平行於線軸軸線330之旋轉軸線旋轉。
在一些情況下，一或多個力感測器340可耦接至導引滑輪332 (例如，經由支撐件338)以量測自纜線304抵靠導引滑輪332施加之力。對此力之量測可用於導出關於晶體生長製程之狀態的資訊，諸如初生錠之當前重量。所量測之力可具有豎直分量(例如，平行於提升軸線318的分量)及水平分量(例如，垂直於豎直分量之分量，諸如垂直於如圖3中所描繪的右側)。在一些情況下，所量測之力，或更特定言之所量測之力的水平分量可經調整以補償由圍繞提升軸線318旋轉之導引滑輪332產生的任何明顯離心力。此偏移可為基於靜態常數或可基於晶種提升總成之旋轉速度而經動態調整。在該等情況下，晶種提升總成之一或多個感測器可用於判定晶種提升總成之旋轉速度。
如本文中所使用，參考具有與提升軸線318相交以實現線軸平衡之晶種提升總成之線軸軸線330的線軸328可意謂線軸軸線330與提升軸線318精確相交或與提升軸線318實質上相交。實質上與提升軸線318相交可包括與提升軸線318偏離線軸328之直徑的0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、4.5%、5%、6.5%、7%、7.5%、8%、8.5%、9%、9.5%或10%。在一些情況下，實質上與提升軸線318相交之線軸軸線330可在與導引滑輪332相反的方向上自提升軸線318偏移(例如，朝向提升軸線318之左側偏移，如圖3中所描繪)，以使得導引滑輪332之質量(及視情況相關分量)自然地偏移線軸328的質量(及視情況相關分量)。因此，整個線軸總成之質心可沿垂直於提升軸線318且與該提升軸線相交之軸線定位。
圖4係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成402之一部分的局部剖視側視圖。線軸平衡之晶種提升總成402可為任何合適的線軸平衡之晶種提升總成，諸如圖1的線軸平衡之晶種提升總成102。
如圖4中所描繪，線軸平衡之晶種提升總成402可包括支撐於基座446上之線軸428及導引滑輪432。在此側視圖中，線軸428沿提升軸線418居中，由此將線軸428之旋轉軸線(例如，線軸軸線)置放為與提升軸線418相交。纜線418可自下方向上傳遞至線軸平衡之晶種提升總成402中，其中纜線418與提升軸線418共線，此時纜線可在捲繞於線軸428周圍之前越過導引滑輪432以朝向線軸428的圓周重新引導。
線軸平衡之晶種提升總成402可經驅動以藉由旋轉驅動器424 (例如，旋轉馬達)及驅動皮帶450圍繞提升軸線418旋轉。舉例而言，旋轉驅動器424可相對於接納腔室保持固定且可經由驅動皮帶450耦接至線軸平衡之晶種提升總成402的基座446 (或其他支撐件)，以使得線軸平衡之晶種提升總成402相對於接納腔室的旋轉可藉由驅動旋轉驅動器424來實現。
圖5係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成502之一部分的正視圖。線軸平衡之晶種提升總成502可為任何合適的線軸平衡之晶種提升總成，諸如圖4的線軸平衡之晶種提升總成402。
線軸平衡之晶種提升總成502可經由軸承552耦接至接納腔室，由此准許線軸平衡之晶種提升總成502圍繞提升軸線相對於接納腔室旋轉。
線軸總成526內之線軸可藉由線軸驅動器550驅動。線軸驅動器550可包括動力源(例如，馬達)及相關設備(例如，變速箱)。在一些情況下，線軸驅動器550係減速馬達。在一些情況下，線軸驅動器550可具有置放於由線軸軸線及提升軸線界定之平面中之質心。因此，如同線軸自身，線軸驅動器550可為平衡的。
圖6係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成602之等角視圖。線軸平衡之晶種提升總成602可為任何合適的線軸平衡之晶種提升總成，諸如圖1的線軸平衡之晶種提升總成102。
線軸平衡之晶種提升總成602可包括支撐線軸驅動器650的支撐結構646 (例如，基座)及含有線軸與導引滑輪之線軸總成626。如圖6中所見，外殼654包圍線軸總成626，由此促進在接納管及爐槽內建立受控環境。
線軸平衡之晶種提升總成602沿提升軸線618支撐纜線。線軸總成626內之線軸圍繞線軸軸線630旋轉。線軸軸線630與提升軸線618相交且垂直於該提升軸線。橫向軸線652可經界定為與線軸軸線630及提升軸線618兩者相交且垂直於該兩者之軸線。線軸可經描述為沿橫向軸線652居中或橫向居中。
在一些情況下，窗658可經置放以准許視覺接入及/或實體接入線軸及/或線軸總成626之其他內部零件。窗658可為在適當位置具有透明或實質上透明覆蓋物之觀察窗；或可為在適當位置不具有覆蓋物之接入窗(例如，開口)。觀察窗可提供對線軸總成626之內部零件之視覺接入，同時接入窗可提供實體接入。接入窗可覆蓋有可移式覆蓋物，諸如圖6中所描繪。
圖7係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成702之局部正視圖。線軸平衡之晶種提升總成702可為任何合適的線軸平衡之晶種提升總成，諸如圖1的線軸平衡之晶種提升總成102。出於說明性目的，未描繪線軸平衡之晶種提升總成702之某些組件。
線軸平衡之晶種提升總成702可沿提升軸線718支撐纜線704。纜線704可自底部進入線軸平衡之晶種提升總成702且越過導引滑輪732。導引滑輪732可經由輪軸機械耦接至一對力感測器740，從而准許量測藉由纜線704施加至導引滑輪732之力之量。在越過導引滑輪732之後，纜線704可經引導至線軸728之螺旋槽中。
線軸728可由軸桿756 (例如，花鍵軸桿)支撐，以使得線軸728可圍繞被稱為線軸軸線730之旋轉軸線旋轉。軸桿756可由線軸驅動器(例如，圖6之線軸驅動器650)驅動。線軸軸線730與提升軸線718相交。線軸728具有沿線軸軸線730下落且由此落在由線軸軸線730及提升軸線718形成之平面中的線軸質心736。
當線軸728旋轉時，其沿線軸軸線730軸向地移動，由此始終維持與提升軸線718及凹槽對準之轉變點。舉例而言，纜線704繼續捲繞至線軸728上將會引起線軸728在朝向右側之方向上軸向地移位，如圖7中所描繪。當線軸728軸向地移位時，線軸質心736亦軸向地移位，但保持在線軸軸線730上。在一些情況下，線軸質心736可與提升軸線718會合及/或交叉。因此，在一些情況下，諸如在晶體生長程序期間，線軸平衡之晶種提升總成702可具有定位成使得線軸質心736與提升軸線718重疊的線軸728。在該等情況下，線軸728之持續旋轉(例如，在一個方向或相反方向上)可使線軸質心736移動遠離與提升軸線718重疊。
在一些情況下，窗760可經置放以准許視覺接入及/或實體接入導引滑輪732及周圍空間。窗760可為在適當位置具有透明或實質上透明覆蓋物之觀察窗；或可為在適當位置不具有覆蓋物之接入窗(例如，開口)。觀察窗可提供對導引滑輪732及周圍空間之視覺接入，而接入窗可提供實體接入。接入窗可覆蓋有可移式覆蓋物。
圖8係描繪根據本發明之某些態樣的用於使用線軸平衡之晶種提升總成之製程800的流程圖。製程800可與任何合適的線軸平衡之晶種提升總成，諸如圖1的線軸平衡之晶種提升總成102一起使用。
在區塊802處，晶種降低至熔融物。該晶種可藉由纜線支撐，該纜線又藉由線軸平衡之晶種提升總成之線軸支撐。將晶種降低至熔融物可包括在第一方向上旋轉線軸以自線軸解繞纜線，由此沿提升軸線降低晶種直至晶種接觸熔融物為止。
在區塊802之後，初生晶體可藉由在區塊804處同時旋轉晶種提升總成及在區塊806處升高晶種而生長。此組合之旋轉及升高動作使得晶種在自熔融物經提升離開時旋轉。在一些情況下，熔融物可在與晶種之旋轉相反之方向上進一步旋轉。在區塊804處晶種提升總成之旋轉可包括驅動旋轉驅動器以圍繞提升軸線旋轉晶種提升總成。
在區塊806處升高晶種可包括在區塊808處圍繞線軸軸線旋轉線軸。使線軸圍繞線軸軸線旋轉(例如，在與來自區塊802之第一方向相對的第二方向上)可使纜線捲繞至線軸上。另外，在區塊808處旋轉線軸可自動地使在區塊810處圍繞一或多個導引滑輪拉動纜線，由此在同提升軸線共線之方向與第二方向(例如，在纜線在接觸線軸與不接觸線軸之間轉變的轉變點處與線軸相切的方向)之間更改纜線之軸向方向。在一些情況下，可使用單個導引滑輪。
導引滑輪之使用可准許線軸之質心保持平衡(例如，與同提升軸線相交之線軸軸線對準)。在一些情況下，在區塊808處線軸之旋轉包括沿線軸軸線軸向地移位線軸，直至線軸之質心與提升軸線重疊為止。在一些情況下，在區塊808處線軸之旋轉包括沿線軸軸線軸向地移位線軸，以使得線軸之質心移動遠離與提升軸線重疊。在一些情況下，在區塊808處線軸之旋轉包括將線軸軸向地移位，以使得線軸之質心沿自提升軸線延伸的半徑移動(例如，使線軸之質心相對於提升軸線徑向地移位)。
在一些視情況選用之情況下，在區塊812處，可量測藉由纜線施加至導引滑輪之力。對該等力之量測可包括自與導引滑輪中之一或多者相關聯的一或多個力感測器接納感測器資料。在一些視情況選用之情況下，在區塊814處，可調整所量測之力的水平分量。調整所量測之力的水平分量可包括由於在區塊804處旋轉晶種提升總成而偏移藉由一或多個力感測器感測到之明顯離心力。在一些情況下，調整水平分量可包括將靜態計算應用於所量測之力。在一些情況下，調整水平分量可包括判定晶種提升總成之旋轉速度(例如，經由旋轉感測器或基於旋轉驅動器)，隨後使用彼旋轉速度計算對水平分量之調整。舉例而言，隨著旋轉速度增加，調整之量可按比例增加。
包括所繪示之實施例的實施例之前述描述已僅出於說明及描述之目的而呈現，且並不意欲為詳盡的或限於所揭示之精確形式。大量修改、調適及其用途對於熟習此項技術者而言將為顯而易見的。在不脫離本發明之精神或範疇的情況下，可根據本文中之揭示內容對所揭示實施例作出諸多改變。因此，本發明之廣度及範疇不應由上述實施例中之任一者限制。
儘管已關於一或多個實施方式說明且描述本發明之某些態樣及特徵，但等效更改及修改將在閱讀並理解本說明書及隨附圖式之後出現或為熟習此項技術者所知。另外，雖然可能已關於若干實施方式中之僅一者揭示特定特徵，但當對於任何給定或特定應用而言可為所需且有利時，此類特徵可與其他實施方式之一或多個其他特徵組合。
如下文所使用，對一系列實例之任何參考應理解為分離地參考彼等實例中之每一者(例如，「實例1至4」應理解為「實例1、2、3或4」)。
實例1為一種用於晶體生長系統之晶種提升總成，該晶種提升總成包含：支撐結構，其可圍繞提升軸線旋轉；線軸，其用於接納沿該提升軸線支撐晶種之纜線，該線軸可圍繞線軸軸線旋轉，該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心，其中該線軸耦接至該支撐結構以使得該線軸軸線與該提升軸線相交；線軸驅動器，其耦接至該線軸以實現該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉，其中該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉控制該纜線圍繞該線軸的捲繞以控制該晶種沿該提升軸線之豎直移位；以及 導引滑輪，其耦接至該支撐結構以在與該提升軸線共線之第一方向與第二方向之間改變該纜線的軸向方向。
實例2為實例1之晶種提升總成，其中該第二方向在轉變位置處與該線軸之凹槽相切，其中該纜線在該轉變位置處在接觸該線軸與不接觸該線軸之間轉變。
實例3為實例1或2之晶種提升總成，其進一步包含耦接至該支撐結構以在該第二方向與第三方向之間改變該纜線之該軸向方向的一或多個額外導引滑輪。
實例4為實例3之晶種提升總成，其中該纜線具有最小纜線彎曲半徑，且其中該導引滑輪及該一或多個額外導引滑輪中之每一者個別地實現該纜線之該軸向方向沿大於該最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
實例5為實例1至4之晶種提升總成，其中該導引滑輪圍繞平行於該線軸軸線之導引滑輪軸線旋轉。
實例6為實例1至5之晶種提升總成，其進一步包含耦接於該導引滑輪與該支撐結構之間以量測藉由該纜線施加至該導引滑輪之力的力感測器。
實例7為實例1至6之晶種提升總成，其中該線軸驅動器具有位於由該線軸軸線及該提升軸線形成之平面中的驅動器質心。
實例8為實例1至7之晶種提升總成，其中該導引滑輪定位於該線軸與該晶種之間的位置處。
實例9為一種晶體生長系統，其包含：爐槽，其具有用於容納熔融物之坩堝；接納腔室，其耦接至該爐槽；晶種，其藉由纜線沿提升軸線懸掛於該接納腔室內；晶種提升總成，其可旋轉地耦接至該接納腔室以圍繞該提升軸線旋轉，該晶種提升總成包括：支撐結構；線軸，其用於接納該纜線，該線軸可圍繞線軸軸線旋轉，該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心，其中該線軸耦接至該支撐結構以使得該線軸軸線與該提升軸線相交；線軸驅動器，其耦接至該線軸以實現該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉，其中該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉控制該纜線圍繞該線軸的捲繞以控制該晶種沿該提升軸線之豎直移位；以及導引滑輪，其耦接至該支撐結構以在與該提升軸線共線之第一方向與第二方向之間改變該纜線的軸向方向。
實例10為實例9之晶體生長系統，其中該第二方向在轉變位置處與該線軸之凹槽相切，其中該纜線在該轉變位置處在接觸該線軸與不接觸該線軸之間轉變。
實例11為實例9或10之晶體生長系統，其中該晶種提升總成進一步包含耦接至該支撐結構以在該第二方向與第三方向之間改變該纜線之該軸向方向的一或多個額外導引滑輪。
實例12為實例11之晶體生長系統，其中該纜線具有最小纜線彎曲半徑，且其中該導引滑輪及該一或多個額外導引滑輪中之每一者個別地實現該纜線之該軸向方向沿大於該最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
實例13為實例9至12之晶體生長系統，其中該導引滑輪圍繞平行於該線軸軸線之導引滑輪軸線旋轉。
實例14為實例9至13之晶體生長系統，其中該晶種提升總成進一步包含耦接於該導引滑輪與該支撐結構之間以量測藉由該纜線施加至該導引滑輪之力的力感測器。
實例15為實例9至14之晶體生長系統，其中該線軸驅動器具有位於由該線軸軸線及該提升軸線形成之平面中的驅動器質心。
實例16為實例9至15之晶體生長系統，其中該導引滑輪定位於該線軸與該晶種之間的位置處。
實例17為一種方法，其包含：將晶種降低至熔融物，該晶種由纜線沿提升軸線支撐，該纜線由晶種提升總成之線軸支撐，該線軸可圍繞線軸軸線旋轉，該線軸具有沿該線軸軸線定位的線軸質心，其中該線軸軸線與該提升軸線相交；同時圍繞該提升軸線旋轉該晶種提升總成且沿該提升軸線升高該晶種，其中升高該晶種包括圍繞該線軸軸線旋轉該線軸以圍繞該線軸捲繞該纜線。
實例18為實例17之方法，其中升高該晶種進一步包括回應於圍繞該線軸捲繞該纜線而拉動該纜線經過一或多個導引滑輪，其中拉動該纜線經過該一或多個導引滑輪誘使該纜線在與該提升軸線共線之第一方向與在轉變位置處與該線軸的凹槽相切之第二方向之間改變其軸向方向，其中該纜線在該轉變位置處在接觸該線軸與不接觸該線軸之間轉變。
實例19為實例18之方法，其中該纜線具有最小纜線彎曲半徑，且其中該一或多個導引滑輪中之每一者個別地實現該纜線之該軸向方向沿大於該最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
實例20為實例17至19之方法，其進一步包含使用耦接至該一或多個導引滑輪之至少一個力感測器來量測藉由該纜線施加至該一或多個導引滑輪的力。
100:晶體生長系統 102:線軸平衡之晶種提升總成 104:纜線 106:接納腔室 108:晶種 110:初生錠 112:熔融物 114:爐槽 116:坩堝 118:提升軸線 120:調平配接器 122:軸承 124:旋轉馬達 126:線軸總成 128:線軸 130:線軸軸線 132:導引滑輪 134:配重 204:纜線 218:提升軸線 225:線軸總成 227:線軸 229:頂置式滑輪 233:頂置式滑輪質心 235:配重 237:線軸質心/線軸平面 304:纜線 318:提升軸線 326:線軸總成 328:線軸 330:線軸軸線 332:導引滑輪 338:支撐件 340:力感測器 342:暫態位置 344:軸線 346:基座 402:線軸平衡之晶種提升總成 418:提升軸線/纜線 424:旋轉驅動器 428:線軸 432:導引滑輪 446:基座 450:驅動皮帶 502:線軸平衡之晶種提升總成 526:線軸總成 550:線軸驅動器 602:線軸平衡之晶種提升總成 618:提升軸線 630:線軸軸線 626:線軸總成 646:支撐結構 650:線軸驅動器 652:橫向軸線 654:外殼 658:窗 702:線軸平衡之晶種提升總成 704:纜線 718:提升軸線 728:線軸 730:線軸軸線 732:導引滑輪 736:線軸質心 740:力感測器 756:軸桿 760:窗 800:製程 802:區塊 804:區塊 806:區塊 808:區塊 810:區塊 812:區塊 814:區塊
本說明書參考以下附圖，其中不同圖式中之相同附圖標號之使用意欲繪示相同或類似組件。
圖1係根據本發明之某些態樣的具有線軸平衡之晶種提升總成之晶體生長系統的示意圖。
圖2係先前技術線軸總成之示意性側視圖。
圖3係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成之線軸總成的示意性側視圖。
圖4係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成之一部分的局部剖視側視圖。
圖5係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成之一部分的正視圖。
圖6係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成之等角視圖。
圖7係根據本發明之某些態樣的線軸平衡之晶種提升總成之正視圖。
圖8係描繪根據本發明之某些態樣的用於使用線軸平衡之晶種提升總成之製程的流程圖。
100:晶體生長系統
102:線軸平衡之晶種提升總成
104:纜線
106:接納腔室
108:晶種
110:初生錠
112:熔融物
114:爐槽
116:坩堝
118:提升軸線
120:調平配接器
122:軸承
124:旋轉馬達
126:線軸總成
128:線軸
130:線軸軸線
132:導引滑輪
134:配重

Claims (20)

  1. 一種用於晶體生長系統之晶種提升總成，該晶種提升總成包含： 支撐結構，其可圍繞提升軸線旋轉； 線軸，其用於接納沿該提升軸線支撐晶種之纜線，該線軸可圍繞線軸軸線旋轉，該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心，其中該線軸耦接至該支撐結構以使得該線軸軸線與該提升軸線相交； 線軸驅動器，其耦接至該線軸以實現該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉，其中該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉控制該纜線圍繞該線軸的捲繞以控制該晶種沿該提升軸線之豎直移位；以及 導引滑輪，其耦接至該支撐結構以在與該提升軸線共線之第一方向與第二方向之間改變該纜線的軸向方向。
  2. 如請求項1之晶種提升總成，其中該第二方向在轉變位置處與該線軸之凹槽相切，其中該纜線在該轉變位置處在接觸該線軸與不接觸該線軸之間轉變。
  3. 如請求項1之晶種提升總成，其進一步包含耦接至該支撐結構以在該第二方向與第三方向之間改變該纜線之該軸向方向的一或多個額外導引滑輪。
  4. 如請求項3之晶種提升總成，其中該纜線具有最小纜線彎曲半徑，且其中該導引滑輪及該一或多個額外導引滑輪中之每一者個別地實現該纜線之該軸向方向沿大於該最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
  5. 如請求項1之晶種提升總成，其中該導引滑輪圍繞平行於該線軸軸線之導引滑輪軸線旋轉。
  6. 如請求項1之晶種提升總成，其進一步包含耦接於該導引滑輪與該支撐結構之間以量測藉由該纜線施加至該導引滑輪之力的力感測器。
  7. 如請求項1之晶種提升總成，其中該線軸驅動器具有位於由該線軸軸線及該提升軸線形成之平面中的驅動器質心。
  8. 如請求項1之晶種提升總成，其中該導引滑輪定位於該線軸與該晶種之間的位置處。
  9. 一種晶體生長系統，其包含： 爐槽，其具有用於容納熔融物之坩堝； 接納腔室，其耦接至該爐槽； 晶種，其藉由纜線沿提升軸線懸掛於該接納腔室內； 晶種提升總成，其可旋轉地耦接至該接納腔室以圍繞該提升軸線旋轉，該晶種提升總成包括： 支撐結構； 線軸，其用於接納該纜線，該線軸可圍繞線軸軸線旋轉，該線軸具有沿該線軸軸線定位之線軸質心，其中該線軸耦接至該支撐結構以使得該線軸軸線與該提升軸線相交； 線軸驅動器，其耦接至該線軸以實現該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉，其中該線軸圍繞該線軸軸線之旋轉控制該纜線圍繞該線軸的捲繞以控制該晶種沿該提升軸線之豎直移位；以及 導引滑輪，其耦接至該支撐結構以在與該提升軸線共線之第一方向與第二方向之間改變該纜線的軸向方向。
  10. 如請求項9之晶體生長系統，其中該第二方向在轉變位置處與該線軸之凹槽相切，其中該纜線在該轉變位置處在接觸該線軸與不接觸該線軸之間轉變。
  11. 如請求項9之晶體生長系統，其中該晶種提升總成進一步包含耦接至該支撐結構以在該第二方向與第三方向之間改變該纜線之該軸向方向的一或多個額外導引滑輪。
  12. 如請求項11之晶體生長系統，其中該纜線具有最小纜線彎曲半徑，且其中該導引滑輪及該一或多個額外導引滑輪中之每一者個別地實現該纜線之該軸向方向沿大於該最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
  13. 如請求項9之晶體生長系統，其中該導引滑輪圍繞平行於該線軸軸線之導引滑輪軸線旋轉。
  14. 如請求項9之晶體生長系統，其中該晶種提升總成進一步包含耦接於該導引滑輪與該支撐結構之間以量測藉由該纜線施加至該導引滑輪之力的力感測器。
  15. 如請求項9之晶體生長系統，其中該線軸驅動器具有位於由該線軸軸線及該提升軸線形成之平面中的驅動器質心。
  16. 如請求項9之晶體生長系統，其中該導引滑輪定位於該線軸與該晶種之間的位置處。
  17. 一種方法，其包含： 將晶種降低至熔融物，該晶種由纜線沿提升軸線支撐，該纜線由晶種提升總成之線軸支撐，該線軸可圍繞線軸軸線旋轉，該線軸具有沿該線軸軸線定位的線軸質心，其中該線軸軸線與該提升軸線相交； 同時圍繞該提升軸線旋轉該晶種提升總成且沿該提升軸線升高該晶種，其中升高該晶種包括圍繞該線軸軸線旋轉該線軸以圍繞該線軸捲繞該纜線。
  18. 如請求項17之方法，其中升高該晶種進一步包括回應於圍繞該線軸捲繞該纜線而拉動該纜線經過一或多個導引滑輪，其中拉動該纜線經過該一或多個導引滑輪誘使該纜線在與該提升軸線共線之第一方向與在轉變位置處與該線軸的凹槽相切之第二方向之間改變其軸向方向，其中該纜線在該轉變位置處在接觸該線軸與不接觸該線軸之間轉變。
  19. 如請求項18之方法，其中該纜線具有最小纜線彎曲半徑，且其中該一或多個導引滑輪中之每一者個別地實現該纜線之該軸向方向沿大於該最小纜線彎曲半徑之半徑的改變。
  20. 如請求項17之方法，其進一步包含使用耦接至該一或多個導引滑輪之至少一個力感測器來量測藉由該纜線施加至該一或多個導引滑輪的力。
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