用于生產(chǎn)錠料的設(shè)備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于硅錠的無坩堝生產(chǎn)的設(shè)備（1）和方法，其中使具有種晶層（7）和液體層的支架在具有豎直梯度的溫度場中逐漸降下，以使液體層（32）以受控方式固化。
【專利說明】用于生產(chǎn)錠料的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]通過引用并入美國專利申請US13/561350的內(nèi)容。
[0002]本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)錠料的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】[0003]用于晶體、尤其是由硅制成的晶體的體積生長的技術(shù)包括浮區(qū)(FZ)、直拉(Czochralski) (CZ)和多晶(me)增長。這些方法均具有缺點(diǎn)和局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種便于錠料的生產(chǎn)的設(shè)備和方法。
[0005]此目的由一種用于生產(chǎn)錠料的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備包括:用于提供可控氣氛的腔室，其中該腔室具有在豎直、也就是縱向上彼此間隔開的頂部和底部；用于支承種晶層的支架，其中該支架可相對于所述腔室沿縱向移動(dòng)；至少一個(gè)用于控制腔室中的給定生長容積中的溫度場的裝置，其中溫度場具有沿縱向的溫度梯度；以及用于材料向種晶層上的可控給送的給送設(shè)備。此目的還通過一種用于生產(chǎn)錠料的方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括以下步驟:提供一設(shè)備，該設(shè)備具有用于提供可控氣氛的腔室、至少一個(gè)用于控制腔室內(nèi)部的給定生長容積中的具有沿縱向的溫度梯度的溫度場的裝置、用于種晶層的支架——該支架可在腔室的內(nèi)部沿縱向移動(dòng)(相對于內(nèi)部熱區(qū))和用于提供原料的可控給送設(shè)備；在支架上提供種晶層，其中種晶層限定待生產(chǎn)的錠料的截面積；使支架移動(dòng)，以使得種晶層位于生長容積內(nèi)的預(yù)定位置；在生長容積內(nèi)產(chǎn)生具有預(yù)定豎直溫度梯度的溫度場；經(jīng)由給送設(shè)備在種晶層上提供原料，其中控制原料的給送和生長容積內(nèi)的溫度場以使得整個(gè)種晶層被覆蓋有一層液態(tài)原料；使支架與液態(tài)原料層的固化一致地相對于熱區(qū)降下，從而從下方進(jìn)行冷卻。將支承板的運(yùn)動(dòng)控制成與固化界面的運(yùn)動(dòng)大致相等并相對。
[0006]本發(fā)明的核心在于提供了一種用于生產(chǎn)錠料的設(shè)備，該設(shè)備具有用于在腔室的內(nèi)部產(chǎn)生沿縱向的溫度梯度的至少一個(gè)裝置和用于支承種晶層的支架——該支架可沿溫度梯度的方向移動(dòng)，以及一種用于在大致平直的種晶層上可控地給送材料的給送設(shè)備。
[0007]該設(shè)備特別適合于硅錠的生產(chǎn)。該設(shè)備特別適合于錠料的無坩堝生產(chǎn)。種晶層上的液態(tài)原料特別是獨(dú)立的，也就是不存在用于容納液態(tài)原料的坩堝、容器或冷壁坩堝。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一方面，種晶層包括布置在支架上的至少一個(gè)種晶板。種晶板優(yōu)選由硅制成。該種晶板優(yōu)選具有單晶結(jié)構(gòu)。種晶板能由單晶硅制成。有利地，種晶板能由根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)的錠料制成。
[0009]種晶層能包括若干種晶板，特別是若干種晶。種晶板優(yōu)選以規(guī)則圖案布置在支架上。種晶板優(yōu)選在支架上形成預(yù)定區(qū)域的傾斜。種晶板優(yōu)選具有給定晶體結(jié)構(gòu)，特別是給定取向。
[0010]種晶層優(yōu)選具有與待生產(chǎn)的錠料的截面積相對應(yīng)的截面積。種晶層特別是具有與待生產(chǎn)的錠料相同的截面形狀。種晶層的截面積特別是在最終錠料的截面積的20%以內(nèi)。[0011]種晶層優(yōu)選具有至少0.04m2、特別是至少0.lm2、特別是至少0.2m2、特別是至少0.4m2的截面積。種晶層能呈矩形、特別是正方形。優(yōu)選地，種晶層具有平直的側(cè)邊長度，該側(cè)邊長度為晶片尺寸的整數(shù)倍。
[0012]種晶層的外周優(yōu)選具有圓形角部。角部優(yōu)選具有至少1mm、特別是至少3mm的半徑R0
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，至少一個(gè)用于控制腔室中的溫度場的裝置包括布置在用于種晶層的支架上方的至少一個(gè)頂部加熱設(shè)備。
[0014]該加熱設(shè)備布置在種晶板與支架相對的一側(cè)。加熱設(shè)備特別是可由控制裝置控制?？刂蒲b置能夠是開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)的一部分。加熱設(shè)備能夠是電感或電阻式加熱設(shè)備。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，頂部加熱設(shè)備被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生具有沿垂直于縱向的方向的溫度梯度的溫度場。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，至少一個(gè)頂部加熱設(shè)備包括至少兩個(gè)加熱環(huán)路，該加熱環(huán)路可獨(dú)立地控制。各加熱環(huán)路連接到提供DC電信號和AC電信號中的至少一者的電源。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，至少兩個(gè)加熱環(huán)路同心地布置。至少兩個(gè)加熱環(huán)路具有不同參數(shù)，以使得一個(gè)加熱環(huán)路形成最外部的加熱環(huán)路，并且其中最外部的加熱環(huán)路具有比至少另一個(gè)加熱環(huán)路弱的加熱功率。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，至少一個(gè)用于控制溫度場的裝置包括布置在用于種晶層的支架下方的至少一個(gè)底部冷卻設(shè)備。頂部加熱設(shè)備和底部冷卻設(shè)備特別是布置在種晶層關(guān)于縱向的相對側(cè)。
[0019]底部冷卻設(shè)備優(yōu)選是可控的。底部冷卻設(shè)備能實(shí)現(xiàn)散熱強(qiáng)度的受控變化。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，頂部加熱設(shè)備和底部冷卻設(shè)備中的至少一者被設(shè)計(jì)成使得生長容積中的橫向溫度梯度為最多l(xiāng)K/cm、特別是最多l(xiāng)K/m，特別是最多K^K/m。溫度梯度優(yōu)選是可控的。
[0021]沿縱向的溫度梯度優(yōu)選是可控的。沿縱向的溫度梯度處于100K/m至10000K/m的范圍內(nèi)，特別是300K/m至3000K/m的范圍內(nèi)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該設(shè)備還包括至少一個(gè)周邊加熱器。該周邊加熱器優(yōu)選具有形狀與種晶層的外周匹配或幾乎匹配的內(nèi)周，長度略長。由此應(yīng)理解的是，在種晶層與周邊加熱器之間存在沿橫向、也就是垂直于縱向的間隙，該間隙優(yōu)選具有在0.2_至10_的范圍內(nèi)的寬度。
[0023]周邊加熱器優(yōu)選包括感應(yīng)加熱元件。該感應(yīng)加熱元件能夠是流體冷卻線圈,特別是水或氣體冷卻線圈。該線圈能夠由銅或至少耐受硅的熔點(diǎn)的另一種材料制成。另一方面，不需要冷卻，并且加熱元件可以是一段實(shí)心的合適材料。周邊加熱器的兩端連接到包括AC電源及任選地DC電源的電源。
[0024]感應(yīng)式周邊加熱器形成電磁包容線圈。由周邊加熱器產(chǎn)生的磁場在導(dǎo)電液態(tài)硅中感生逆電流。加熱器電流和硅逆電流經(jīng)電磁力互相作用，引起液態(tài)硅排斥遠(yuǎn)離加熱器。由此，周邊加熱器能控 制錠料的截面使之以幾乎正形的方式形成。周邊加熱器特別是能實(shí)現(xiàn)對錠料截面的非接觸控制。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該設(shè)備還包括至少一個(gè)周邊冷卻器。該周邊冷卻器優(yōu)選具有形狀與種晶層的外周匹配的內(nèi)周。由此應(yīng)理解的是，在種晶層與周邊冷卻器之間存在沿橫向的間隙，該間隙優(yōu)選具有在0.2_至20_的范圍內(nèi)的寬度。
[0026]周邊冷卻器能作為周邊冷卻環(huán)路建立。周邊冷卻器能包括管，該管使冷卻流體、特別是冷卻液或冷卻氣體能夠循環(huán)通過該管。周邊冷卻器在徑向上與種晶層間隔開。由此能確保周邊冷卻器不會與錠料物理接觸。周邊冷卻器形成邊緣冷卻環(huán)路。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，周邊加熱器以在縱向上最多IOcm的距離布置在周邊冷卻器上方。周邊加熱器優(yōu)選緊挨著周邊冷卻器布置。周邊加熱器特別是布置成與周邊冷卻器相距最多5cm、特別是最多3cm。
[0028]周邊加熱器和周邊冷卻器能在橫向上具有相同或幾乎相同的截面。周邊加熱器和周邊冷卻器特別是能與穿過截面的中心的縱向軸線同心地布置，但具有如上所述的縱向偏離。除連接外，周邊加熱器和周邊冷卻器能呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對稱，特別是分散、特別是四折旋轉(zhuǎn)對稱。在不加以限制的情況下，旋轉(zhuǎn)對稱也可以是雙折的，具有矩形截面。該截面理想而言是矩形的或正方形的，以使得該截面能以最低限度的浪費(fèi)被細(xì)分為一個(gè)或多個(gè)矩形或正方形磚塊，目的是為了切割能布置用于在太陽能模塊中的有效空間充填的基底。不排除缺乏對稱性，但不會那么有效。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該設(shè)備還包括氣體入口。氣體入口允許來自惰性氣體儲器的惰性氣體、特別是氬氣進(jìn)入。
[0030]氣體入口布置在種晶層上方。氣體入口被設(shè)計(jì)成分別允許惰性氣體在種晶層頂部上跨過種晶層和/或液體材料均勻流動(dòng)。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，給送設(shè)備優(yōu)選包括用于使硅熔化的裝置。因此，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備包括兩個(gè)不同的溫控系統(tǒng)，一個(gè)用于使原料熔化，一個(gè)用于原料的固化。由此，提高了熱通量控制的靈活性?？梢韵蚍N晶層頂部上的液體層添加小塊固態(tài)硅，但如果固體在其它地方熔化并按需以液體形式提供給固化區(qū)段，則系統(tǒng)的操作會更可靠并原料類型更靈活。
[0032]給送設(shè)備特別是可布置在腔室的外側(cè)。因此，能從腔室的外側(cè)向腔室特別是種晶層添加原料，特別是液態(tài)原料。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該設(shè)備是無坩堝的。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，給送設(shè)備包括出口，所述出口相對于種晶層的位置是可調(diào)節(jié)的。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的方法，限定待生產(chǎn)的錠料的截面積的種晶層設(shè)置在支架上且支架移動(dòng)至具有預(yù)定豎直溫度梯度的溫度場內(nèi)的預(yù)定位置。然后，經(jīng)由給送設(shè)備在種晶層上提供原料，其中控制原料的給送和生長容積內(nèi)的溫度場以使得整個(gè)種晶層被覆蓋有一層液態(tài)硅。然后，隨著液態(tài)原料層由于熱能從底部被除去而固化，使沿平行于溫度梯度的方向、特別是沿降溫方向移動(dòng)的支架降下。換言之，在系統(tǒng)與種晶層上方的靜態(tài)穩(wěn)定液體層達(dá)到初始平衡之后，通過減少從上方進(jìn)行的加熱、增加從下方進(jìn)行的冷卻或這兩者來改變熱平衡。這向上驅(qū)動(dòng)了固化界面，并且支承層同時(shí)被吸向下以便維持給定豎直范圍內(nèi)的固體/液體界面。
[0036]該方法有利地根據(jù)按需給送原理操作。由此，大幅減小了所需的液態(tài)硅的體積，并因此提高了工藝安全性。[0037]根據(jù)本發(fā)明的一方面，控制生長容積中的溫度場以使得種晶層具有在其熔點(diǎn)的100° C以內(nèi)的溫度。種晶層特別是在工藝開始時(shí)、特別是在原料由給送設(shè)備提供到種晶層上之前具有在其熔點(diǎn)的100° C以內(nèi)的溫度。
[0038]在初始階段期間、特別是在種晶層被完全覆蓋有一層液態(tài)原料之后可以增大豎直溫度梯度，即沿縱向的溫度梯度。能以使得種晶層與原料層之間的固-液相邊界不移動(dòng)的方式來使豎直溫度梯度增大。換言之，以使得不存在凈固化的方式來使豎直溫度梯度增大。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，調(diào)節(jié)在種晶層上提供的原料的量以使得液態(tài)原料層具有預(yù)定高度。在種晶層上提供原料的速度特別是被調(diào)節(jié)成在使支架降下的同時(shí)保持液體高度不變。提供原料的速度特別是被調(diào)節(jié)成凈散熱強(qiáng)度和使支架降下的速度。
[0040]能在Imm至IOcm的范圍內(nèi)、特別是5mm至2cm的范圍內(nèi)保持液相的高度不變。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的一方面，原料由給送設(shè)備以液態(tài)原料的形式提供。原料能以在1410° C至1500° C的范圍內(nèi)、特別是在1420° C至1450° C的范圍內(nèi)的溫度提供。
[0042]原料優(yōu)選在種晶層關(guān)于其截面的中心附近被提供到種晶層上。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過由周邊加熱器產(chǎn)生的電磁場來協(xié)助種晶層上的液態(tài)原料的包容，否則該包容僅基于高表面張力。優(yōu)選地，由周邊加熱器感應(yīng)的額外的熱被優(yōu)選位于周邊加熱器正下方的周邊冷卻器、特別是周邊冷卻環(huán)路抵消。周邊加熱器與周邊冷卻器的組合有助于在狹窄空間內(nèi)限定位于邊緣處的固化前沿。一般而言，邊緣處的熱梯度可由于周邊加熱器和冷卻器而比錠料中間的熱梯度陡，但固體-液體界面的形狀優(yōu)選盡可能平直。
[0044]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在使支架降下的同時(shí)使固化原料與液態(tài)原料之間的相邊
界保持靜止。
[0045]通過頂部加熱器和底部冷卻器的特殊布置結(jié)構(gòu)，特別是通過對頂部加熱器和底部冷卻器中的至少一者的適當(dāng)控制，維持了平直的相邊界，該平直的相邊界是平直的固化界面。
[0046]特別地，頂部加熱器和底部加熱器中的至少一者被控制成使得生長容積中的溫度場具有最多l(xiāng)K/m、特別是最多l(xiāng)K/m、特別是最多KT1KAi的橫向溫度梯度。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在使支架降下的同時(shí)連續(xù)施加原料、液體原料。原料特別是被連續(xù)施加以在不斷進(jìn)行的固化趨于使液體層從底部縮短時(shí)保持液態(tài)原料層的高度不變。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，為了從給送設(shè)備添加液態(tài)原料，調(diào)節(jié)所述給送設(shè)備的出口以到達(dá)液態(tài)原料層中。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述腔室被凈化掉空氣并回填惰性氣體。這優(yōu)選在工藝開始時(shí)、特別是在液態(tài)原料被給送到種晶板上之前完成。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，以使得生長容積(Vg)中的橫向溫度梯度為最多10K/mm的方式來控制溫度場。
[0051]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該設(shè)備還包括流體換熱器，該流體換熱器能夠使從冷卻設(shè)備的熱提取速度從零變成全部冷卻功率。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，種晶層和周邊加熱器的截面形狀是線性的，具有互成約90度的基本平直的側(cè)邊和具有至少Imm的半徑的圓角，并且其中種晶層橫向地定位以配合在周邊加熱器的截面內(nèi)。
[0053]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過監(jiān)控種晶層與周邊加熱器之間的間隙并按需控制周邊加熱器中的電流以增大或減小液態(tài)原料的截面積來在生長期間控制錠料的橫向尺寸。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過監(jiān)控液體/固體界面的位置并對加熱設(shè)備與冷卻設(shè)備之間的凈能量通量使用有源反饋控制環(huán)路來主動(dòng)控制固化速度。
[0055]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，原料材料被包括在由以下材料組成的群組中:硅、鍺、砷化鎵、氧化鋁、砷化銦、鍺化硅、其它半導(dǎo)體、聚合物和具有液相的過渡金屬氧化物。
[0056]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過向頂部加熱設(shè)備施加隨時(shí)變化的電流來在液態(tài)原料層中產(chǎn)生預(yù)定的流動(dòng)圖案。
[0057]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，頂部加熱器中隨時(shí)變化的電流被控制成使得至少在某些時(shí)間段，液態(tài)原料層中的流動(dòng)圖案使得存在從該層的中心部分至角部的液態(tài)原料流。
[0058]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，由監(jiān)控設(shè)備來監(jiān)控液態(tài)原料的固化層。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)來自監(jiān)控設(shè)備的信號來控制至少一個(gè)用于控制生長容積(Vg)中的溫度場的裝置中的其中至少一個(gè)的啟動(dòng)、從給送設(shè)備添加液態(tài)原料的速度、周邊加熱器的啟動(dòng)、周邊冷卻器的啟動(dòng)和降下支架的速度。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)來自監(jiān)控設(shè)備的信號來調(diào)節(jié)液態(tài)原料層的高度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0061]將參照圖1至13描述本發(fā)明的更多方面和細(xì)節(jié)。
[0062]圖1示出本發(fā)明一實(shí)施例的剖視圖，
[0063]圖2示出本發(fā)明另一實(shí)施例的示意性局部剖視圖，
[0064]圖3示出根據(jù)圖2的實(shí)施例在工藝開始時(shí)的簡化視圖，
[0065]圖4示出稍遲但仍在工藝的初始階段期間的根據(jù)圖3的視圖，
[0066]圖5示意性地示出頂部加熱器及其電連接的一實(shí)施例，
[0067]圖6示出頂部加熱器的不同實(shí)施例的根據(jù)圖5的視圖，
[0068]圖7示出頂部加熱器的又一實(shí)施例的根據(jù)圖5的視圖，
[0069]圖8示意性地示出能通過根據(jù)本發(fā)明的頂部加熱器在液體層中產(chǎn)生的流動(dòng)圖案，
[0070]圖9示意性地示出用于監(jiān)控固化液體層的監(jiān)控設(shè)備的一實(shí)施例，
[0071]圖1Oa至圖1Oc示意性地示出固化液體層以使彎液面角度對晶體生長的影響可視化，
[0072]圖11示出根據(jù)圖1Ob的視圖，指示了更真實(shí)的相邊界，
[0073]圖12示出包圍固化錠料的環(huán)形加熱器的頂視圖，以及
[0074]圖13示出圖12的剖面XIII的放大視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0075]根據(jù)圖1所示的實(shí)施例，用于生產(chǎn)錠料、特別是用于生產(chǎn)硅錠的設(shè)備I包括用于提供可控氣氛的腔室2。腔室2具有沿縱向5彼此間隔開的頂部3和底部4。
[0076]腔室2的底部4作為底板建造。頂部3作為蓋建造，但可以作為將生長容積與熔化容積分隔的熱分離層構(gòu)成。腔室2還包括沿縱向5延伸的側(cè)壁20。側(cè)壁20優(yōu)選與底部4并可選地與頂部3形成氣密連接。沿側(cè)壁20布置有絕熱層21。絕熱層21能由氧化鋁纖維、碳纖維或任何其它合適的絕熱材料制成。
[0077]在腔室2的底部4中設(shè)有排氣管22。腔室2經(jīng)由排氣管22連接到氣體交換設(shè)備23。腔室2因此提供了可控氣氛。氣體交換設(shè)備23能夠是用于排泄腔室2的真空裝置。一般而言，氣體交換設(shè)備23形成用于控制腔室2內(nèi)部的氣氛的裝置。
[0078]此外，設(shè)備I包括用于支承種晶層7的支架6和在種晶層7的頂部上固化的硅塊
11。支架6可相對于腔室2沿縱向5移動(dòng)。
[0079]設(shè)備I還包括加熱設(shè)備8和冷卻設(shè)備9。加熱設(shè)備8和冷卻設(shè)備9形成用于控制腔室2中的給定生長容積Vg的溫度場的裝置。加熱設(shè)備8和冷卻設(shè)備9特別是用于利用沿縱向5的溫度梯度來控制溫度場的裝置。 [0080]此外，設(shè)備I包括用于將材料分別向種晶層7上或種晶層7上已經(jīng)固化的硅塊11上可控給送的給送設(shè)備10。在后一種情形中，也可理解為材料被給送到種晶層7上。
[0081]種晶層7包括一個(gè)或多個(gè)種晶板12。種晶板優(yōu)選由單晶材料制成，但可以是有序排列的晶體。種晶板特別是硅晶體，特別是單晶硅。一個(gè)或多個(gè)種晶板12可從單個(gè)晶塊切割。
[0082]種晶層7具有與待生產(chǎn)的錠料的截面積相對應(yīng)的截面積。種晶層7優(yōu)選具有帶圓角的矩形、特別是正方形截面區(qū)域。種晶層7具有不存在尖角部的外周形狀。種晶層7特別是具有至少1mm、特別是至少3mm的角部半徑R。
[0083]種晶層7的截面區(qū)域具有在20cm至80cm之間的范圍內(nèi)、特別是在30cm至65cm的范圍內(nèi)的側(cè)邊長度。原則上，不對截面區(qū)域的尺寸加以限制。側(cè)邊長度優(yōu)選是待從錠料切割的晶片的側(cè)邊長度的整數(shù)倍。種晶層7優(yōu)選具有至少0.05m2、特別是至少0.2m2、特別是至少0.4m2的截面積。
[0084]支架6包括底座13。底座13機(jī)械地連接到運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置14。其可由運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置14沿縱向5移動(dòng)。底座13具有沿縱向5的至少25cm、優(yōu)選至少40cm、優(yōu)選至少60cm的移動(dòng)范圍。底座柱13構(gòu)造成允許冷卻流體向上流通至冷卻層9。替代地，冷卻塊可經(jīng)可變孔洞向諸如側(cè)壁20的流體冷卻表面輻射熱。
[0085]支架6還包括具有周緣17的包容托盤15。邊緣17具有沿縱向5的至少1cm、特別是至少3cm的高度。
[0086]包容托盤15具有沿垂直于縱向5的方向的截面積,該截面積為種晶層7的截面積的至少兩倍、特別是至少三倍。包容托盤15提供用于保持液態(tài)硅的容積。該容積為至少1L，特別是至少2L，特別是至少3L。包容托盤15保護(hù)腔室2的下部和底座13以免液態(tài)硅溢出。
[0087]海綿狀結(jié)構(gòu)16沿周緣17布置，并且可充填全部容積。海綿狀結(jié)構(gòu)16形成用于吸收溢出的硅的海綿。
[0088]支架6能可選地還包括布置在包容托盤15的頂部上的加熱器和絕熱材料疊層18。加熱器和絕熱材料疊層18布置在冷卻設(shè)備9與種晶層7之間。
[0089]支架6還包括支承板19。支承板19能由石墨或碳化硅或甚至硅制成。種晶層7布置在支承板19的頂部上。優(yōu)選地，種晶層9和支承板19具有相差最多10%、特別是最多5%、特別是最多1%的截面積。[0090]冷卻設(shè)備9也可以是支架6的一部分。其布置在底座13與包容托盤15之間。
[0091]加熱設(shè)備8布置在種晶層7上方。其因此布置在種晶層7與底座13相對的一側(cè)。加熱設(shè)備8的類型能夠是感應(yīng)式或電阻式。加熱設(shè)備8具有沿垂直于縱向5的方向的外截面積，該外截面積在種晶層7的截面積的40%以內(nèi)，并且可略大或略小。加熱設(shè)備8被設(shè)計(jì)成在錠料中產(chǎn)生具有可忽略不計(jì)的凈橫向溫度梯度的溫度場。錠料中的橫向溫度梯度能優(yōu)選被控制為最多ΙΟΚ/m，特別是最多l(xiāng)K/m，特別是最多l(xiāng)Ol/m。
[0092]加熱設(shè)備8可由功率控制器24控制。
[0093]加熱設(shè)備8能由涂有碳化硅的石墨制成。加熱設(shè)備8能由支承層37支承。在感應(yīng)加熱設(shè)備8的情形中，支承層37能由氧化鋁或石英制成。在輻射式加熱設(shè)備8的情形中，支承層37能由碳化硅(SiC)、涂有SiC的石墨或涂有氮化硼(BN)的石墨制成。由碳化硅(SiC)或涂有SiC的石墨制成的支承層37以SiC不會短接加熱器環(huán)路的方式制造。支承層37特別是與加熱設(shè)備8電絕緣。支承層37還用于降低加熱設(shè)備8被液態(tài)硅污染的風(fēng)險(xiǎn)。替代地，加熱器可通過其電源線懸掛并自由懸置在熔體上。
[0094]冷卻設(shè)備9優(yōu)選允許散熱強(qiáng)度的受控變化。冷卻設(shè)備9形成冷卻槽。冷卻設(shè)備9能作為換熱器塊建造。冷卻設(shè)備9能包括主動(dòng)、可控元件，例如用于實(shí)現(xiàn)冷卻流體在換熱器塊內(nèi)的可控循環(huán)的裝置。
[0095]冷卻設(shè)備9被設(shè)計(jì)成使得生長容積Vg中的橫向溫度梯度能被控制為最多l(xiāng)K/cm，特別是最多l(xiāng)K/m，特別是最多0.lK/m。
[0096]給送設(shè)備10包括用于將液態(tài)硅分別給送到種晶層7上或已經(jīng)固化的硅塊11上的給送管25。給送設(shè)備10包括用于保持液態(tài)硅的儲器。給送設(shè)備10能包括用于使硅熔化的裝置。由給送設(shè)備10給送到腔室2中的液態(tài)硅稱為用于待生產(chǎn)的硅錠的原料。
[0097]設(shè)備I還包括周邊加熱器26。在此示出的周邊加熱器包括單圈感應(yīng)式加熱線圈27。周邊加熱器26除了在截面的角部(此處周邊加熱器可與錠料偏離)處外具有與種晶層7的外周緊密地一致的內(nèi)周。種晶層7的外周與周邊加熱器26的內(nèi)周之間存在具有在
0.2mm至IOmm的范圍內(nèi)的寬度的間隙28。加熱線圈27與包括AC電源29和可選地DC電源的電源電連接。加熱線圈27可以是水冷式銅線圈?；蛘?，加熱線圈27可以由能夠攜帶來自AC電源29的AC電力并在升高的溫度下、特別是在高達(dá)至少硅的熔點(diǎn)、特別是高達(dá)至少1450° C的溫度下操作的耐火材料組成。液體與加熱器之間的間隙28能通過磁場強(qiáng)度來控制，所述磁場強(qiáng)度通過施加至加熱器的電流來控制。由于液體表面的半徑在角部較小，并且電磁場也被增強(qiáng)，因此周邊加熱器與液體之間的間隙在角部中可增大。這可通過使周邊加熱器成形為在角部凸出從而與此處的種晶形狀偏離來補(bǔ)償。察看間隙的觀察設(shè)備可利用周邊加熱器功率進(jìn)行反饋，以將間距維持在期望控制范圍內(nèi)。
[0098]設(shè)備I還包括周邊冷卻器30。周邊冷卻器30被設(shè)計(jì)為冷卻環(huán)路。周邊冷卻器30剛好定位在預(yù)期固化線31 (也就是已經(jīng)固化的硅塊11與硅塊11頂部上的液態(tài)原料層32之間的相邊界)下方。周邊冷卻器30用來嚴(yán)密地控制固化前沿處的熱梯度。周邊冷卻器30能包括與用于冷卻流體、特別是冷卻液或冷卻氣體的儲器33流體連通的管。該冷卻流體能循環(huán)通過周邊冷卻器30的管。
[0099]周邊冷卻器30布置成沿縱向5與周邊加熱器26鄰接。周邊冷卻器30布置在周邊加熱器26正下方。優(yōu)選地，周邊加熱器26以沿縱向5的最多10cm、特別是最多5cm、特別是最多3cm的距離布置在周邊冷卻器30上方。
[0100]周邊冷卻器30能具有與周邊加熱器26相等的內(nèi)截面積，或者周邊冷卻器30可以與錠料形狀更緊密地一致。優(yōu)選地，周邊冷卻器30具有與種晶層7的外周匹配的內(nèi)周。由此，可理解的是，在周邊冷卻器30與分別地種晶層7的外周或已經(jīng)固化的硅塊11之間存在具有沿橫向的在0.2mm至IOmm的范圍內(nèi)的寬度的間隙34。換言之，周邊冷卻器30與硅塊11間隔開。因此，周邊冷卻器30未與硅塊11直接物理接觸。
[0101]設(shè)備I還包括連接到氣體儲器36的氣體入口 35。氣體入口 35允許來自氣體儲器36的惰性氣體進(jìn)入。能使用氬氣作為惰性氣體。氣體入口 35布置在種晶層7上方。氣體入口 35布置在生長腔室2的頂部3處。氣體入口 35被設(shè)計(jì)成使惰性氣體能夠均勻流過液態(tài)硅層32。因此，氣體入口 35適合清除掉氧化硅(SiO)氣體。
[0102]下面描述根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備I的使用。設(shè)備I在用于生產(chǎn)硅塊11的方法中使用，所述硅塊11也稱為硅錠11。盡管將針對硅來描述該方法，但該方法適用于半導(dǎo)體、絕緣或金屬性質(zhì)的各種各樣的其它結(jié)晶材料。
[0103]首先，提供根據(jù)前面的描述的設(shè)備I。特別地，提供腔室2，該腔室2具有至少一個(gè)用于控制腔室2內(nèi)部的生長容積Vg中具有沿縱向5的溫度梯度的溫度場的裝置以及用于種晶層7的支架6和可控給送設(shè)備10。將種晶層7安設(shè)在支架6上。特別是將種晶層7安設(shè)在支承板19上。
[0104]將種晶層7、特別是一個(gè)或多個(gè)種晶板12安設(shè)在冷卻設(shè)備9的頂部上的支承板19上。
[0105]然后，提升底座13使 得種晶層7接近周邊加熱器26。特別地，種晶層7在與周邊加熱器26相距最多Icm的距離以內(nèi)，并且種晶層的頂部可甚至超過周邊加熱器的底部的高度。種晶層7布置成使得種晶層7的所有側(cè)邊上的橫向間隙28都是均勻的。
[0106]腔室2被清掃掉空氣并由氣體交換設(shè)備23回填惰性氣體。
[0107]加熱設(shè)備8開啟并被控制成使得種晶層7、特別是至少一個(gè)種晶板12被加熱至在熔點(diǎn)的100 ° C以內(nèi)，且優(yōu)選地在熔點(diǎn)的20 ° C以內(nèi)。
[0108]還能實(shí)現(xiàn)從下方由冷卻設(shè)備9進(jìn)行冷卻。然而，保持豎直溫度梯度較低，最多每厘米數(shù)十度，且更優(yōu)選地小于5K/cm。此外，優(yōu)選控制加熱設(shè)備8和冷卻設(shè)備9中的至少一者以使得凈橫向溫度梯度盡可能接近零。保持生長容積Vg中的凈橫向溫度梯度低于lK/cm，特別是低于lK/m，特別是低于0.lK/m。
[0109]然后，通過給送設(shè)備10經(jīng)由給送管25從上方導(dǎo)入硅原料。硅原料優(yōu)選在種晶層7的中心導(dǎo)入。硅原料優(yōu)選在熔化狀態(tài)下、也就是作為液體導(dǎo)入。能將原料摻雜至期望電阻率。通過給送設(shè)備10導(dǎo)入原料，直至液體層32覆蓋整個(gè)種晶層7，特別是整個(gè)種晶板12。將原料導(dǎo)入直至層32具有數(shù)毫米至若干厘米的液柱高度。層32的液體高度特別是在Imm至5cm的范圍內(nèi)，特別是在3_至2cm的范圍內(nèi)。層32在整個(gè)截面上具有均勻高度。所導(dǎo)入的原料優(yōu)選具有在1410° C至1450° C的范圍內(nèi)的溫度。
[0110]硅的表面張力足以包容層32的高達(dá)6mm至IOmm的液頭高度。為了使層32能夠具有更大的高度，可經(jīng)由從AC電源29供給至周邊加熱器26的AC電力使用電磁包容。如果層32的液體高度保持低于8mm，則也可在不運(yùn)行周邊加熱器26的情況下生產(chǎn)錠料。此外，周邊加熱器26可以以反饋模式運(yùn)行，以控制固化的硅塊11的橫向尺寸。[0111]一旦這種狀況已確立并穩(wěn)定，就能與來自上方的加熱設(shè)備8的熱相結(jié)合地增加來自冷卻槽、也就是冷卻設(shè)備9的熱梯度，以便維持沒有凈固化。換言之，能以使得種晶層7與液態(tài)原料層32之間的固相-液相邊界31不移動(dòng)的方式來增大生長容積Vg中的豎直溫度梯度。能調(diào)節(jié)、特別是增大熱梯度，直至已達(dá)到給定操作梯度并穩(wěn)定下來。
[0112]然后，通過a)增加從下方進(jìn)行的冷卻、b)減少從上方進(jìn)行的加熱或c)以上兩者來變換加熱和冷卻的平衡。由于凈熱提取，液態(tài)硅開始固化并且固體/液體界面開始向上移動(dòng)。此時(shí)，使底座13降下以將液態(tài)原料層32的底部保持在相同的豎直水平。同時(shí)，由給送設(shè)備10從頂部導(dǎo)入額外的原料，以將液體層32的頂部維持在期望的控制范圍內(nèi)。隨著該過程進(jìn)行，使底座13降下以從加熱設(shè)備8和給送設(shè)備10抽出種晶層7。特別是以使得固化的硅塊11與液態(tài)原料層32之間的相邊界31保持靜止的方式來使底座13降下。此外，通過從給送設(shè)備10添加原料，層32的液體高度在底座13降下的同時(shí)保持恒定。特別地，原料特別是在支架6、特別是底座13降下的同時(shí)被連續(xù)供給。特別地，連續(xù)施加原料以保持液態(tài)原料層32的高度恒定。因此，生長容積中、特別是相邊界31處的固化狀態(tài)保持準(zhǔn)靜態(tài)。這可通過兩種不同的控制方案來實(shí)現(xiàn)。在第一情形中，隨時(shí)將加熱和冷卻平衡保持為所設(shè)定的計(jì)劃(set recipe)并且使底座13根據(jù)固體/液體界面位置移動(dòng)以維持準(zhǔn)靜態(tài)狀況。更優(yōu)選地，底座13可根據(jù)固定方案向下移動(dòng)，并且加熱器8和/或冷卻塊9能利用固體/液體界面位置來進(jìn)行反饋以維持給定位置。[0113]在使硅固化的同時(shí)，加熱設(shè)備8與冷卻設(shè)備9之間的熱通量差維持等于固化的硅的熔解熱的差異。這樣，整個(gè)截面同時(shí)固化，優(yōu)選維持很平直的固化線31。固化線31特別是沿縱向5在小于10mm、特別是小于3mm、特別是小于Imm以內(nèi)是平直的。
[0114]能通過周邊冷卻器30的啟動(dòng)來抵消由周邊加熱器26感生的額外的熱。這樣，能將邊緣處的固化前沿限定在狹窄的空間內(nèi)。
[0115]—旦錠料的主體已固化至能高達(dá)超過1.5m的期望高度,便停止液態(tài)娃的給送并允許液體層32以受控方式固化。特別注意避免液體被固體和樹枝狀結(jié)構(gòu)截留。隨著錠料的頂面固化，固體區(qū)域由于輻射率的突然變化而輻射掉比液體多得多的熱。在不進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)的情況下，剩余的液體將開始過冷并可開始呈樹枝狀地固化，從而引起更高的應(yīng)力水平并潛在地引起液體被截留。在此階段期間可以增加從上方進(jìn)行的加熱以便抵消來自最近固化的材料的較高輻射的熱通量并且維持整齊的固化端部——優(yōu)選從中心向外移動(dòng)至角部，或更優(yōu)選地從角部向內(nèi)移動(dòng)至中心。
[0116]此時(shí)，錠料可冷卻至接近室溫或從爐移除?？砂苍O(shè)新的種晶層并且工藝能重新開始。
[0117]所述設(shè)備和工藝具有若干有利特征。首先是可獲得高純度錠料。除了新鮮、高純度IS氣被輸送通過表面外，熔化的原料一旦輸送便不會在任何點(diǎn)觸靠任何非娃材料。不使用坩堝意味著能使晶體中的污染水平(尤其是氧氣和鐵)能顯著地低于Czochralski和多晶硅晶體生長方法中的污染水平。吹掃表面的新鮮氬氣供給應(yīng)該用于使原料中存在的大部分氧氣蒸發(fā)。這種高純度會引起提高的少數(shù)載流子壽命和改善的太陽能電池效率水平。
[0118]該工藝的正方形幾何形狀確保了來自通過該方法制造的錠料的硅原料的高產(chǎn)量。Cz和FZ方法局限于基本圓形晶體的形成，其中在晶片切割工藝之前典型地去除30%的材料，以便產(chǎn)生具有更好的太陽能模塊堆積密度的“準(zhǔn)方片(pseudosquare)”。從錠料底部(而不是如Cz和FZ中那樣從側(cè)面)進(jìn)行均勻、單向的熱提取允許具有若干磚塊(至少兩個(gè)且更優(yōu)選4-16個(gè))的截面的錠料的固化，從而并列生長4-16個(gè)Cz錠料的等同物。由于工藝中不存在微粒，以及使應(yīng)力集中最小化的平直熱梯度，相信生長速度能趕得上高達(dá)8cm/h的Cz水平，從而對于單晶體生長而言產(chǎn)生前所未有的產(chǎn)率潛能，例如對于16磚塊錠料而言高達(dá) 76kg/h。
[0119]微?？刂圃谠撨^程中也是有利的。如果小的外界粒子到達(dá)液體表面上，則很有可能的是表面張力會將它們保持在液體表面上。通常，對流將沿表面將這些粒子向固體/液體界面(也就是最冷點(diǎn))驅(qū)動(dòng)，但硅周邊中存在感應(yīng)電流應(yīng)該將這些浮起的粒子維持在液體的中心直至例如它們在硅中溶解之時(shí)。這樣,這些粒子可提高液體中的溶解雜質(zhì)水平,但不會導(dǎo)致單晶結(jié)構(gòu)更嚴(yán)重的破壞。
[0120]關(guān)于錯(cuò)位，相信該工藝能夠以低錯(cuò)位水平生產(chǎn)錠料。已在其它場合下論證，如果小心將液體導(dǎo)入準(zhǔn)平衡熱系統(tǒng)中，則可以在無錯(cuò)位成核的情況下使用大面積種晶。種晶層的預(yù)熱對于無錯(cuò)位的引晶(seeding)工藝的成功與否很關(guān)鍵，并且種晶層的準(zhǔn)備對于避免例如在種晶板之間的接縫處導(dǎo)入大的骨料錯(cuò)位來說至關(guān)重要。然而，最優(yōu)選地，種晶板由大的單晶體形成，而不是由較小的種晶板的結(jié)合形成。來自該工藝的成功生長的錠料當(dāng)然將允許切割待在隨后的錠料中使用的一個(gè)或多個(gè)種晶板。
[0121]能從根據(jù)前述工藝生長的錠料切割晶片，該晶片具有許多有利特征。晶片是單晶體。它們的錯(cuò)位密度比從根據(jù)豎直梯度凍結(jié)(VeF-)工藝生長的錠料切割的晶片的錯(cuò)位密度小。晶片的錯(cuò)位密度特別是小于IO3CnT2，特別是小于102cnT2。同時(shí)，晶片不同于從Czochralsky生長晶體切割的晶片。晶片具有典型地為至少lcm_2、特別是至少5cm_2、特別是至少IOcnT2的錯(cuò)位密度。能通過在晶片已經(jīng)歷Secco蝕刻之后確定邊緣凹點(diǎn)的數(shù)量來測量錯(cuò)位密度。該方法在本領(lǐng)域中是已知的:對于背景細(xì)節(jié)，我們參照F.Secco d’Aragona在 Journal of the Electrochemical Society (電化學(xué)學(xué)會志)，119，948 (1972)中發(fā)表的文章。
[0122]此外，通過控制相邊界在錠料結(jié)晶期間的形狀，能確保相邊界基本平直。相邊界呈現(xiàn)小于5mm的彎曲。特別地，相邊界在至少156mmX 156mm的區(qū)域上呈現(xiàn)小于5mm的彎曲。這也能從晶片看出。相邊界的彎曲或偏轉(zhuǎn)特別是能從錠料的表面上和因此晶片的表面上可見的輝紋看到、測量和重構(gòu)。這些輝紋能通過橫向光電壓掃描來測量。
[0123]晶片的硅可具有每cm3小于5X IO16的晶格間氧含量。它們可具有每cm3小于IXio15的氮含量。這包括單氮原子、氮二聚物N-N以及由兩個(gè)氮原子和一個(gè)氧原子組成的三聚物N-N-O。
[0124]根據(jù)本發(fā)明，錠料足夠大以將它們分割成四個(gè)單獨(dú)軸向取向的柱，能從所述柱切割晶片。由于錠料的輝紋及其它結(jié)構(gòu)和電氣特性呈現(xiàn)關(guān)于錠料的中心縱向軸線的旋轉(zhuǎn)對稱，因此將錠料分隔成四個(gè)柱將導(dǎo)致正方形晶片，晶片的特性呈現(xiàn)關(guān)于晶片的其中一條對角線的鏡像對稱，特別是晶片上的輝紋和晶片上的電阻率能呈現(xiàn)這種關(guān)于晶片的其中一條對角線的對稱。
[0125]此外，由于相邊界的彎曲引起跨錠料和因此從其切割的晶片的截面區(qū)域的比電阻的可變性，因此從按根據(jù)本發(fā)明的工藝生產(chǎn)的錠料切割的晶片具有跨晶片的表面的比電阻的低可變性。如果晶片的表面被分隔成四個(gè)四分之一，則跨晶片的表面的比電阻的可變性特別是在至少三個(gè)四分之一中、特別是跨整個(gè)表面小于5%，特別是小于3%。該比電阻能在
IΩ cm至5 Ω cm的范圍內(nèi)，特別是在1.5 Ω cm至3 Ω cm的范圍內(nèi)。因此,至少三個(gè)四分之一、優(yōu)選全部四個(gè)四分之一中的電阻率的變化小于0.25 Ω cm,特別是小于0.1 Ω cm,優(yōu)選小于
0.06 Ω cm。[0126]晶片能具有超過(140mm)2、特別是超過(156mm)2、特別是超過(180mm)2、特別是超過(200mm)2、特別是超過(250mm)2、特別是超過(200mm)2的尺寸。
[0127]該工藝的一個(gè)最終有利要素是熱區(qū)的靜態(tài)性質(zhì)。在典型的操作期間，液體高度、容積和位置全部關(guān)于加熱器和絕熱材料基本是靜止的。系統(tǒng)中唯一發(fā)生變化的變量是生長的錠料的高度和液體距冷卻設(shè)備9的對應(yīng)距離。為了維持全部工藝路線中的準(zhǔn)靜態(tài)熱梯度，冷卻塊的溫度應(yīng)該隨著冷卻塊下降而穩(wěn)步降低。此外，為了使工藝穩(wěn)定性最大化，重要的是以最低限度地?cái)_亂液面的方式并且在盡可能連續(xù)的流動(dòng)中導(dǎo)入原料液。由于靜態(tài)熔化量，大部分生長的錠料中不存在軸向摻雜劑濃度變化。因此，錠料具有沿錠料的軸線恒定、也就是均勻的摻雜劑濃度。
[0128]下面參照圖2描述設(shè)備I的其它細(xì)節(jié)和設(shè)備的一些部件的備選實(shí)施例。根據(jù)圖2所不的實(shí)施例，給送設(shè)備10包括用于包容和熔化固態(tài)娃的片塊42的筒形容器41。容器41能由石英玻璃制成。在容器41的下部中，容器41能呈漏斗形狀。容器41包括給送管25。筒形部分、漏斗形部分和給送管25能一體制成。
[0129]容器41被用于加熱和熔化固態(tài)硅的片塊42的加熱設(shè)備43包圍。這樣熔化的硅能經(jīng)由給送管25經(jīng)頂部加熱器8中的中心開口 44流向液態(tài)硅層32。層32在已經(jīng)固化的硅塊11的上端形成熔化帽。
[0130]頂部加熱器8被設(shè)計(jì)成加熱熔化帽。頂部加熱器8包括三個(gè)不同的、可獨(dú)立控制的節(jié)段45。不同數(shù)量的節(jié)段45也是可能的。加熱器8優(yōu)選包括至少兩個(gè)、特別是至少三個(gè)節(jié)段45。加熱器8具有對應(yīng)于并決定固化的硅塊11的截面積的幾何形狀。下面將描述加熱器8的更多細(xì)節(jié)。
[0131]下面將參照圖3和4更詳細(xì)地描述該方法的細(xì)節(jié)。
[0132]在工藝開始時(shí)，將種晶板12布置在支架6上以形成種晶層7。通過頂部加熱器8的啟動(dòng)，在種晶層7的上表面上形成淺熔池46。
[0133]種晶板12優(yōu)選具有單晶結(jié)構(gòu)。
[0134]而種晶板12具有沿縱向5的在Icm至3cm的范圍內(nèi)、特別是在2.5cm至3cm的范圍內(nèi)的高度h,熔池46具有在0.1mm至3mm、特別是在0.5mm至2mm的范圍內(nèi)的深度d。
[0135]優(yōu)選地，種晶層7在垂直于縱向5的方向上的延展大于頂部加熱器8。
[0136]在已形成熔池46之后，經(jīng)由給送管25經(jīng)頂部加熱器8中的中心開口 44添加液態(tài)娃。由于液態(tài)娃的聞表面張力，形成了具有聞達(dá)約8mm的最大聞度hs的溶化帽。調(diào)節(jié)圖3和圖4中未示出的底座13的位置，以使得液態(tài)硅層32的表面與頂部加熱器8之間存在一定距離，該距離在0.5cm至2cm的范圍內(nèi)。
[0137]控制頂部加熱器8以使得中心節(jié)段42i的加熱功率高于中間節(jié)段422中的加熱功率——該加熱功率同樣高于最外部的節(jié)段453中的加熱功率。由于加熱功率沿徑向降低，因此限制了熔化帽的橫向延展。因此，即使通過給送設(shè)備10添加更多液態(tài)原料，液態(tài)硅層42也在其最外邊界處固化。因此液態(tài)娃層42形成橫向圍合(lateral confinement) 47或其自身形成固有坩堝。
[0138]認(rèn)識到:加熱功率的徑向梯度越大，截面區(qū)域、特別是固化硅塊7的截面形狀與頂部加熱器8的幾何形狀之間的對應(yīng)性就越好。特別是認(rèn)識到熔化帽的橫向部分不必被加熱太多。
[0139]還認(rèn)識到:固化硅塊11的橫向延展、也就是沿垂直于縱向5的方向的延展尤其取決于已經(jīng)固化的硅塊11的頂部上的液態(tài)硅層32的彎液面角度。如在圖1Oa至IOc中示意性地示出，存在三種可能的狀況:a)如果關(guān)于縱向5的彎液面角度小于8度，則固化硅塊11的直徑將減小山)如果關(guān)于縱向5的彎液面角度等于約10度，則固化硅塊11將以恒定直徑生長；以及c)如果關(guān)于縱向5的彎液面角度大于12度，則固化硅塊11將以增大的直徑生長。據(jù)此已假設(shè)，通過調(diào)節(jié)底座13的橫向位移速度和向?qū)?2添加液態(tài)硅原料的速度中的至少一者來將彎液面角度在整個(gè)工藝中保持恒定。優(yōu)選地，底座13在整個(gè)工藝中以恒定速度降下。優(yōu)選地，添加液態(tài)原料的速度在整個(gè)工藝中也保持恒定。更優(yōu)選地，硅塊11的生長速度在整個(gè)工藝中是恒定的。
[0140]還認(rèn)識到:彎液面角度取決于固態(tài)硅塊11、液體層32和包圍的氣體相遇的三相點(diǎn)(triple point)48處的液體靜壓力。三相點(diǎn)48處的液體靜壓力本身取決于熔化帽的高度hs。熔化帽的高度hs存在最佳值11%該最佳值hM吏得彎液面角度=10°。如果
液體靜壓力較小，這引起較小的彎液面角度(參照圖10a)。另一方面，如果hs=h3>h*，則彎液面角度大于10° (參照圖10c)。因此，通過調(diào)節(jié)三相點(diǎn)48處的液體層32的高度hs，能控制娃塊11的直徑的增長。高度hs的最佳值h*還取決于由來自頂部加熱器8的電磁場施加的電子靜壓力。
[0141]根據(jù)本發(fā)明，硅塊11的直徑的增長由于頂部加熱器8的加熱功率的橫向梯度而自穩(wěn)定。這意味著，如果三相點(diǎn)48處的層32的高度hs暫時(shí)大于h* (—種可能例如由于層32中的對流的局部波動(dòng)而發(fā)生的狀況)，則硅塊11將以直徑增大的方式生長。這將引起三相點(diǎn)48將移動(dòng)到溫度不斷降低的區(qū)域內(nèi)從而引起生長速度提高的狀況，該狀況同樣將引起液體層32的高度hs的減小，從而減少直徑的增大。
[0142]如果硅塊11以直徑減小的方式局部地生長，則發(fā)生類似的狀況。
[0143]還認(rèn)識到:當(dāng)具有正方形截面區(qū)域的硅塊11生長時(shí)，需要特殊措施來應(yīng)對硅塊11的表面上的輻射損失的變化。特別地，由于幾何原因，固化的硅塊7將通過輻射而在其角部損失比在其側(cè)邊的中點(diǎn)處的區(qū)域內(nèi)多的能量。在沒有適當(dāng)措施的情況下，這將引起角部周圍的更快結(jié)晶，從而引起這些區(qū)域內(nèi)的三相點(diǎn)48的位置的相對上移，這同樣將引起這些區(qū)域內(nèi)的硅塊11的直徑的減小。換言之，這將引起硅塊11的圓形角部。更一般地，在沒有適當(dāng)措施的情況下，生長的硅塊11將往往具有圓形形狀。
[0144]此外，認(rèn)識到:由于硅塊11的生長和經(jīng)由其側(cè)邊的熱輻射的相關(guān)增加，硅塊11將呈現(xiàn)具有隨著高度增大而減小的直徑的趨勢。
[0145]下面將描述抵消這種形狀或直徑的變化的多個(gè)可能性。
[0146]根據(jù)本發(fā)明的一方面，頂部加熱器8的加熱功率在生長過程中提高。通過對頂部加熱器8的加熱功率進(jìn)行適當(dāng)控制，因此可以使硅塊11在它們的全部高度上具有恒定的截面積。
[0147]在一個(gè)備選、更容易的實(shí)施例中，頂部加熱器8的加熱功率在硅塊8的全部生長過程中保持恒定。
[0148]下面更詳細(xì)地描述頂部加熱器8的一些實(shí)施例。如上所述，頂部加熱器8包括三個(gè)節(jié)段45ρ452、453。節(jié)段45由環(huán)路或繞線形成。節(jié)段45具有正方形的外周和內(nèi)周。節(jié)段45彼此同心并與中心開口 44同心地布置。各節(jié)段45連接到電源49，如圖5至圖7中示意性地示出電源49。電源49包括AC電源和DC電源以及控制器50。各節(jié)段45連接到AC電源和DC電源兩者。節(jié)段45通過三角形連接(delta-connection)或星形連接連接到電源49。
[0149]AC電源能產(chǎn)生具有在IOHz至IOOkHz的范圍內(nèi)的AC電力。該頻率尤其能夠大于1000Hz，特別是大于3000Hz，特別是大于10000Hz，這是因?yàn)橛捎谝后w層32較淺而不需要大的滲透深度。已發(fā)現(xiàn)，有利地，滲透深度對應(yīng)于層32的高度hs。一般而言，確保了滲透深度足夠大以防止形成豎直對流作用。
[0150]向各節(jié)段45供應(yīng)的電力可由控制器50獨(dú)立地控制。節(jié)段45的主加熱功率可由DC電源提供。AC電力能用來產(chǎn)生波動(dòng)的電磁場，特別是行波場或行波。電磁行波場能用來誘發(fā)液體層32中的流動(dòng)圖案。示例性流動(dòng)圖案在圖8中示出，其中連同流動(dòng)方向52 —起示出了液體層32中的渦流51。
[0151]頂部加熱器8優(yōu)選由石墨、特別是超純石墨制成。頂部加熱器8還能由碳纖維增強(qiáng)碳(CFC)制成。頂部加熱器8能被涂覆有碳化硅(SiC)。這種涂層有利于防止了蒸發(fā)的氧化硅(SiO)與石墨反應(yīng)并因此形成松散的SiC層。
[0152]頂部加熱器8能通過氮化硼(BN)的結(jié)構(gòu)安裝和保持在適當(dāng)位置。用于安裝和保持頂部加熱器8的結(jié)構(gòu)特別是由在約1400° C至1500° C的溫度也機(jī)械穩(wěn)定的材料制成。此外，用于頂部加熱器8的安裝結(jié)構(gòu) 的材料即使在這些溫度也電絕緣。
[0153]為了產(chǎn)生前述行波場，以120°的相移啟動(dòng)不同節(jié)段45^5^453。
[0154]能通過相互交換其中兩相或通過使節(jié)段45中的相位適當(dāng)移動(dòng)來逆轉(zhuǎn)行波場的方向。
[0155]而根據(jù)圖5所示的實(shí)施例，在頂部加熱器8的一個(gè)有利的實(shí)施例中，頂部加熱器8的所有節(jié)段45都具有正方形形狀，在圖6中示出僅中心節(jié)段45i和中間節(jié)段452具有正方形形狀。外節(jié)段453具有正方形內(nèi)周。然而，其外周略微凹陷，也就是說頂部加熱器8的最外邊界略微向內(nèi)彎曲。由此，可以相對于頂部加熱器8的外邊界的中點(diǎn)處的加熱功率增大角部中的加熱功率。
[0156]根據(jù)在圖7中示出的一個(gè)不同實(shí)施例，最外節(jié)段453具有沿正方形外周的對角線從內(nèi)周的角部延伸的四個(gè)狹縫53。由此，最外節(jié)段453的角部的電流密度增大。
[0157]或者或另外，固化的硅塊11的角部處的輻射熱損的增大可通過合適的反射器和這些區(qū)域內(nèi)的增加的絕熱材料中的至少一者來補(bǔ)償。
[0158]如圖11所示，三相點(diǎn)48處沿縱向的溫度梯度將引起固化線31的彎曲形狀。特別地，固化線31將隨著距中心的距離增大而向上彎曲。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，固化線31的這種向上彎曲例如通過施加至加熱器8的最外節(jié)段453的加熱功率的增大來補(bǔ)償。這種向上彎曲還能通過合適的絕熱元件54來補(bǔ)償。
[0159]由電源48供給至頂部加熱器8的節(jié)段45的加熱功率能夠在全部固化過程中是恒定的。然而，在一個(gè)有利實(shí)施例中，加熱功率能在固化過程中變化。加熱功率能由控制裝置50控制。加熱功率控制器能構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)電路的一部分。
[0160]特別是可以改變供給至節(jié)段45的電力以便產(chǎn)生液體層32中的預(yù)定流動(dòng)圖案。這對于確保固化的硅塊11中的摻雜劑的均勻分布而言會是有利的。
[0161]特別是可以產(chǎn)生在圖8中示意性地示出的流動(dòng)圖案，其中存在從液體層32的中心部分至其角部的流動(dòng)和沿大致正方形的液體層32的中線流向中心的反向流動(dòng)。與供給至頂部加熱器8的中心節(jié)段AS1的增加的加熱功率相結(jié)合，這種流動(dòng)圖案將引起向角部輸送比較熱的液體，這能防止固化線31向上彎曲。當(dāng)然，流動(dòng)圖案在必要的情況下能反向，以便將比較冷的液體從液體層32的周邊輸送至角部。因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，可以通過控制供給至頂部加熱器8的節(jié)段45的加熱功率和供給至頂部加熱器8的節(jié)段45的AC電力中的至少一者來控制固化的硅塊11的形狀，特別是截面積，以便產(chǎn)生液體層32中的特定流動(dòng)圖案。 [0162]在一有利實(shí)施例中，固化的硅塊11的形狀、特別是固化線31的三維位置通過監(jiān)控設(shè)備40來監(jiān)控。如圖9中示意性地示出，監(jiān)控設(shè)備40包括四個(gè)照相機(jī)54形式的監(jiān)控設(shè)備。各照相機(jī)連接到中央監(jiān)控單元55。中央監(jiān)控單元55又連接到控制器50。由此，能在閉環(huán)中控制供給至頂部加熱器8的節(jié)段45的AC電力和DC電力。
[0163]根據(jù)圖9所示的實(shí)施例，一個(gè)照相機(jī)54定位在固化的硅塊11的每一側(cè)。原則上，也可僅設(shè)置兩個(gè)照相機(jī)54，其傾斜地、特別是彼此垂直地定位。為了進(jìn)行直徑控制，方便的是將一個(gè)照相機(jī)定位成傾斜向下地觀察錠料的一個(gè)側(cè)邊的長度(即，偏心定位)以用于直徑控制。
[0164]中央監(jiān)控單元55能包括用于從各照相機(jī)54的信號確定一值、特別是平均值的處理器，所述值用于提供固化的硅塊11的直徑或截面積、液體層32的直徑或截面積、液體層32的高度hs、三相點(diǎn)58處的液體層32的彎液面角度和固化線31的(特別是彎曲)形狀中的至少一者的度量。
[0165]中央監(jiān)控單元55還能連接到給送設(shè)備10以控制向液體層32添加液態(tài)原料的速度。
[0166]根據(jù)圖5至7中所示的實(shí)施例的頂部加熱器8和監(jiān)控設(shè)備40能有利地與上述周邊加熱器26和周邊冷卻器30中的至少一者結(jié)合。特別地，監(jiān)控設(shè)備50的中央監(jiān)控單元55能與用于控制由AC電源29供給至周邊加熱器26的AC電力的控制裝置連接。中央監(jiān)控單元55還能連接到用于控制冷卻流體從儲器33至周邊冷卻器30的供給的控制裝置。
[0167]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，給送裝置10的給送管25的位置可相對于支架6、特別是相對于液體層32的上表面調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的一方面，調(diào)節(jié)給送管25的末端的位置，以使得給送管25的末端到達(dá)液體層32內(nèi)(參照圖2)。由此，能避免由于來自給送管25與液體層32之間的液體原料間歇接觸而引起的表面波浪的形成。
【權(quán)利要求】
1.一種用于生產(chǎn)錠料的設(shè)備(I)，包括: a.用于提供可控氣氛的腔室(2)， 1.其中，所述腔室(2)具有沿縱向(5)彼此間隔開的頂部(3)和底部(4)， b.用于支承種晶層(7)的支架(6)， 1.其中，所述支架(6 )能夠相對于所述腔室(2 )沿縱向(5 )移動(dòng)， c.至少一個(gè)用于控制所述腔室(2)中的給定生長容積(Vg)中的溫度場的裝置(8，9)， 1.其中，所述溫度場具有沿所述縱向(5)的溫度梯度，以及 d.用于材料向所述種晶層(7)上的可控給送的給送設(shè)備(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(1)，其特征在于，所述至少一個(gè)用于控制所述溫度場的裝置包括布置在用于所述種晶層(7)的所述支架(6)上方的至少一個(gè)頂部加熱設(shè)備(8)，其中所述頂部加熱設(shè)備(8)被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生具有沿垂直于所述縱向的方向的溫度梯度的溫度場。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備(I)，其特征在于，所述至少一個(gè)頂部加熱設(shè)備(8)包括至少兩個(gè)加熱環(huán)路，其中所述至少兩個(gè)加熱環(huán)路同心地布置，其中所述加熱環(huán)路中的每一個(gè)都連接到提供DC電力和AC電力中的至少一者的電源，并且其中所述加熱環(huán)路中的每一個(gè)都可獨(dú)立地控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(1)，還包括具有與所述種晶層(7)的外周的形狀匹配的內(nèi)周的至少一個(gè)周邊加熱器(26)，其特征在于，所述周邊加熱器(26)包括感應(yīng)加熱線圈`(27)，所述感應(yīng)加熱線圈為一圈和多圈中的一者。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備(1)，還包括具有與所述種晶層(7)的外周匹配的內(nèi)周的至少一個(gè)周邊冷卻器(30)，其特征在于，所述周邊加熱器(26)布置在所述周邊冷卻器(30)上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備(1)，其特征在于，所述設(shè)備是無坩堝的。
7.一種用于生產(chǎn)錠料的方法，包括以下步驟: -提供設(shè)備(I )，所述設(shè)備具有 -用于提供可控氣氛的腔室(2 )， 一至少一個(gè)用于控制所述腔室(2)內(nèi)部的給定生長容積(Vg)中的具有沿縱向(5)的溫度梯度的溫度場的裝置(8，9 )， 一用于種晶層(7)的支架(6)，所述支架能夠在所述腔室(2)的內(nèi)部沿所述縱向(5)移動(dòng)， 以及 -用于提供原料的可控給送設(shè)備(10)， -在所述支架(6)上提供種晶層(7)，其中所述種晶層(7)限定待生產(chǎn)的錠料的截面積， -使所述支架(6)移動(dòng)，以使得所述種晶層(7)位于所述生長容積(Vg)內(nèi)的預(yù)定位置， -在所述生長容積(Vg)內(nèi)產(chǎn)生具有預(yù)定豎直溫度梯度的溫度場， -經(jīng)由所述給送設(shè)備(10)在所述種晶層(7)上提供原料， 一其中，控制原料的給送和所述生長容積(Vg)內(nèi)的溫度場，以使得整個(gè)所述種晶層(7)被覆蓋有一層(32)液態(tài)原料， -在液態(tài)原料層(32)固化的同時(shí)使所述支架(6)降下，以及-從所述給送設(shè)備(10)添加更多液態(tài)原料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在使所述支架(6)降下的同時(shí)，使固化的硅塊(11)與液態(tài)原料層(32 )之間的相邊界(31)保持靜止。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，為了從所述給送設(shè)備(10)添加液態(tài)原料，調(diào)節(jié)所述給送設(shè)備(10)的出口(25)以伸入到所述液態(tài)原料層(32)內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過向電磁頂部加熱設(shè)備(8)施加隨時(shí)間變化的電流而在所述液態(tài)原料層(32)中產(chǎn)生預(yù)定的流動(dòng)圖案，其中控制所述頂部加熱器中的所述隨時(shí)變化的電流以使得至少在一些時(shí)間段期間，所述液態(tài)原料層(32)中的流動(dòng)圖案使得存在從所述層(32)的中心部分至角部的液態(tài)原料流。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過監(jiān)控設(shè)備(40)來監(jiān)控正固化的液態(tài)原料層(32)，并且在于，根據(jù)來自所述監(jiān)控設(shè)備(40)的信號來控制所述至少一個(gè)用于控制所述生長容積(Vg)中的溫度場的裝置(8，9)的其中至少一個(gè)的啟動(dòng)、從所述給送設(shè)備(10)添加液態(tài)原料的速度、周邊加熱器(26)的啟動(dòng)、周邊冷卻器(30)的啟動(dòng)和降下所述支架(6)的速度中的至少一者。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過監(jiān)控所述種晶與所述周邊加熱器之間的間隙并按需控制所述周邊加熱器中的電流以增大或減小所述液態(tài)原料的截面積來在生長期間控制所述錠料的橫向尺寸。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，通過監(jiān)控液體/固體界面的位置并對加熱設(shè)備(8)與冷卻設(shè)備(9)之間的凈能量通量使用有源反饋控制環(huán)路來主動(dòng)控制固化速度。
14.一種具有單晶結(jié)構(gòu)的晶片， 其特征在于，所述晶片具有至少140mmX 140mm的尺寸， 所述晶片具有比電阻，所述比電阻在所述晶片的表面的至少三個(gè)四分之一中具有小于5%的可變性，并且 所述晶片在其表面上具有小于100/cm2的平均錯(cuò)位密度。
【文檔編號】C30B11/00GK103572363SQ201310133774
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月30日
【發(fā)明者】N·斯托達(dá)德, W·馮阿蒙 申請人:太陽世界工業(yè)美國有限公司