TWI529846B - 化學氣相沈積系統之夾頭及其相關方法 - Google Patents

Description

化學氣相沈積系統之夾頭及其相關方法

本發明係關於用於生成可用作光伏打系統中之組件之半導體材料的化學氣相沈積(CVD)系統。更特定言之，本發明可關於經改良之夾頭以及在化學氣相沈積製程中併入經改良之夾頭之系統及方法。

Yatsurugi等人在美國專利第4,147,814號中揭示一種製造具有均勻截面形狀之高純度矽棒之方法。

Gilbert等人在美國專利第5,277,934號中揭示一種用於在製造多晶矽時保護起始絲的石墨夾頭的方法。

Chandra等人在美國專利第6,284,312 B1號中描述一種用於多晶矽之化學氣相沈積之方法及裝置，且為了所有目的，該案之全文以引用的方式併入本文中。

Gum等人在國際公開案WO 2010/0008477中揭示化學氣相沈積反應器中之管絲的夾頭及橋接點。

本發明之一或多個態樣可關於一種可用在化學氣相沈積系統中之夾頭。夾頭可具有一第一區段，該第一區段包括一井及一絲通道。夾頭通常亦具有一第二區段，該第二區段具有一電極通道。在本發明之一些組態中，井可由從井之底部表面圓周延伸至第一區段之一末端之複數個板條界定。複數個板條之各者可被窗分開，且在本發明之一些其他組態中，各窗可至少部分沿著鄰近板條之長度延伸。在本發明之一些組態中，夾頭可具有圓形圓柱本體。在本發明之其他組態中，井可同心地安置在本體內且在一些情況中至少部分由圓周圍繞井的壁界定。在本發明之一或多個組態中，夾頭可包括圍繞井圓周安置之複數個槽。複數個槽之各者可組態為實質上沿著井之長度延伸。在本發明之其他組態中，井、絲通道及電極通道可沿著夾頭之縱軸同心安置。

本發明之一或多個態樣可關於化學氣相沈積系統。化學氣相沈積裝置可包括一夾頭，該夾頭具有一截頭圓錐區段及一第一接觸區段，截頭圓錐區段具有絲通道且同心圍繞圓柱形井且一絲具有固定在絲通道中之一末端。圓柱形井通常具有大於絲通道之絲直徑之井直徑。化學氣相沈積系統可進一步包括一第二夾頭，在本發明之一些組態中，該第二夾頭可具有一第二絲通道及圓周圍繞一第二井之一第二截頭圓錐區段。絲可具有固定在第二絲通道中之一第二末端。在本發明之一些組態中，絲係透過第一接觸區段及第二夾頭之一第二接觸區段電連接至一電流源。第一截頭圓錐區段與第二截頭圓錐區段之任一者或兩者可具有分別將井之內部體積流體連接至第一夾頭或第二夾頭之外部環境之複數個窗。複數個窗之各者可實質上沿著井之至少一部分延伸且可平行於截頭圓錐區段之縱軸。

本發明之一或多個態樣可關於一種生成半導體棒之方法。生成半導體棒之方法可包括將一第一夾頭固定在一氣相沈積反應器中，第一夾頭具有一第一絲通道及同心圍繞一第一圓柱形井之一第一截頭圓錐區段；將一第二夾頭固定在氣相沈積反應器中，第二夾頭具有一第二絲通道及同心圍繞一第二圓柱形井之一第二截頭圓錐區段；將一絲之一第一末端固定在第一絲通道中並將絲之一第二末端固定在第二絲通道中；將至少一半導體前驅體化合物引入氣相沈積反應器中；及使電流穿過絲以加熱絲至反應溫度，藉此在經加熱之絲上促進至少一半導體前驅體化合物之至少一部分轉換為半導體。在根據本發明之方法之一些變體中，第一夾頭可具有圍繞圓柱形井安置之複數個窗。

隨附圖式未按比例繪製。在圖式中，各種圖式中所示之各相同或近乎相同的組件用相同數字表示。為明瞭起見，未在每個圖式中標記每個組件。

本發明之一或多個態樣涉及在化學氣相沈積系統中使用減小或甚至消除在一些沈積條件下可能發生的傾覆事件的可能性的夾頭。本發明可提供一種夾頭，其具有支撐化學氣相沈積製程期間所生成之棒之一井。夾頭可具有圍繞井的窗及板條，棒可生長至該等窗及該等板條並由該等窗及該等板條支撐。本發明之一些態樣因此提供針對或為了減小CVD反應器中所生成之一棒之傾覆的可能性的特徵以避免使其他所生成的棒或其他適當棒生長不完全的接地故障。本發明之其他態樣可涉及在化學氣相沈積製程期間使用具有圍繞其上沈積產品之一絲提供一熱障壁之特徵之一夾頭。

圖1展示能夠根據本發明之一或多個態樣使用之一CVD系統10之一截面圖。系統10可具有一底板23及一鐘罩17。系統10可進一步具有一或多個進氣口20及一或多個出氣口21。電極通常併入底板23中。一或多個檢視埠(未展示)可用於容許對系統10之內部之目視檢查。系統10通常利用其上沈積所生成之半導體材料之至少一絲1。

本發明之一或多個態樣涉及一或多個夾頭9及9'，該一或多個夾頭9及9'提供機械支撐給垂直定向之絲1及該絲1上所沈積之材料以及提供電連接至電極。如圖2至圖5中例示，夾頭9在其第一區段123上具有一井121。夾頭9亦可具有接近或鄰近第一區段123之一第二區段125。夾頭9之第二區段125可為通常具有一電極通道127之一接觸區段。夾頭9之其他組態進一步涉及通常安置在第一區段123內之一絲通道129。如例示，夾頭9可為實質上圓柱形，諸如圓形圓柱，具有一截頭圓錐第一區段123及一圓形圓柱第二區段125。其他例示性組態涉及徑向對稱夾頭，其使井121、絲通道129及電極通道127之各者沿著夾頭9之一縱軸131同心安置及對準。亦如例示，絲通道129在井121之底部表面135上可具有一開口133。在井具有圓狀截面且絲通道具有圓狀截面之實施例中，井之直徑通常大於絲通道之直徑。夾頭可具有圓形圓柱本體，其中井同心安置在本體內。在一些情況中，井可至少部分由圓周圍繞井之壁界定。

如圖4及圖5所例示，本發明之特定組態可涉及具有一或多個窗或槽137及一或多個板條139之夾頭。板條139可安置為圓周圍繞且至少部分界定井121。一或多個窗或槽137可經定大小及組態以將一第一板條與另一板條分開。此外，窗或槽137之一者或多者可定大小及組態為部分或實質上沿著井121之長度，諸如從井121之底部表面135至夾頭9之一開口端或尖端。圖4展示一實例，其中槽137具有大約為井121之長度或深度之一半之一長度。本發明之其他組態可涉及利用圓周圍繞井121之內部體積之複數個窗或槽137。夾頭可具有任意數量之板條且可具有任意數量之槽。較佳實施例通常涉及利用圓周圍繞井121之等空間配置之板條。亦可利用諸如圖5所示等空間配置之槽。此外，可使用任意一或多個窗之任意幾何形組態。較佳實施例通常關於具有均勻組態諸如例示之矩形幾何形之槽。

絲通道129通常經組態及定大小以收納絲1之一末端。絲通道129可具有對應於絲1之一末端之截面組態之一截面幾何形。其他實施例可涉及具有錐形區域之一絲通道，該錐形區域經定大小以提供與絲之一末端之干涉配合。因此，舉例而言，如圖1所示，絲1之第一末端2通常固定在夾頭9之絲通道129中且絲1之一第二末端3通常固定至第二夾頭9'之對應絲通道上。

在典型使用中，絲1透過夾頭9及9'電連接至一或多個電源(未展示)且透過各自電極通道127電連接至各自電極。系統10通常透過一或多個進口20流體連接至一或多個前驅體化合物之一或多個源。電流穿過一或多個絲1，該電流產生熱並使一或多個絲1之溫度升高至所要反應溫度，該反應溫度可為有利於半導體材料生成諸如多晶矽沈積之溫度或溫度範圍。未反應之前驅體化合物及副產物化合物可透過一或多個出口埠21從罩17及底板23內圍封的反應體積移除。可執行化學氣相沈積製程直至所要數量之半導體材料已生長或生成為半導體棒。

本發明之夾頭可由碳諸如石墨、矽或其他適當材料組成。較佳，根據本發明之一些態樣之夾頭可由含碳化合物製成。舉例而言，可藉由在約1,200℃的溫度下加熱將瀝青轉換為非晶碳。可藉由再烘焙及壓縮增大非晶碳中間產物的密度。非晶碳本體隨後可在促進晶體取向之溫度或溫度範圍，諸如約3,000℃之溫度下石墨化。石墨化本體可加工為包含一井及一或多個窗以及其他特徵及所要尺寸。

可從下文之實例進一步理解本發明之此等及其他實施例之功能及優點，下文之實例闡釋本發明之一或多個系統及技術之好處及/或優點，但不例示本發明之完整範圍。

實例1

此實例展示與生成多晶矽之習知夾頭相比之根據本發明之夾頭之特性研究之結果。在本實例中，在從約20千克/小時至約180千克/小時之範圍中之各種流率及從約17 m/s至約152 m/s之範圍中之注射速率下，在具有單個中心注射噴嘴之CVD系統中評估具有約6 mm之直徑之絲。棒之表面溫度設定為約1,150℃。圖6A展示習知夾頭之溫度分佈且圖6B展示根據本發明之具有一井之一夾頭之溫度分佈。如可見，圖6B中之絲預期具有沿著縱軸之溫度梯度但是接近井之末端之區域預期處於沈積溫度或高於沈積溫度，該溫度促進可支撐所生成之棒之夾頭之沈積及生長。相比之下，習知夾頭缺少在生長期間可支撐所生成之棒之任何特徵，習知夾頭易被指向棒表面(諸如來自流體流路徑)之力彎曲或側向移位。

實例2

此展示與習知夾頭相比之根據本發明之夾頭之另一研究之結果。在本實例中，在包含如圖3所例示之夾頭之CVD系統中使用各具有約7 mm之直徑之六個絲以生成六個多晶矽棒。亦包含無一井之習知夾頭。CVD系統具有單個中心注射噴嘴且反應物按約12千克/小時之速率引入。絲/棒之各者電加熱至約1,050℃。

如圖7A及圖7B所示，利用習知夾頭之棒形成可導致其末端區域無支撐之多晶矽棒(圖7A)而利用根據本發明之態樣之夾頭可生成有支撐的多晶矽棒(圖7B)。

現已描述本發明之一些闡釋性實施例，但是熟習此項技術者應瞭解僅舉例而言提出之上述內容僅為闡釋性且非限制性。許多修改及其他實施例在一般技術者之技術範圍內且視作落在本發明之範疇內。特定言之，雖然本文提出之實例之許多涉及方法動作或系統元件之特定組合，但是應瞭解該等動作及該等元件可以其他方式組合以完成相同目標。

熟習此項技術者應瞭解本文所述之參數及組態為例示性且實際參數及/或組態將取決於使用本發明之系統及技術之特定應用。熟習此項技術者亦認知或能夠僅使用常規試驗確定本發明之特定實施例之等效物。因此應瞭解本文所述之實施例僅舉例而言提出且在隨附申請專利範圍及其等效物之範疇內；本發明可以如具體描述之內容以外之方式實踐。

此外，亦應瞭解本發明係關於本文所述之各特徵、系統、子系統或技術及本文所述之兩個或更多特徵、系統、子系統或技術之任何組合且若此等特徵、系統、子系統及技術彼此不一致，則兩個或更多特徵、系統、子系統及/或方法之任何組合視作在如申請專利範圍所體現之本發明之範疇內。此外，僅結合一實施例所論述之動作、元件及特徵不旨在自其他實施例中的類似作用排除。

如本文所使用，術語「複數個」指的是兩個或兩個以上項目或組件。無論在書面描述或申請專利範圍及類似物中，術語「包括」、「包含」、「帶有」、「具有」、「含有」及「涉及」為開放式術語，即意味著「包含但不限於」。因此，此等術語之使用意味著涵蓋下文所列之項目及其等效物以及額外項目。對於申請專利範圍，僅過渡片語「由...組成」及「基本上由...組成」分別為封閉式或半封閉式過渡片語。申請專利範圍中使用序數詞諸如「第一」、「第二」、「第三」及類似序數詞修飾所主張元件本身並不暗示一所主張元件的任何優先權、優先等級或順序高於執行方法之動作之另一順序或時間順序，但僅用作標記以區分具有特定名稱之一所主張元件與具有相同名稱(但使用序數詞)之另一元件以區分所主張元件。

1．．．絲

2．．．第一末端

3．．．第二末端

9．．．夾頭

9'．．．夾頭

10．．．化學氣相沈積(CVD)系統

17．．．鐘罩

20．．．進氣口

21．．．出氣口

23．．．底板

121．．．井

123．．．截頭圓錐第一區段

125．．．圓形圓柱第二區段

127．．．電極通道

129．．．絲通道

131．．．縱軸

133．．．開口

135．．．底部表面

137．．．窗/槽

139．．．板條

圖1係展示可用於實施本發明之一或多個態樣之一化學氣相沈積系統之一部分之一截面之一示意圖；

圖2係展示根據本發明之一或多個實施例之一夾頭之透視圖之一示意圖；

圖3係展示根據本發明之一或多個其他實施例之一夾頭之透視圖之一示意圖；

圖4係展示根據本發明之一或多個實施例之圖3中示意地展示之夾頭之一縱向截面之一示意圖；

圖5係展示根據本發明之一或多個實施例之圖3中示意地展示之夾頭之一第一區段之一末端之一透視圖之一示意圖；

圖6A展示用於生成多晶矽半導體材料之一習知、先前技術夾頭之溫度分佈；

圖6B展示根據本發明之一或多個態樣之用於生成多晶矽半導體材料之一夾頭之溫度分佈；

圖7A展示用於生成多晶矽半導體材料之一習知、先前技術夾頭；及

圖7B展示根據本發明之一或多個態樣之用於生成多晶矽半導體材料之一夾頭；

9．．．夾頭

121．．．井

123．．．截頭圓錐第一區段

125．．．圓形圓柱第二區段

139．．．板條

Claims (15)

1. 一種夾頭，其包括：一第一區段，其包括一井及一絲通道，該絲通道在該井之一底部表面上具有一開口；及一第二區段，其具有一電極通道。
2. 如請求項1之夾頭，其中該井由從該井之一底部表面圓周延伸至該第一區段之一末端之複數個板條界定。
3. 如請求項2之夾頭，其中該複數個板條之各者被一窗分開，各窗至少部分沿著一鄰近板條之一長度延伸。
4. 如請求項1之夾頭，其具有一圓形圓柱本體，且其中該井係同心安置在該本體內且至少部分由圓周圍繞該井之一壁界定。
5. 如請求項1之夾頭，其進一步包括圍繞該井圓周安置之複數個槽。
6. 如請求項5之夾頭，其中該複數個槽之各者延伸為實質上沿著該井之一長度。
7. 如請求項1之夾頭，其中該井、該絲通道及該電極通道沿著該夾頭之一縱軸同心安置。
8. 一種化學氣相沈積系統，其包括：一夾頭，其具有一截頭圓錐區段及一接觸區段，該截頭圓錐區段具有一絲通道且同心圍繞一圓柱形井，該井係配置在該絲通道之上；及一絲，其具有固定在該絲通道中之一末端。
9. 如請求項8之化學氣相沈積系統，其中該圓柱形井具有 大於該絲通道之一直徑之一直徑。
10. 如請求項9之化學氣相沈積系統，其進一步包括一第二夾頭，該第二夾頭具有一接觸區段、一絲通道及圓周圍繞一井之一截頭圓錐區段，其中該絲具有固定在該第二夾頭之該絲通道中之一第二末端。
11. 如請求項10之化學氣相沈積系統，其中該絲係透過該第一夾頭與該第二夾頭之該等接觸區段電連接至一電流源。
12. 如請求項8之化學氣相沈積系統，其中該截頭圓錐區段具有將該井之一內部體積流體連接至該夾頭之一外部環境之複數個窗。
13. 如請求項12之化學氣相沈積系統，其中該複數個窗之各者實質上平行於該截頭圓錐區段之一縱軸沿著該井之至少一部分延伸。
14. 一種用於生成一半導體棒之方法，其包括：將一第一夾頭固定在一氣相沈積反應器中，該第一夾頭具有一絲通道及同心圍繞一圓柱形井之一截頭圓錐區段，該絲通道在該井之一底部表面上具有一開口；將一第二夾頭固定在該氣相沈積反應器中，該第二夾頭具有一絲通道及同心圍繞一圓柱形井之一截頭圓錐區段，該絲通道在該井之一底部表面上具有一開口；將一絲之一第一末端固定在該第一夾頭之該絲通道中及將該絲之一第二末端固定在該第二夾頭之該絲通道中； 將至少一半導體前驅體化合物引入該氣相沈積反應器中；及使一電流穿過該絲以加熱該絲至一反應溫度藉此在該經加熱之絲上促進該至少一半導體前驅體化合物之至少一部分轉換為該半導體。
15. 如請求項14之方法，其中該第一夾頭具有圍繞該圓柱形井安置之複數個窗。