TWI672401B

TWI672401B - 矽熔湯中控制熱流的裝置

Info

Publication number: TWI672401B
Application number: TW104109274A
Authority: TW
Inventors: 彼德Ｌ凱勒曼; 菲德梨克Ｍ卡爾森; 大衛莫雷爾; 阿拉莫瑞迪亞; 南帝斯德塞
Original assignee: 美商瓦里安半導體設備公司
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2019-09-21
Also published as: US20190284715A1; CN106133208A; JP2017512739A; EP3122921A4; KR20160138181A; US20190338442A1; WO2015148181A1; US10801125B2; CN106133208B; EP3122921A1; US10415151B1; JP6613243B2; TW201542889A; KR102348598B1

Abstract

一種用於控制熔湯內的熱流的裝置。裝置可包括坩堝，用以容納熔湯，而熔湯具有暴露面。裝置也可包括加熱器與散熱阻障總成。加熱器配置於坩堝的第一側的下方，用以提供熱以穿過熔湯而至暴露面。散熱阻障總成包括至少一散熱阻障，配置於坩堝內，並在熔湯中定義隔離區與外圍區。

Description

矽熔湯中控制熱流的裝置

本實施例是有關於結晶材料從熔湯(melt)的成長，且特別是有關於從熔湯形成單晶片。

矽晶圓或矽晶片可應用於例如積體電路或太陽能電池產業。當再生能源的需求不斷增加時，太陽能電池的需求也不斷增加。太陽能電池產業的主要成本在於用以製造太陽能電池的晶圓或晶片。降低晶圓或晶片的成本可減少太陽能電池的成本，並使得再生能源技術更為普及。已被研究用於降低太陽能電池的材料成本的有前途的方法是水平帶狀生長(horizontal ribbon growth,HRG)技術，結晶片是從熔湯的表面水平地拉出。在此方法中，熔湯的部分表面充分地冷卻以局部地藉由晶種的幫忙開始長晶，接著沿熔湯的表面抽拉以形成結晶片。藉由提供裝置快速地從熔湯表面開始長晶的區域移除熱可達成局部冷卻。在適當條件下，結晶片的穩定領導前沿(leading edge)可在此區建立。

為了確保成長穩定性，直接在結晶片的領導前沿下方提供足夠的穿過熔湯的熱流可能是有效的方法。為了使結晶片的厚度少於200微米(μm)，也需要在結晶片已形成的部分的下方提供均勻熱流。然而，因為幾個原因，要在矽熔湯內控制熱流是很有挑戰的。首先，熔融的矽具有很高的熱傳導性，因此從容納熔湯的坩堝的底部導入的熱在到達熔湯表面前就散開了。此外，容納矽熔湯的坩堝的材料是熔矽(fused silica)，因為它在高溫時也不會跟矽(silicon)產生反應。然而，熔矽是很好的熱隔絕體，因此需要很大的熱梯度才能將相當的熱傳遞給矽熔湯。所以，被加熱的熔矽坩堝的外部溫度必須維持在遠高於熔湯的溫度。然而，熔矽在1880K的溫度以上軟化，限制了可以導入熔湯的熱流的量。因此，現有的裝置不能提供足夠的熱流以確保結晶片的穩定成長。

因此，本改善方案在這些與其他考慮下是有必要的。

本摘要是以簡化的形式介紹概念的選擇，而後續會有進一步詳細的說明。本摘要並非用以確認本申請所要保護的標的的關鍵特徵或基礎特徵，也不是用以決定本申請所要保護的範圍。在一實施例中，提供用於控制熔湯內的熱流的裝置。此裝置可包括坩堝，用以容納熔湯，熔湯具有暴露面。此裝置也可包括加熱器與散熱阻障總成。加熱器配置於所述坩堝的第一側的下方且用以提供熱以穿過所述熔湯而至所述暴露面。散熱阻障總成包括至少一散熱阻障，配置於所述坩堝內，並在所述熔湯中定義隔離區與外圍區。

在另一實施例，一種用以處理熔湯的處理方法包括提供熔湯於坩堝，所述熔湯具有暴露面，加熱所述坩堝相對於所述暴露面的第一側，以提供穿過所述熔湯而至所述暴露面的熱，以及提供散熱阻障總成於所述坩堝內。散熱阻障總成包括至少一散熱阻障且在所述熔湯中定義隔離區與外圍區，其中流過所述隔離區而至所述暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從所述隔離區經由所述至少一散熱阻障而至所述外圍區的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大於第二熱流密度。

在又一實施例中，一種用以處理熔湯的處理裝置包括加熱器配置於用以容納熔湯的坩堝的下方，加熱器用以提供穿過熔湯而至熔湯的暴露面的熱。此裝置可更包括散熱阻障總成，散熱阻障總成包括配置於所述坩堝內的第一散熱阻障與第二散熱阻障，散熱阻障總成並在所述熔湯中定義隔離區與外圍區，其中經過所述隔離區流而至所述暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從所述隔離區經由所述至少一散熱阻障至所述外圍區的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大於第二熱流密度。

106‧‧‧熔湯

100、200、300、350、500、800‧‧‧裝置

102、312、352、502、504、506‧‧‧加熱器

202、510‧‧‧坩堝架

204、512‧‧‧隔絕間隙

104、330、364、514‧‧‧坩堝

110、332、356、516‧‧‧第一散熱阻障

111、334、358、518‧‧‧第二散熱阻障

208、306、520‧‧‧結晶器

522‧‧‧平面

206、322、524‧‧‧暴露面

302、354、530、532‧‧‧熱流

304、360、534‧‧‧隔離區

324、536‧‧‧外圍區

538‧‧‧底部表面

105‧‧‧第一側

108、331、366、501‧‧‧散熱阻障總成

112‧‧‧側壁

120、130、402‧‧‧散熱阻障

132‧‧‧殼

134‧‧‧內部分

308、804‧‧‧結晶片

315‧‧‧拉取方向

320、362‧‧‧表面

326‧‧‧第一壁

328‧‧‧第二壁

A、B、C、D‧‧‧點

d1、d2‧‧‧寬度

404‧‧‧熱源

406-410、602-608、702-714‧‧‧曲線

h₁‧‧‧距離

h_m‧‧‧深度

806‧‧‧領導前沿

圖1A繪示符合本實施例的用於處理熔湯的裝置的剖視圖。

圖1B繪示散熱阻障的另一實施例的細節。

圖2繪示再一實施例的用於處理熔湯的裝置的剖視圖。

圖3A繪示本揭露的又一實施例的裝置在操作時的剖視圖。

圖3B繪示圖3A的裝置的側面剖視圖。

圖3C繪示本揭露的再一實施例的裝置。

圖4繪示包括三種不同幾何尺寸下在熔湯的暴露面的熱流的模擬的組合圖。

圖5A繪示裝置的一實施例，其中散熱阻障總成用以在熱穿過熔湯時增加熱流密度。

圖5B繪示圖5A的裝置操作的一實施例。

圖5C繪示圖5A的裝置操作的另一實施例。

圖6繪示多種狀況的範例熱流密度曲線。

圖7繪示另外多種狀況的範例熱流密度曲線。

圖8繪示根據其他實施例一裝置的操作範例。

本實施例提供裝置以控制如矽熔湯(silicon melt)之類的熔湯內的熱流。多種實施例有助於在熔湯內提供均勻的熱流或集中的熱流，以便控制例如矽之類的半導體材料的連續結晶片的水平生長。多種實施例藉由提供容納熱流的散熱阻障而有助於控制熔湯內的熱流，以便引導熔湯內的熱流，這樣可解決前述有關於熔湯生長的問題。

多種實施例提供用於處理熔湯的裝置，包括坩堝，用以容納熔湯，其中熔湯具有暴露面。在用於處理矽熔湯的實施例中，坩堝可由熔矽構成。如同傳統裝置，加熱器可配置於坩堝相對於暴露面的第一側下方，以施加熱通過熔湯至會發生結晶片的處理的暴露面。不像傳統裝置，在此提供了散熱阻障總成，其包括配置於坩堝內的至少一散熱阻障。散熱阻障總成可在熔湯中定義隔離區與外圍區，其中外圍區位於隔離區外。以此原則，加熱器提供的流經隔離區而至暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從隔離區經由至少一散熱阻障至外圍區的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大於第二熱流密度。此特徵用以容納或限制熱流，所以表面的熱流會受規範而不同於傳統熔湯裝置。

圖1A繪示符合本實施例的用於處理熔湯的裝置100的剖視圖。裝置100包括加熱器102與坩堝104，坩堝104容納熔湯106。在本實施例與其他實施例，加熱器102配置於坩堝的第一側105旁或是下方，第一側105相對於熔湯106的暴露面107。因為熔湯106定義上為液態，坩堝的第一側105可表示為坩堝104的底部，且坩堝104可更包括側壁112。因此，側壁112與第一側105用以容納熔湯106。在操作中，裝置100可結合其他元件(未繪示)一起使用，以從後續將詳述的熔湯106抽取結晶片。除了側壁112，散熱阻障總成108也被提供在熔湯106內，其可固定於坩堝104的表面區109。

在圖1A的範例中，散熱阻障總成108包括第一散熱阻障110與第二散熱阻障111，彼此相對地配置。在多種實施例中，坩堝104與第一散熱阻障110及第二散熱阻障111都是由熔矽構成，這特別適用於矽熔湯。散熱阻障總成108可機械式地固定於坩堝104或可一體成型為坩堝104的一部分。在多種實施例中，散熱阻障總成108具有低熱傳導性，例如熱傳導性可低於0.1W/cm-K。這樣的熱傳導性遠低於熔融的矽，熔融的矽的熱傳導性在1685K的溫度被決定為約0.6W/cm-K的範圍。例如，熔矽的熱傳導性在矽的熔融溫度的溫度範圍被決定為約0.05W/cm-K的範圍，這樣的範圍低了矽熔湯的熱傳導性一個等級(order)以上。低熱傳導性的特點有助於在後面所述的實施例中限制了施加於例如熔湯106的熔湯的熱的熱流。其他做為散熱阻障的適當範例包括由內部分和外殼構成的結構，外殼接觸熔融矽(molten silicon)，外殼是由熔矽(fused silica)構成。如此，外部分以不跟熔融矽產生反應的材料呈現。圖1B繪示散熱阻障的另一實施例的細節。在一範例中，散熱阻障120可以是整個由例如熔矽的單一材料構成的實心結構。在另一範例中，散熱阻障130可具有例如為熔矽的材料構成的殼132，熔矽適合用於矽熔湯，因為熔矽不易與矽產生反應。此外，散熱阻障130可包括內部分134，用以使得散熱阻障的整體的熱傳導性較低。在此範例的散熱阻障130，如果殼132由熔矽構成則可完全包圍內部分134，內部分134可具有甚至低於熔矽的熱傳導性，例如散熱阻障的熱傳導性可低於0.05W/cm-K。例如，內部分134可包括具有低熱傳導性的氣體介質或其他介質。在一範例，內部分134可包括矽氣膠(silica aerogel)或其他具有非常低熱傳導性的結構。這樣的散熱阻障130的整體熱傳導性在一些例子中可以是0.02W/cm-K或更低。因為內部分134可由熔矽殼密封，內部分134可由可能與熔融矽產生反應的低熱傳導性材料構成，例如氧化鋯(zirconia)構造物。實施例並不侷限於此。

圖2繪示再一實施例的用於處理熔湯的裝置200的剖視圖。此實施例與裝置100共用除了下方所述之外的相同元件。特別是，提供了坩堝架202，其也可作為熱增強器。在一些實施例，坩堝架容納至少一隔絕間隙，例如圖2，其中坩堝架202具有隔絕間隙204，其在一些例子中可對齊第一散熱阻障110與第二散熱阻障111。在一些實施例中坩堝架可由碳化矽構成，且可限制加熱器102產生的熱流向熔湯106。例如加熱器102產生的熱可沿著平行於如所示的卡氏座標的Y軸的方向向上流，並可侷限在第一散熱阻障110與第二散熱阻障111之間的區域。如此加熱器102產生的熱流的大部分可在散熱阻障總成108上方的區域從熔湯106的暴露面206向外流動。如下述，在適當設計過的散熱阻障總成108的一些實施例中，熱流可集中於暴露面206。例如，可在暴露面206實現40瓦/平方公分(W/cm2)的熱流。在其他實施例，熱流在暴露面206可變得均勻。

如圖2所示，裝置200包括結晶器208，其可做為散熱件以幫助快速移除從暴露面206流出的熱。當熱流向暴露面206，為了結晶成片，熱可局部地快速移除，以使從暴露面206流出的熱大於流向暴露面206的熱。例如結晶器208可藉由提供冷卻塊做為散熱件而移除熱或可提供氣體至暴露面206以移除熱。實施例並不侷限於此。這樣的快速移除熱可導致熔湯106的材料在其中固化的結晶區的形成，使用如下述的水平帶狀生長技術允許結晶片從熔湯抽取。多種實施例藉由提供散熱阻障總成簡化此方法，其中散熱阻障總成集中足夠的熱流至表面206以穩定結晶片的成長過程。在其他實施例，散熱阻障總成108以均勻的方式導引熱流至暴露面206，此均勻熱流例如可用以處理已經形成的結晶片。

在不同實施例，散熱阻障總成可以不同方位設置在坩堝內。在慣例上，結晶片的拉動方向可平行於Z軸。如圖1A與圖2所示的裝置100或裝置200可視為位於Y-Z平面(側視)或在X-Z平面(端視)，其中Z軸平行於結晶片的拉取方向。此外，第一散熱阻障110與第二散熱阻障111相對於Y軸的方位可在不同實施例中變化。特別是，在適於提供均勻加熱的實施例，第一散熱阻障110與第二散熱阻障111可平行於Y軸，且因此可具有垂直於暴露面206的壁，如下面關於圖3A與圖4的細節。在適於提供集中的熱流的實施例中，第一散熱阻障110與第二散熱阻障111可以但非必要如圖5A至圖8所述的與Y軸形成非零夾角。

接著圖3A繪示本揭露的又一實施例裝置300在操作時的剖視圖。圖3B繪示圖3A的裝置300的側面剖視圖。如所繪示，裝置300包括其操作已於前面敘述過的坩堝330與坩堝架202。在此實施例，散熱阻障總成331包括第一散熱阻障332與第二散熱阻障334，其鄰近坩堝330的表面320。第一散熱阻障332與第二散熱阻障334可設置為平行於Y軸且因此垂直於熔湯106的暴露面322。特別是，第一散熱阻障332可具有第一壁326，第二散熱阻障334可具有面對第一壁326的第二壁328，如此第一壁326與第二壁328定義隔離區304的側邊。第一壁326可平行於第二壁328，且可垂直於暴露面322而延伸。

在操作時，加熱器312產生通過坩堝架202與坩堝330而進入熔湯106的熱流302。如已描述的，熔湯可以是矽，而第一散熱阻障332與第二散熱阻障334可由熔矽構成，其在矽的熔融溫度具有遠低於矽的熱傳導性。藉此，熱流302可被侷限在第一散熱阻障332與第二散熱阻障334所定義的隔離區304內。通過可由熔融矽構成的隔離區304的熱流密度可以是從熔湯106的隔離區304向外流進外圍區324的熱的熱流密度的10倍以上。為了清晰，後者的熱流未於圖3A中被指出。此外，藉由適當的加熱器312的架構，熱流密度可均勻通過隔離區304，因此從隔離區304的頂部向外的熱流密度在點A與B之間可具有相同值。

如圖3A所示，裝置300包括結晶器306，其可從表面322移除熱。裝置300也可包括晶體拉具(未繪示)。當熱流充分快速地離開表面322，從熔湯106的結晶可以開始，晶體拉具可沿著平行於Z軸的拉取方向315抽拉結晶片308。如圖3B所示，第一散熱阻障332與第二散熱阻障334位於坩堝330內，以使隔離區304在以拉取方向315拉取結晶片308時位於結晶片308的一部分的下方。當結晶片308固化且被拉往圖3B的右側時，結晶片308可能在平行於Y軸的方向上獲得大於所要的厚度。在此例中，加熱器312可用以產生熱流302於隔離區304內，以使結晶片308的一部分被熔回而減少厚度。當結晶片被抽拉通過隔離區304，熱流302可讓鄰近於結晶片308的熔湯106產生足夠的溫度而使結晶片例如沿著其下表面熔融。結晶片308的厚度可接著在其被抽拉通過隔離區304時逐漸地減少。因為熱流位於隔離區304內，裝置300可提供結晶片308均勻熱流，使結晶片的厚度在點A與B之間均勻地減少。

在圖3A與3B的實施例中，可提供額外的加熱器於坩堝330的其他部分的下方，以在至少兩個加熱區提供熱至熔湯106而使在隔離區304外的其他部分熔湯106維持於所要的熔融溫度。然而，因為第一散熱阻障332與第二散熱阻障334限制熱流於隔離區304內，熱流的方向可被導引為垂直於暴露面322，且熱流密度可橫跨隔離區304被維持在均勻值，此熱流密度可不同於外圍區324。

為了整理隔離區內的熱流，加熱器與散熱阻障總成的幾何條件可調整。圖3C繪示本揭露的再一實施例的裝置350。為了簡化，裝置350沒有包括坩堝架，但在多種實施例中都可包括坩堝架。如所示，裝置350容納坩堝364與散熱阻障總成366，散熱阻障總成366包括第一熱傳阻障356與第二散熱阻障358，其可如圖3A與3B的實施例般平行於Y軸地延伸。加熱器352作為橫跨加熱器寬度d2的均勻熱源。加熱器352可產生熱流354，其穿過第一散熱阻障332與第二散熱阻障334所定義的隔離區360而朝向熔湯106的表面362續行。為了增加隔離區360內的熱流354的均勻性並增加在暴露面362的點C與D之間的熱流的均勻性，隔離區寬度d1可相對於加熱器寬度d2調整。在一些例子中，加熱器寬度d2可大於隔離區寬度d1。

圖4繪示包括三種不同幾何尺寸下熔湯的暴露面在深13公釐(mm)處的熱流的模擬的組合圖。此結果是基於電腦流體動力計算所得，其應用於矽熔湯，且沿著熔湯下緣提供有均勻熱源404。熔矽製成的散熱阻障402具有5mm的寬度(沿著X軸)與10mm的高度(沿著Y軸)，其鄰近於隔離區，隔離區具有60mm的全寬度以及30mm的半寬度，如圖4所示。在熔湯底部(沿著Y軸)，所有幾何尺寸的熱流密度(q”)為10瓦/平方公分(W/cm2)。曲線406表示當熔湯內沒有散熱阻障時對稱架構的一半的熱流密度架構，以沿著熔湯的表面平行於X軸的位置函數表示。如所示，熔湯表面的熱流密度在中心區(X=0)是非常接近熔湯底部的初始熱流的10W/cm2。熱流密度以朝著均勻熱源的邊緣的方向逐漸減少，使熱流密度在X=30mm處少於7W/cm2，這依然是直接位於均勻熱源404上方。曲線408表示具有散熱阻障402且均勻熱源404恰延伸於在X=30mm處的隔離區412的邊緣時的熱流密度架構。如所示，熱流密度更均勻且維持介於9-10W/cm2的值直到25mm。曲線410表示具有散熱阻障402且均勻熱源延伸超過在X=35mm處的隔離區412的邊緣時的熱流密度架構。如所示，熱流密度仍更均勻且維持接近10W/cm2的值直到25mm。從圖4的結果可看到藉由適當地安排散熱阻障與熱源，熔湯表面的均勻熱流可調整為所要的寬度。這可應用在結晶片成長裝置，藉由安排均勻熱流的區域寬度涵蓋結晶片在垂直於其拉取方向的橫向方向上的要處理的寬度。這繪示在圖4，結晶片420的半寬度是25mm，當結晶片420如圖所示定位時，整體寬度(未繪示的另一半是在X=0處的左側)可受到相同的熱流。

在其他實施例，散熱阻障的性質可用於集中提供在熔湯的表面的熱流。圖5A繪示裝置500的一實施例，其中散熱阻障總成501排成在熱穿過熔湯106時增加熱流密度。裝置包括加熱器502、加熱器504與加熱器506，其位於坩堝514的不同部分的下方。坩堝架510位於坩堝514與加熱器之間。坩堝架510包括隔絕間隙物512，其沿著坩堝514底部定義彼此分開的區域，這些區域可由加熱器502、加熱器504或加熱器506分別加熱。加熱器502位於散熱阻障總成501下方，散熱阻障總成501是由第一散熱阻障516與第二散熱阻障518構成。第一散熱阻障516與第二散熱阻障518的每一個都與熔湯106的暴露面524形成夾角，這樣在散熱阻障總成501的更由暴露面524的部分之間的距離相較於靠近暴露面524的部分之間的距離更大。進一步如圖5A所示，第一散熱阻障516與第二散熱阻障518位於暴露面524下方，散熱阻障總成的頂部定義平面522，其位於熔湯106內。在一些範例中，熔湯106沿著平行於Y軸的方向的深度hm可以是10mm至 20mm，而平面522與暴露面524之間的距離h1可以是1mm至5mm。裝置500可更包括結晶器520，位於散熱阻障總成501上方。在某些實施例，第一散熱阻障516與第二散熱阻障518可相對暴露面524構成相同夾角，在其他實施例，第一散熱阻障516可相對暴露面524構成第一夾角，第二散熱阻障518可相對暴露面524構成第二夾角，第一夾角不同於第二夾角。如果非對稱的熱通量分布產生，第一散熱阻障516與第二散熱阻障518非對稱的方位是有用的。

在操作時，裝置500可使用加熱器502、加熱器504與加熱器506的任何組合加熱熔湯106。當加熱器502啟動時，傳送至熔湯106的熱流可集中於暴露面524。集中的熱流可用於穩定在暴露面524或附近產生的結晶片的生長。為了讓結晶發生，熱可以比集中的熱流提供至暴露面524更快的速度被移除。

圖5B繪示裝置500操作的一實施例。在此範例，加熱器502啟動並施加熱於熔湯106。加熱器504與加熱器506也可被啟動，但在此為了簡化而未做考慮。可假設在一範例中熔湯106是矽且暴露面524的溫度是1685K，這是矽的熔融溫度。如所示，熱流530向上移動通過坩堝架510且進入散熱阻障總成501定義的隔離區534(如圖5A)。散熱阻障總成501是阻障熱流朝外進入外圍區536。藉此，集中的熱流532產生於散熱阻障總成501的上部分。

如前述，坩堝514的適當材料是熔矽，因為不易與矽熔湯反應，且不會在矽熔湯引入金屬污染物。然而，如下述，熔矽坩堝的軟化點與熱阻抗限制了通過坩堝514的底部的熱流。這樣的限制部分是因為熔矽具有低熱傳導性，因此坩堝的內外會產生很大的溫差。熔矽的熱傳導性(~.05W/cm-K於1700K)讓4mm厚的坩堝在被施加20W/cm2的熱流時產生160K的溫差，需要在坩堝外維持至少1845K的溫度以使熔湯底部的矽熔湯維持在1685K的熔融溫度。然而，熔湯具有有限的例如12mm深度，在熔湯的底部與頂部之間也會有溫差，其在15W/cm2至20W/cm2的熱流下可為30至40K，故熔湯底部的熔融溫度通常至少1715K至1725K以產生1685K的表面熔融溫度。

當傳統裝置中提供20W/cm2的熱流密度於二氧化矽(silica)坩堝時，上述的考慮因此設定了一個約1885K的最低溫度以維持熔湯表面於矽的熔融溫度1685K。然而，傳統裝置的熱流密度被限制於20W/cm2，不足以穩定結晶矽片的生長。散熱阻障總成501藉由集中熱流朝向暴露面524而解決此問題。在一特別的範例，可假設導引通過坩堝514的底部而進入隔離區534的底部分的熱流530是15W/cm2，其中隔離區534的面積是A1。為了說明，散熱阻障總成501可具有角度，以使隔離區在平面522處的面積是A1/3，其增強熱流以使熱流532具有約45W/cm2的值。矽(Si)的給定傳導率是0.6W/cm-K，溫度梯度變化是從熔湯506的底部的約3K/mm至平面522的約7K/mm，平均約5K/mm。藉此，從坩堝514的底部至散熱阻障總成501的頂部的淨溫差為50 K，假設散熱阻障總成501的高度為10mm。在範例中，平面522比暴露面524低3mm，熔湯106在平面522的溫度較暴露面524的溫度高出3mm乘以7K/mm，或21K，使坩堝底部的溫度高於暴露面524的溫度約71K。藉此，熔湯106底部的溫度可維持在1685K加上71K或1756K。

熔矽的給定熱傳導率在1700K為約0.05W/cm-K，熱流密度15W/cm2的熱流從加熱器502施加於坩堝514而建立約30K/mm的溫度梯度。對於4mm的合理的坩堝514的厚度，這使得坩堝514的底部表面538的溫度較熔湯106底部的溫度高出30K/mm乘以4mm，或120K，或坩堝514的底部表面538的溫度為1756K加上120K等於1876K。此溫度低於可能使坩堝514軟化的溫度。

藉此，既然僅產生15W/cm2的熱流密度通過坩堝514的底部，裝置500可傳送約45W/cm2的熱流至平面522而不需妥協坩堝，這是使用傳統裝置無法達成的。可提出，對於進入坩堝底部的給定熱流，使用具有角度的散熱阻障總成相較於未使用散熱阻障的傳統裝置平均可創造更高的熱梯度。例如，施加15W/cm2於傳統裝置會使整個熔湯產生約3K/mm的熱梯度，而上述實施例的平均熱梯度卻是5K/mm。然而，為了在熔湯表面產生45W/cm2，傳統裝置需要在熔湯的底部產生45W/cm2，這會導致90K/mm的溫度梯度或跨過4mm厚的坩堝的360K的溫差。此外，45W/cm2的熱流密度會在矽熔湯內產生超過7K/mm的熱梯度，導致穿過10mm深的熔湯的70K的溫差。藉此，坩堝外的溫度需要至少1685K加上70K加上360K，或2115K，以在熔湯表面產生1685K的溫度。然而，熔矽坩堝的整體性在2115K將因為在此高溫下產生的嚴重軟化或流動而無法維持。

圖5C繪示另一實施例的裝置500的操作，其中結晶器520從暴露面524移除熱，如同熱流537。熱流537可超出熱流532，以使結晶發生在散熱阻障總成501上方的暴露面。晶體拉具(未繪示)可藉由沿著如所示的拉取方向515抽拉結晶片540。裝置500用於形成結晶片的優點是裝置500可以在熔湯表面產生超過20W/cm2的熱流密度，例如傳統裝置無法達成的從30W/cm2至50W/cm2。發明人確認這樣高的熱流密度有助於穩定結晶片在水平生長裝置的生長。

為了方便沿著熔湯表面的結晶材料片的生長，散熱阻障總成501的頂部可位於熔湯表面的下方。然而，高熱流密度仍可傳送至熔湯表面，即使當散熱阻障總成沒有延伸至表面。圖6繪示多種狀況的範例熱流密度曲線。此結果是基於電腦流體動力計算所得，其應用於矽熔湯，其中15W/cm2的熱流提供於深13mm的熔湯的底部。散熱阻障總成的頂部可假設為低於熔湯表面3mm。曲線602表示熔湯內沒有散熱阻障的狀況。在此狀況，熱流密度的寬峰具有少於12W/cm2的峰值。曲線604表示散熱阻障總成具有角度的狀況，且是計算位於散熱阻障總成的頂部的熱流密度。在此狀況，觀察到窄的波峰，其具有5mm至6mm的半峰全幅值(full width at half maximum,FWHM)，且具有35W/cm2的峰值，表示使用散熱阻障總成增強熱流密度所得。曲線606表示散熱阻障總成具有角度的狀況，且是計算位於低於熔湯表面1mm處的熱流密度。在此狀況，觀察到窄的波峰，其具有30W/cm2的峰值，表示熱流密度仍有被增強。曲線608表示散熱阻障總成具有角度的狀況，且是計算位於熔湯表面的熱流密度。在此狀況，觀察到窄的波峰，其具有28.5W/cm2的峰值，表示熱流密度的主要部分仍由具有角度的散熱阻障總成增強。

熔湯表面的熱流密度的實際增強量可藉由調整散熱阻障的角度以及其與熔湯表面的距離而調整。圖7繪示多種狀況的範例熱流密度曲線，其中散熱阻障總成的頂部的散熱阻障之間的距離有變化。在圖7，所有熱流密度曲線所反應的計算都是基於散熱阻障總成的底部與坩堝底部有25mm的距離的狀況。藉由調整散熱阻障壁的角度，散熱阻障總成的頂部的距離可以調整。曲線702是散熱阻障總成的頂部的距離25mm的狀況，使隔離區具有固定的寬度。在此例，產生具有最大值26.3W/cm2的寬峰。曲線704是散熱阻障總成的頂部的距離12mm的狀況。在此例，產生具有最大值37.4W/cm2的窄峰。曲線706是散熱阻障總成的頂部的距離8mm的狀況。在此，產生具有最大值42.4W/cm2的窄峰。曲線708是散熱阻障總成的頂部的距離4mm的狀況。在此，產生具有最大值44.1W/cm2的更窄窄峰。曲線710是散熱阻障總成的頂部的距離3mm的狀況。在此，產生具有最大值42.9W/cm2的更窄窄峰。曲線712是散熱阻障總成的頂部的距離2mm的狀況。在此，產生具有最大值40.6W/cm2的更窄窄峰。曲線714是散熱阻障總成的頂部的距離1mm的狀況。在此，產生具有最大值35W/cm2的更窄窄峰。距離少至4mm以下而減少的最大熱流值可歸咎於熱可在高熱傳導性的熔融矽內傳遞的距離減少所造成的熱阻抗的增加。

從上述結果可觀察到使散熱阻障總成具有角度而使散熱阻障總成的頂部的距離從25mm減少至4mm可增加熱流密度的峰值。更可觀察到當頂部的距離為4mm或更小時，可產生極大峰值。藉此，這些結果顯示可藉由調整散熱阻障總成的頂部與底部的距離而調整熱流密度。從上面也可歸納出熱流密度的波峰的寬度如FWHM可調整以維持窄峰，藉以在窄區域內傳遞熱，適於穩定矽片的領導前沿。

在其他實施例，用於處理熔湯的裝置可包括多個散熱阻障總成。在一實施例，裝置可包括第一散熱阻障總成以產生集中的熱流於熔湯表面以及第二散熱阻障以在熔湯的目標區產生均勻熱流。圖8繪示裝置800的操作範例，包括前述的裝置500與裝置300的散熱阻障總成元件。這些散熱阻障總成元件可以不同方位提供在坩堝802內。特別是，散熱阻障總成501如前所述用以產生集中的熱流532。此熱流可超過例如30W/cm2，且可用以穩定結晶片804的領導前沿806的生長。這可在熱流537被結晶器520從暴露面524移除時發生，且發生結晶。裝置800也包括加熱器352與散熱阻障總成366，其操作已參考圖3C於前面說明。特別是，散熱阻障總成366與加熱器352可提供熱流沿著Y軸朝向結晶片804，其在橫跨結晶片804平行於X軸的寬度上有均勻的熱流密度，如圖3C與圖4所示。藉此，散熱阻障總成366可以均勻的方式橫跨結晶片804的寬度熔融回部分的結晶片804，如圖8。因此，裝置800不僅提供改善的熱流以穩定結晶片的領導前沿，並均勻熱流以均勻地處理結晶片，藉以橫跨結晶片的寬度地均勻地熔融回結晶片。

本揭露不侷限於在此的特定實施例的範圍。實際上，除了在此所述的之外，本揭露的其他多種修改實施例對於本領域具有通常知識者而言再參考前述說明與圖式後將是顯而易見的。因此，其他多種修改實施例皆落於本揭露所欲保護的範圍。此外，雖然本揭露以文字敘述為在特定環境下為了特定目的而有特定實施手段，本領域具有通常知識者可確認其實用性並不侷限於此，且本揭露可在任何環境下為了任何目的被執行。藉此，以下的申請專利範圍應該在不脫離本揭露的精神的範圍內被建構。

Claims

一種控制裝置，用於控制熔湯內的熱流，包括：坩堝，用以容納所述熔湯，所述熔湯具有暴露面；加熱器，配置於所述坩堝的第一側的下方且用以加熱所述熔湯至所述暴露面；散熱阻障總成，位於所述暴露面之下且包括至少一散熱阻障，所述至少一散熱阻障配置於所述坩堝內，並在所述熔湯中定義隔離區與外圍區；以及晶體拉具，用以沿著所述熔湯的所述暴露面抽拉結晶片通過所述隔離區。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中所述至少一散熱阻障是由熔矽(fused silica)構成。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中所述熔湯是由矽(silicon)構成，而其中通過所述隔離區而至所述暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從所述隔離區經由所述至少一散熱阻障至所述外圍區的熱的第二部分具有第二熱流密度，所述第一熱流密度大於所述第二熱流密度。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中所述散熱阻障總成包括具有夾角的第一散熱阻障與第二散熱阻障，其中所述隔離區朝向所述暴露面變窄。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中所述散熱阻障總成的第一壁與第二壁互相平行，且垂直所述暴露面。
如申請專利範圍第5項所述的控制裝置，其中所述加熱器排列以產生穿過所述隔離區而朝向所述暴露面的均勻熱流。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，更包括坩堝架，配置於所述加熱器與坩堝之間且具有至少一隔絕間隙，以產生至少兩個加熱區而提供熱至所述熔湯。
如申請專利範圍第7項所述的控制裝置，其中所述坩堝架是熱增強器。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中所述散熱阻障總成包括第一散熱阻障與第二散熱阻障，配置於所述坩堝的表面區且以隔離區寬度彼此分離，其中所述加熱器用以產生熱流通過加熱器寬度進入所述隔離區，所述加熱器寬度大於所述隔離區寬度，其中在所述表面區的所述熱流均勻通過所述第一散熱阻障與所述第二散熱阻障之間的所述隔離區。
如申請專利範圍第1項所述的控制裝置，其中所述散熱阻障總成的頂部定義的在所述熔湯內的平面與所述暴露面的距離介於1至5公釐。
一種處理方法，用以處理熔湯，包括：提供所述熔湯於坩堝，所述熔湯具有暴露面；加熱所述坩堝相對於所述暴露面的第一側，以提供熱通過所述熔湯而至所述暴露面；提供散熱阻障總成於所述坩堝內且所述散熱阻障總成位於所述暴露面之下，所述散熱阻障總成包括至少一散熱阻障且在所述熔湯中定義隔離區與外圍區，其中通過所述隔離區流而至所述暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從所述隔離區經由所述至少一散熱阻障至所述外圍區的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大於第二熱流密度；以及沿著所述熔湯的所述暴露面抽拉結晶片通過所述隔離區。
如申請專利範圍第11項所述的處理方法，更包括提供所述散熱阻障總成包括具有夾角的第一散熱阻障與第二散熱阻障，其中所述隔離區朝向所述暴露面變窄。
如申請專利範圍第11項所述的處理方法，其中所述散熱阻障總成的第一壁與第二壁互相平行，且垂直所述暴露面。
如申請專利範圍第12項所述的處理方法，其中所述熔湯是矽熔湯，其中在所述隔離區的頂部，朝向所述暴露面的熱流為30至40瓦/平方公分。
如申請專利範圍第13項所述的處理方法，更包括安排加熱器以產生均勻熱流穿過所述隔離區朝向所述暴露面。