本申請(qǐng)案主張2014年5月12日的美國專利申請(qǐng)案第14/275,770號(hào)的優(yōu)先權(quán)及權(quán)益，其全部內(nèi)容以引用的方式并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例涉及從熔體(melt)生長結(jié)晶材料，且更確切地說，涉及從熔體形成單個(gè)結(jié)晶薄片(crystalline sheet)。

背景技術(shù)：

硅晶片或薄片可用于(例如)集成電路或太陽能電池工業(yè)中。對(duì)太陽能電池的需求隨著對(duì)可再生能源的需求增大而持續(xù)增大。太陽能電池工業(yè)中的一個(gè)主要成本是用以制造太陽能電池的晶圓晶片或薄片。降低晶片或薄片的成本可以降低太陽能電池的成本，且使得此可再生能量技術(shù)更為流行。已經(jīng)研究以降低用于太陽能電池的材料成本的一個(gè)有前景的方法是水平帶材生長(horizontal ribbon growth，HRG)技術(shù)，其中沿著熔體的表面水平地牽拉出結(jié)晶薄片。在此方法中，將熔體表面的一部分冷卻到足以借助于晶種在局部引發(fā)結(jié)晶，可接著沿著熔體表面牽引所述晶種以形成結(jié)晶薄片。可通過提供快速去除引發(fā)結(jié)晶處的熔體表面區(qū)域上的熱的裝置來實(shí)現(xiàn)局部冷卻。在恰當(dāng)條件下，可在此區(qū)域中建立結(jié)晶薄片的穩(wěn)定的前邊緣。

為了確保生長穩(wěn)定性，控制在從熔體牽引出的結(jié)晶薄片的前邊緣的區(qū)域中通過熔體的熱流可能是有用的。然而，由于若干原因，實(shí)現(xiàn)硅熔體內(nèi)的受控?zé)崃鳂O具挑戰(zhàn)性。首先，熔融的Si具有極高的熱導(dǎo)率，以致在含有熔體的坩堝的底部引入的任何熱在到達(dá)熔體表面之前就擴(kuò)散出去。另外，熔融硅石由于其抵抗在高溫下與硅的反應(yīng)而常常用作用以容納硅熔體的坩堝材料。然而，熔融硅石是良好的熱絕緣體，其在大量熱流從坩堝之外傳導(dǎo)到硅熔體內(nèi)時(shí)產(chǎn)生大的熱梯度。這又使得被加熱的熔融硅石坩堝的外部溫度被維持在遠(yuǎn)高于熔體溫度的溫度。另外，在熱從坩堝底部流動(dòng)到熔體的表面時(shí)會(huì)招致溫度下降，所述溫度下降與坩堝內(nèi)熔體的熔體深度成比例。在從硅熔體水平生長結(jié)晶薄片的情況下，通常使用在10mm到15mm的范圍內(nèi)的熔體厚度來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的處理?xiàng)l件。然而，熔融硅石在大于1880K軟化到不可接受的程度，這限制了在仍維持在熔體表面處的所需熔體溫度的同時(shí)可通過熱源引入到坩堝底部的熱流量。由現(xiàn)今的設(shè)備所提供的此有限熱流可能不足以確保從熔體表面生長的結(jié)晶薄片的所需品質(zhì)。

正是關(guān)于這些以及其它考量，需要進(jìn)行本發(fā)明的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供此發(fā)明內(nèi)容是為了以簡化形式引入下文在具體實(shí)施方式中進(jìn)一步描述的概念的選擇。此發(fā)明內(nèi)容并不意欲識(shí)別所主張標(biāo)的物的關(guān)鍵或基本特征，也不意欲用于輔助確定所主張標(biāo)的物的范圍。

在一個(gè)實(shí)施例中，一種用于處理熔體的設(shè)備可包含經(jīng)配置以容納所述熔體的坩堝，其中所述熔體具有與所述坩堝的底部分開第一距離的暴露表面。所述設(shè)備可進(jìn)一步包含浸沒式加熱器，所述浸沒式加熱器包括加熱元件及安置于所述加熱元件與所述熔體之間的殼體，其中所述加熱元件不接觸所述熔體。所述加熱元件可安置在相對(duì)于所述熔體的所述暴露表面的第二距離處，所述第二距離小于所述第一距離。

在另一實(shí)施例中，一種用于控制熔體內(nèi)的熱流的系統(tǒng)可包含經(jīng)配置以容納所述熔體的坩堝，其中所述熔體具有與所述坩堝的底部分開第一距離的暴露表面。所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包含經(jīng)配置以接觸所述熔體的浸沒式加熱器。所述浸沒式加熱器可包含加熱元件及安置于所述加熱元件與所述熔體之間的殼體，其中所述熔體不接觸所述加熱元件。所述加熱元件可安置在相對(duì)于所述熔體的第二距離處，所述第二距離小于所述第一距離，其中所述浸沒式加熱器經(jīng)配置而以第一熱流率將熱提供到所述暴露表面的區(qū)域。所述系統(tǒng)還可包含結(jié)晶器，所述結(jié)晶器經(jīng)配置而以大于所述第一熱流率的第二熱流率從所述暴露表面的所述區(qū)域去除熱。

在另一實(shí)施例中，一種處理熔體的方法可包含：將所述熔體布置在坩堝中；所述熔體具有暴露表面以及與所述坩堝的底部接觸的下表面，所述暴露表面與所述下表面分開第一距離；以及在將所述加熱元件安置在距所述暴露表面小于所述第一距離的第二距離處時(shí)，將熱流從浸沒式加熱器的加熱元件引導(dǎo)到所述熔體的所述暴露表面的區(qū)域中，其中所述熔體不接觸所述加熱元件。

附圖說明

圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于處理熔體的處理設(shè)備的橫截面圖。

圖1B示出圖1A的處理設(shè)備的操作的一個(gè)例子。

圖1C示出圖1B中所示的操作的特寫。

圖1D為圖1A的處理設(shè)備的變體的橫截面圖。

圖2A到圖2C示出浸沒式加熱器的替代實(shí)施例的相應(yīng)側(cè)視圖。

圖3A示出浸沒式加熱器的另一實(shí)施例的頂部透視圖。

圖3B示出圖3A的浸沒式加熱器的俯視圖。

圖4A示出浸沒式加熱器的另一實(shí)施例的頂部透視圖。

圖4B示出圖4A的浸沒式加熱器的端視橫截面圖。

圖4C示出圖4A的浸沒式加熱器的加熱元件的側(cè)視橫截面圖。

圖4D示出浸沒式加熱器的變體的端視橫截面圖，其示出加熱元件的細(xì)節(jié)。

圖5呈現(xiàn)根據(jù)各種實(shí)施例的隨加熱元件的浸沒深度而變的熱流型態(tài)的圖形示出。

圖6A呈現(xiàn)根據(jù)額外實(shí)施例的另一處理設(shè)備的實(shí)施例。

圖6B呈現(xiàn)根據(jù)額外實(shí)施例的處理設(shè)備的另一實(shí)施例。

圖6C呈現(xiàn)根據(jù)額外實(shí)施例的處理設(shè)備的再一實(shí)施例。

圖7A示出根據(jù)另一實(shí)施例的額外處理設(shè)備。

圖7B示出根據(jù)另一實(shí)施例的又一處理設(shè)備。

圖8A示出處理設(shè)備的另一實(shí)施例。

圖8B示出圖8A的實(shí)施例的操作的一個(gè)實(shí)例。

圖9A到圖9C示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的示范性過程中所涉及的各種操作。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例提供用以控制例如硅熔體等熔體內(nèi)的熱流的設(shè)備。各種實(shí)施例提供用于處理熔體的設(shè)備，其包含經(jīng)配置以容納所述熔體的坩堝，其中所述熔體具有暴露表面。在用于處理硅熔體的實(shí)施例中，坩堝可由熔融硅石組成。如同常規(guī)設(shè)備，充當(dāng)坩堝加熱器的常規(guī)加熱器可安置在與暴露表面對(duì)置的坩堝底部的至少一些部分下方。可使用此類坩堝加熱器以便將流過坩堝的熱供應(yīng)到熔體以維持熔體至少處于其熔融溫度。不同于常規(guī)設(shè)備，另外提供在本文中稱為“浸沒式加熱器”的額外加熱器，其可用以在熔體的暴露表面的目標(biāo)區(qū)域處提供集中熱流?？山Y(jié)合結(jié)晶器使用此浸沒式加熱器，所述結(jié)晶器從所述目標(biāo)區(qū)域去除熱以便在硅(從所述硅進(jìn)行水平帶材生長)的結(jié)晶薄片前產(chǎn)生穩(wěn)定生長。

如下詳述，本發(fā)明的實(shí)施例所提供的優(yōu)勢是浸沒式加熱器可在熔體的暴露表面處產(chǎn)生超過30W/cm²且在一些情況下超過50W/cm²的熱流密度，使用常規(guī)設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)這一水平。本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，與直覺不同，流入熔體的暴露表面的熱的此種高熱流密度水平可用于使水平生長設(shè)備(例如揭示于本文中的設(shè)備)中的結(jié)晶薄片的生長穩(wěn)定化。換句話說，盡管從熔體表面的結(jié)晶薄片生長需要降低在前邊緣發(fā)生結(jié)晶處的局部溫度以實(shí)現(xiàn)較高品質(zhì)的結(jié)晶薄片，但盡管如此，與通過常規(guī)熔體生長設(shè)備供應(yīng)的熱流相比，仍可能需要增大到前邊緣的區(qū)域的熱流速率。當(dāng)然，可通過增大在形成前邊緣的相同區(qū)域中從熔體的暴露表面的熱去除來平衡到前邊緣的區(qū)域的此增大的熱流，以使得結(jié)晶可發(fā)生。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，浸沒式加熱器可比在由一或多個(gè)常規(guī)加熱器加熱的設(shè)備定位更接近于熔體的暴露表面，所述加熱器用以從坩堝底部之外加熱熔體。明確地說，不管浸沒式加熱器的確切配置如何，浸沒式加熱器都可包含在本文中也被稱作加熱元件的加熱組件，所述加熱組件安置以比坩堝的底部更接近于熔體的暴露表面。本發(fā)明的實(shí)施例的浸沒式加熱器可包含安置于加熱元件與熔體之間的殼體，使得所述熔體不接觸所述加熱元件。所述殼體可由例如熔融硅石等惰性材料組成。以此方式，加熱元件可放置以接近于熔體的暴露表面，所述熔體為待引發(fā)結(jié)晶薄片的水平生長處，而不將加熱元件暴露于可能具有腐蝕性或反應(yīng)性的熔體。

圖1A示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于處理熔體的設(shè)備的橫截面圖。處理設(shè)備100包含容納熔體104的坩堝102，所述熔體具有暴露表面108，結(jié)晶薄片的水平生長可在所述暴露表面處發(fā)生。坩堝102具有與暴露表面108對(duì)置的底部112。熱可通過在底部112附近安置在坩堝102之外的一或多個(gè)常規(guī)加熱器(未示出)提供到熔體104。此熱可用以將熔體104維持在其熔融溫度或高于其熔融溫度。在此實(shí)施例以及其它實(shí)施例中，還提供示出為浸沒式加熱器106的浸沒式加熱器以產(chǎn)生對(duì)熔體104的額外加熱。浸沒式加熱器106包含加熱元件107，所述加熱元件可將高熱流提供到暴露表面108的區(qū)域114。區(qū)域114可包含熔體104的在暴露表面108正下方的部分，例如在暴露表面108下方一毫米到三毫米。

在將足夠高的熱流提供到區(qū)域114時(shí)，可發(fā)生例如硅結(jié)晶薄片等結(jié)晶薄片的穩(wěn)定生長。明確地說，本發(fā)明人已認(rèn)識(shí)到，可通過將高熱流提供到前邊緣而更好地使在硅薄片的平面內(nèi)具有[100]定向的水平生長的硅薄片的前邊緣處所形成的琢面的性質(zhì)穩(wěn)定化。明確地說，(111)琢面可形成于前邊緣處，其相對(duì)于熔體的暴露表面可形成54.7度的角度。可通過提供超過常規(guī)設(shè)備(其中使用外部加熱器來加熱坩堝)所提供的熱流的熱流來更好地使此高角度琢面穩(wěn)定化。

在本發(fā)明的實(shí)施例中且如圖1A中所示，浸沒式加熱器106的至少一加熱元件比坩堝102的底部112更接近于熔體104的暴露表面108而安置。如圖1A中所說明，底部112沿著平行于所示出的笛卡耳坐標(biāo)系中的Y軸的方向與暴露表面108分開距離h₁，而浸沒式加熱器106的加熱元件107的頂部安置在沿著相同方向距暴露表面108距離h₂處，所述距離表示加熱元件的浸沒深度。在此實(shí)施例以及隨后的其它實(shí)施例中，加熱元件的頂部或頂部表面相對(duì)于熔體的暴露表面的距離可稱為加熱元件相對(duì)于暴露表面的距離。然而，將理解，除非另外指出，否則加熱元件距頂部表面的距離是指加熱元件的最接近部分距暴露表面的距離，所述最接近部分可稱為加熱元件的“頂部”。在這個(gè)以及其它實(shí)施例中，此距離h₂小于距離h₁且允許浸沒式加熱器106產(chǎn)生比安置在底部112下方的常規(guī)加熱器所產(chǎn)生的熱更接近于區(qū)域114的熱。由此，浸沒式加熱器106可比常規(guī)加熱器產(chǎn)生到區(qū)域114的更高熱流。另外，可以更具選擇性的方式產(chǎn)生較高熱流，以使得在區(qū)域114之外的區(qū)域經(jīng)歷較低熱流。這是合乎需要的，因?yàn)樵诶缟L的結(jié)晶薄片(未示出)的下方的其它區(qū)域處，過大熱流可能會(huì)導(dǎo)致在生長結(jié)晶薄片后方的非所需的熔體。

應(yīng)注意，可使用常規(guī)加熱器提供到熔體的暴露表面的熱的量可能不受可由加熱元件產(chǎn)生的熱流的限制，而是受用于常規(guī)晶體成長設(shè)備中的材料的性質(zhì)限制。舉例來說，熔融硅石用作用于熔融硅的坩堝材料，因?yàn)槠洳慌c熔融硅反應(yīng)且不對(duì)從此類熔體生長的結(jié)晶薄片提供污染材料源。然而，由于其低熱導(dǎo)率，大熱梯度產(chǎn)生于熔融硅石坩堝外部的熱源與坩堝內(nèi)的硅熔體之間。為了使硅結(jié)晶薄片的前邊緣穩(wěn)定化，可能需要產(chǎn)生到熔體的暴露表面的可形成前邊緣處的20W/cm²或更高的熱流。此熱流程度可在例如充當(dāng)用以加熱熔融硅石坩堝的坩堝加熱器的常規(guī)外部加熱器等熱源處容易地產(chǎn)生。然而，當(dāng)在熔融硅石坩堝(其熱阻率可為0.05W/cm-K)上施加在20W/cm²范圍內(nèi)的熱流時(shí)，跨越坩堝的厚度產(chǎn)生400K/cm的熱梯度。對(duì)于4mm的可接受坩堝厚度，此導(dǎo)致跨越坩堝的160K的溫度下降，即坩堝的受熱側(cè)上的溫度至少比硅的熔融溫度高160K，或?yàn)榧s1845K。另外，由于硅熔體自身的熱阻率，在30K到50K的范圍內(nèi)的額外溫度下降可能會(huì)發(fā)生于鄰近外部加熱器的熔體底部與發(fā)生結(jié)晶的暴露表面之間。對(duì)于上文所論述的實(shí)例熔融硅石厚度，這因此需要在熔融硅石坩堝的外側(cè)面上供應(yīng)在1875K到1895K的范圍內(nèi)的溫度。然而，熔融硅石在1880K以上可能會(huì)軟化到不可接受的程度。因此，使用常規(guī)設(shè)備供應(yīng)超過20/cm²的熱流可能并不可行。雖然可使用到熔體的較低熱流將硅熔體維持在熔融狀態(tài)，但此水平的熱流可能因?yàn)榈角斑吘壍臒崃鬟^低而不足以產(chǎn)生高品質(zhì)的硅結(jié)晶薄片。

本發(fā)明的實(shí)施例以多種方式解決這一問題。一種方式是，通過提供浸沒式加熱器，其中浸沒式加熱器的加熱元件可極接近于暴露表面而放置，在熱源與將發(fā)生結(jié)晶薄片生長的熔體暴露表面之間發(fā)生較少的熱耗散。此舉減小熱源(加熱元件)與熔體的暴露表面之間的溫度下降，并且減小可提供到結(jié)晶薄片的前邊緣的每單位面積熱流。另外，在各種實(shí)施例中，包含加熱元件的熱源沿著Z軸的尺寸在沿著Z方向的大小上與熔體深度相比小例如1mm到數(shù)毫米。因此，增大的熱流可主要在局部提供到目標(biāo)區(qū)域，例如區(qū)域114，所述區(qū)域沿著Z方向的目標(biāo)長度可為約1mm到2mm。最后，因?yàn)榻]式加熱器可相對(duì)較小且如下文所論述具有相對(duì)較低的質(zhì)量，因此用以保護(hù)浸沒式加熱器的熔融硅石殼體的厚度可比常規(guī)坩堝小得多，如下文所論述。如相對(duì)于圖2A到圖2C所詳述，此特征允許對(duì)于從加熱器到熔體的給定溫度下降產(chǎn)生較高熱流，因此在不損害熔融硅石的機(jī)械完整性的情況下提供較大熱流。

出于各種原因，在暴露表面108處提供增大的熱流以及將熱流集中在區(qū)域114中的此能力可能不能通過常規(guī)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。舉例來說，從下表面到暴露表面108的熔體104深度(等效于h₁)可在10mm與20mm之間。因此，在底部112下方產(chǎn)生的任何熱于在區(qū)域114中到達(dá)暴露表面108之前可能會(huì)行進(jìn)在10mm到20mm的范圍內(nèi)的距離。因此，由于硅的高熱導(dǎo)率而可能難以提供到區(qū)域114的集中熱流，所述硅在熱到達(dá)暴露表面108之前可能會(huì)在平行于X-Z平面的側(cè)向方向上使熱流耗散。

在各種實(shí)施例中，浸沒式加熱器106的加熱元件107可安置在距暴露表面108一毫米到三毫米的距離處，所述距離等效于圖1A中所示的h₂。在如下文所進(jìn)一步詳述的一些實(shí)施例中，浸沒式加熱器可經(jīng)配置以移動(dòng)以便改變距離h₂，這可允許改變提供到暴露表面的熱流量以及熱流的型態(tài)。

圖1B示出處理設(shè)備100的操作的一個(gè)例子。在此實(shí)例中，浸沒式加熱器106經(jīng)嚙合以產(chǎn)生集中在區(qū)域114中的熱流120。同時(shí)，結(jié)晶器110設(shè)置于暴露表面108上方以提供從暴露表面去除熱的冷卻，所述熱示出為熱流122。在各種實(shí)施例中，結(jié)晶器110可為維持在低于熔體104的熔體溫度的溫度下的冷塊。熱流可從表面?zhèn)鲗?dǎo)到結(jié)晶器110。在一個(gè)實(shí)例中，結(jié)晶器110可提供比熔體104的熔體溫度冷的氦氣射流，其促進(jìn)從暴露表面108的熱去除。在一些實(shí)例中，此可導(dǎo)致產(chǎn)生從暴露表面108朝向結(jié)晶器110向外的超過100W/cm²的熱流的熱去除。此熱去除速率可有效地在局部冷卻暴露表面，以使得可從區(qū)域沿著暴露表面108牽引出高品質(zhì)的硅結(jié)晶薄片。舉例來說，在晶體拉出器(未示出)沿著平行于Z軸的方向126移動(dòng)時(shí)，可從熔體104牽引出結(jié)晶薄片124，如圖所示。同時(shí)，熱流120在區(qū)域114中可能超過50W/cm²，所述區(qū)域在不同實(shí)例中可為0.5mm到3mm寬。然而，實(shí)施例在此方面不受限制。到區(qū)域114的熱流120的此高值可幫助使前邊緣128穩(wěn)定化，如圖1C的特寫圖中所說明。

如所指出，為了調(diào)適到區(qū)域114的熱流，一些實(shí)施例提供可移動(dòng)浸沒式加熱器，其中所述浸沒式加熱器的位置可相對(duì)于熔體104的暴露表面108加以調(diào)整。圖1D示出處理設(shè)備150的一個(gè)變體，其中浸沒式加熱器156至少可在一個(gè)方向上相對(duì)于暴露表面108移動(dòng)。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器158耦合到固持器154，所述固持器又耦合到浸沒式加熱器156。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器158可經(jīng)配置以沿著X軸、Y軸以及Z軸移動(dòng)浸沒式加熱器156。在特定實(shí)施例中，舉例來說，驅(qū)動(dòng)器158可經(jīng)配置以沿著可平行于X-Y平面的垂直方向，即平行于Y軸且正交于暴露表面108而移動(dòng)浸沒式加熱器156。提供外部加熱器以加熱熔體104以將熔體104維持在其熔融溫度以上。在操作中，例如加熱器152A等外部加熱器可產(chǎn)生熱流160，而例如加熱器152B等另一外部加熱器產(chǎn)生熱流162。同時(shí)，結(jié)晶器110提供冷卻以產(chǎn)生從暴露表面108的一部分向外的熱流122，所述熱流促進(jìn)形成如上文所描述的結(jié)晶薄片166。在一個(gè)例子中，安置于結(jié)晶薄片166之下的加熱器152B產(chǎn)生小于熱流160的熱流162，這可將熔體104的鄰近于坩堝102的底部112的區(qū)域維持在熔融形式而不使形成于暴露表面108的區(qū)域中的結(jié)晶薄片166熔融。另外，浸沒式加熱器156產(chǎn)生表面熱流164，所述表面熱流可大于熱流160以及熱流162。術(shù)語“表面熱流”是指暴露表面108處的每單位面積熱流，例如W/cm²。因此，因?yàn)榻]式加熱器可定位在相對(duì)于暴露表面108的所需距離處，其中h₂為例如一毫米到三毫米，因此表面熱流164在一些例子中可超過50W/cm²，其輔助使結(jié)晶薄片166的前邊緣穩(wěn)定化。

在各種實(shí)施例中，浸沒式加熱器可具有不同形狀。浸沒式加熱器可具有圓形橫截面、矩形橫截面或其它形狀。實(shí)施例在此方面不受限制。在用于處理硅熔體的實(shí)施例中，浸沒式加熱器可具有由熔融硅石組成的外表面。圖2A到圖2C呈現(xiàn)浸沒式加熱器的替代實(shí)施例的側(cè)視橫截面圖。圖2A示出具有圓形橫截面的浸沒式加熱器200，其中加熱元件204由殼體202圍封，所述殼體可由熔融硅石組成。在一些實(shí)施方案中，本文中揭示的加熱元件204以及其它加熱元件可為電阻加熱元件，包含石墨加熱元件或如此項(xiàng)技術(shù)中已知的其它電阻加熱元件。浸沒式加熱器200的示范性直徑可為2mm到1cm，但實(shí)施例在此方面不受限制。圖2B提供另一浸沒式加熱器210，其具有由殼體212圍封的加熱元件214。如同浸沒式加熱器200，浸沒式加熱器210可具有石墨材料作為加熱元件214，且殼體212可由熔融硅石組成。浸沒式加熱器210的橫截面尺寸可類似于浸沒式加熱器200的橫截面尺寸，但橫截面可給出如所說明的矩形形狀。

在特定實(shí)施例中，例如加熱元件214的加熱元件可由涂布有碳化硅(SiC)以便提供更穩(wěn)健加熱元件的石墨組成。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)涂布的石墨加熱元件在高溫下的操作可引起與熔融硅石殼體的反應(yīng)，從而引起從熔融硅石殼體形成白硅石結(jié)晶材料，這可能會(huì)導(dǎo)致殼體以及加熱器的性能劣化。因此，SiC層可設(shè)置于石墨與熔融硅石殼體之間以防止形成白硅石且延長加熱元件的壽命。

圖2C呈現(xiàn)浸沒式加熱器220的另一實(shí)施例，其具有大體上圓形橫截面，其中殼體222圍繞加熱元件224，只是薄化部分226形成于外表面228平坦而非圓形的區(qū)域中。此實(shí)施例提供以下優(yōu)勢：可產(chǎn)生到鄰近于薄化部分226的區(qū)域的在浸沒式加熱器220外部的較高熱流，如下文相對(duì)于額外實(shí)施例所詳述。

在一個(gè)實(shí)施方案中，在圖2A到圖2C的所有實(shí)施例中，給定浸沒式加熱器的殼體的厚度可小于從外部加熱器接收熱的常規(guī)熔融硅石坩堝壁的厚度。如上文所指出，熔融硅石坩堝的厚度可為4mm，其可為提供坩堝的機(jī)械完整性所需的最小厚度，尤其是于在硅熔體溫度1685K或更高的溫度下操作時(shí)。相比之下，由于可能會(huì)放置在圖2A到圖2C的實(shí)施例的浸沒式加熱器上的小負(fù)載，也可由熔融硅石組成的浸沒式加熱器殼體的厚度可在1mm的范圍內(nèi)。此極大地減小從與加熱元件接觸的熔融硅石側(cè)到與硅熔體接觸側(cè)的溫度下降。舉例來說，假定如上文針對(duì)熔融硅石所論述的相同的熱特性，為在1mm厚的熔融硅石殼體上供應(yīng)20W/cm²，溫度下降為40K。假定浸沒式加熱器的外表面上的熔體溫度處于最小1685K，則此僅將熔融硅石殼體的內(nèi)表面上的溫度設(shè)定在1725K，這遠(yuǎn)低于不可接受的軟化的溫度。此外，在其它情況下，浸沒式加熱器可經(jīng)設(shè)定以產(chǎn)生80W/cm²的熱流而沒有浸沒式加熱器殼體的不可接受軟化，因?yàn)榇撕鬅崃鲗⒖缭?mm厚熔融硅石殼體產(chǎn)生160K的溫度下降。在此情況下，熔融硅石殼體的內(nèi)表面將經(jīng)受至少1845K(1685+160)的溫度，這仍在不出現(xiàn)熔融硅石的不可接受軟化的可接受溫度范圍內(nèi)。此外，因?yàn)榻]式加熱器可極接近于熔體的暴露表面而定位，因此由浸沒式加熱器產(chǎn)生的熱流的大部分可提供到暴露表面。

圖3A示出浸沒式加熱器300的一個(gè)實(shí)施例的頂部透視圖。圖3A示出在處理設(shè)備320中的浸沒式加熱器300，其示出處理設(shè)備320的部分，一些組件為了清楚起見而被省略。浸沒式加熱器300包含耦合到加熱器部分304的固持器部分302。所述固持器部分可包含柱形部分306以及臂部分308，如圖所示。如本文所使用，術(shù)語“加熱器部分”是指加熱元件以及圍繞或圍封加熱元件的結(jié)構(gòu)或殼體。術(shù)語“加熱元件”在本文中使用時(shí)是指產(chǎn)生熱的主動(dòng)組件，例如電阻性或電感性加熱器，且可另外指將熱從主動(dòng)元件傳導(dǎo)到浸沒式加熱器的殼體的導(dǎo)熱元件。因此，在一個(gè)實(shí)例中，加熱元件可包含通過使電流通過加熱器組件而加熱的電阻性加熱器組件以及將熱從電阻性加熱器組件傳導(dǎo)但自身不被電阻性加熱的石墨組件。當(dāng)然，電阻性加熱器組件可由石墨自身組成。下文中描述揭示這些變體的不同方面的實(shí)施例。

如圖3A中所示，固持器部分302還可耦合到驅(qū)動(dòng)器310，所述驅(qū)動(dòng)器可使固持器部分沿著X方向、Y軸以及Z軸相對(duì)于結(jié)晶器110以及暴露表面108而移動(dòng)。此促進(jìn)將加熱器部分304相對(duì)于例如結(jié)晶器110定位在所需位置處。如所說明，加熱器部分304在X軸上伸長。在此實(shí)例中，加熱器部分304具有桿形狀，且可包含在加熱器部分304內(nèi)的桿狀加熱元件。固持器部分302以及加熱器部分304兩者都可由石墨或適用作電阻性加熱器的其它材料組成。固持器部分302以及加熱器部分304兩者都可包含由熔融硅石組成的外部結(jié)構(gòu)，如下文所論述。

在操作中，加熱器部分可對(duì)沿著暴露表面108的表面區(qū)域伸長的加熱區(qū)提供局部加熱。圖3B示出加熱器部分304以及結(jié)晶器110的俯視圖，其說明可由加熱器部分304在暴露表面108處產(chǎn)生的加熱區(qū)314。如所說明，加熱區(qū)314沿著X軸伸長，且可具有相同或類似于加熱器部分304沿著X軸的加熱器寬度的寬度。還如圖3B中所示，結(jié)晶器110可產(chǎn)生冷卻區(qū)316，所述冷卻區(qū)產(chǎn)生結(jié)晶薄片330的結(jié)晶所發(fā)生的區(qū)域。冷卻區(qū)316也可沿著X軸伸長?？赏ㄟ^在正交于X軸的方向，即方向126上拉動(dòng)來牽引出結(jié)晶薄片330。結(jié)晶器110可經(jīng)配置以在拉動(dòng)沿著方向126進(jìn)行時(shí)沿著X軸形成結(jié)晶薄片330的前邊緣340。加熱區(qū)314可與冷卻區(qū)316重疊。加熱區(qū)314可提供足夠熱以使前邊緣340穩(wěn)定化。在各種實(shí)施例中，加熱區(qū)314的寬度(可類似或相同于冷卻區(qū)316的寬度)可在150mm或200mm或300mm之間的范圍以便產(chǎn)生具有相同相應(yīng)寬度的結(jié)晶薄片。

圖4A示出浸沒式加熱器300的變體的細(xì)節(jié)。在此變體中，浸沒式加熱器400的一部分示出為包含固持器406以及加熱器部分408的一側(cè)。固持器406包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)402以及圍繞內(nèi)部結(jié)構(gòu)402的殼體404。內(nèi)部結(jié)構(gòu)402可為石墨或其它導(dǎo)電材料。殼體404可由熔融硅石組成，且可至少沿著高度H圍封內(nèi)部結(jié)構(gòu)402，所述高度H經(jīng)設(shè)計(jì)以在操作期間高于熔體的暴露表面108。加熱器部分408也可由圍封在熔融硅石中的石墨或其它導(dǎo)電材料組成。

圖4B描繪示出圖4A的區(qū)域C的浸沒式加熱器400的一部分的端視圖。如所說明，加熱器部分408由圍封加熱元件410的殼體412組成。加熱元件410可以機(jī)械方式附接到內(nèi)部結(jié)構(gòu)402或可由與內(nèi)部結(jié)構(gòu)402相同的材料整體地形成。以此方式，加熱元件410可電耦合到內(nèi)部結(jié)構(gòu)402。

圖4C示出在圖4B中所示的平面A-A處的浸沒式加熱器400的側(cè)視橫截面圖。在操作中，使電流通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)402以及加熱元件410，從而引起在加熱元件410內(nèi)的電阻性加熱。內(nèi)部結(jié)構(gòu)402的橫截面積C₁與加熱元件410的橫截面積C₂的相對(duì)比率可經(jīng)布置而使得加熱元件410產(chǎn)生在1800K或更高的溫度而不會(huì)過多地加熱內(nèi)部結(jié)構(gòu)402。因此，由浸沒式加熱器400產(chǎn)生的加熱可集中在緊鄰加熱器部分408的區(qū)域中。在一些實(shí)施例中，加熱器部分408的直徑D₁可小于5mm，且在一個(gè)實(shí)例中，可為3mm。在一個(gè)實(shí)例中，加熱元件410的直徑D₂可為1mm，使得殼體412的厚度也可為1mm。在其中殼體412由熔融硅石組成的實(shí)例中，此厚度允許熱通過殼體412傳輸而沒有過大的溫度下降，如上文所論述。在一個(gè)實(shí)例中，如圖4B所示，固持器406的殼體404的尺寸D₃為5mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)402的尺寸D₄為3mm。然而，實(shí)施例在此方面不受限制。圖4D示出加熱器部分420的另一實(shí)施例的端視橫截面圖。在此實(shí)施例中，加熱器部分包含圍封加熱元件424的殼體422，所述加熱元件具有在中間區(qū)域中的薄化區(qū)段426。由于薄化區(qū)段426的橫截面積較小，因此加熱可集中在薄化區(qū)段426內(nèi)。

在各種實(shí)施例中，浸沒式加熱器可經(jīng)布置以在熔體的暴露表面處提供超過30W/cm²的熱流。圖5示出隨浸沒式加熱器相對(duì)于熔體的暴露表面的位置而變的到暴露表面的熱通量的CFD計(jì)算的結(jié)果。曲線530以及曲線522到528是熱流型態(tài)，其示出在熔體的暴露表面處的隨沿著平行于熔體表面的方向的位置而變的熱流(通量)。曲線530表示浸沒式加熱器定位在暴露表面下方5mm處時(shí)的熱流。位置X＝0表示在浸沒式加熱器的中心正上方的位置。因此，暗示在X＝0的左方的對(duì)稱熱流曲線(為曲線530的鏡像)。如圖所示，在X＝0處產(chǎn)生33W/cm²的最大熱流，所述熱流在X＝6mm處減小到低于20W/cm²。曲線528表示浸沒式加熱器定位在暴露表面下方4mm處時(shí)的熱流。如圖所示，在X＝0處產(chǎn)生40W/cm²的最大熱流。隨著在浸沒式加熱器的暴露表面下方的深度減小，熱流的峰值增大，如曲線526(3mm)、曲線524(2mm)以及曲線522(1mm)所展現(xiàn)。在1mm深度的情況下，實(shí)現(xiàn)90W/cm²的峰值熱流。另外，峰值半高全寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)的值從對(duì)于5mm深度的大于7mm減小到對(duì)于1mm深度的5mm FWHM值。

盡管前述實(shí)施例示出其中浸沒式加熱器的加熱器部分由熔體完全圍繞的設(shè)備，但在其它實(shí)施例中，加熱器部分的一部分可延伸到熔體的暴露表面以上。圖6A示出處理設(shè)備600的另一實(shí)施例，其中浸沒式加熱器602僅部分地浸沒在暴露表面108下方，以使得加熱器部分的至少一部分處于暴露表面108以上。值得注意的是，為了清楚起見，未示出浸沒式加熱器602的固持器部分，且僅加熱器部分可見，所述加熱器部分可具有圓柱形形狀，如上文相對(duì)于圖3以及圖4A到圖4D所論述。圖6B示出處理設(shè)備620的另一實(shí)施例，其中具有矩形橫截面的浸沒式加熱器622僅部分地浸沒在暴露表面108下方。在圖6A以及圖6B的實(shí)施例中，浸沒式加熱器可由加熱元件以及熔融硅石殼體組成，如對(duì)于先前所揭示實(shí)施例所論述。圖6C示出處理設(shè)備630的另一實(shí)施例，其中浸沒式加熱器632附接到坩堝634。在一個(gè)實(shí)例中，浸沒式加熱器632具有在殼體638內(nèi)偏移的加熱元件636，所述殼體可由熔融硅石組成。加熱元件636經(jīng)偏移以便更靠近較接近于結(jié)晶器110的表面640。因此，在圖6C的視圖中，來自浸沒式加熱器632的熱流在浸沒式加熱器632右方可比在左方大得多。此可允許熱流集中在結(jié)晶器下方的區(qū)域(可在此處形成結(jié)晶薄片的前邊緣，如上文所論述)中。舉例來說，表面熱流可在緊挨表面640右方的位置處急劇地成峰狀。在需要將高熱流限定在鄰近于結(jié)晶薄片的前邊緣的窄處理區(qū)時(shí)，此類型的峰狀熱流型態(tài)可為有用的。

圖6A、圖6B以及圖6C的實(shí)施例的優(yōu)勢為，相應(yīng)浸沒式加熱器可附接在單個(gè)位置，且可因此不涉及使用用以提供在不同位置處的浸沒式加熱器相對(duì)于暴露表面108以及結(jié)晶器110的移動(dòng)的任何致動(dòng)器或復(fù)合固持器。圖6A到圖6C的實(shí)施例的浸沒式加熱器的操作也不涉及如下文相對(duì)于圖9A以及圖9B所論述確保其上表面被硅熔體潤濕的任何程序。

圖7A示出處理設(shè)備700包含與處理設(shè)備700的坩堝702一體成形的浸沒式加熱器704的另一實(shí)施例。浸沒式加熱器704由上部區(qū)域706組成，所述上部區(qū)域形成坩堝702的坩堝壁710的部分。坩堝壁710如圖所示而凹入以使得上部區(qū)域706比坩堝的下部區(qū)域712更接近于暴露表面108。此允許浸沒式加熱器704的加熱元件708鄰近于或接觸上部區(qū)域706而放置，其放置方式使得加熱元件708處于不與熔體104接觸的坩堝側(cè)上。坩堝壁710的處于浸沒式加熱器的上部區(qū)域706中的部分因此充當(dāng)保護(hù)加熱元件的殼體。以此方式，加熱元件708的頂部可安全地位于使加熱元件708與暴露表面108分開的距離h₂處，所述距離h₂遠(yuǎn)小于所述暴露表面與坩堝702的下部區(qū)域712之間的距離h₁。

圖7B示出處理設(shè)備720包含浸沒式加熱器724的另一實(shí)施例，其中所述浸沒式加熱器也具有形成坩堝722的坩堝壁710的部分的上部區(qū)域730。然而，在此實(shí)施例中，加熱元件732由兩個(gè)部分組成：有源加熱器組件726以及導(dǎo)體部分728。有源加熱器組件726位于坩堝702的下部區(qū)域712處或其下方，且經(jīng)配置以產(chǎn)生熱，所述熱通過導(dǎo)體部分728傳導(dǎo)到熔體104。導(dǎo)體部分728可為高度導(dǎo)熱材料，例如石墨。此允許導(dǎo)體部分728的上部區(qū)域獲得類似于或相同于有源加熱器組件726的溫度。從熔體104的角度來說，加熱元件732的上部區(qū)域730看似為熱源，其上表面安置在使加熱元件732的頂部733與暴露表面108分開的距離h₂處。此實(shí)施例的優(yōu)勢為，由加熱元件732產(chǎn)生的熱源可位于較接近于暴露表面108處，而無需將有源加熱器組件726放置在上部區(qū)域730內(nèi)。

在其它實(shí)施例中，可移動(dòng)浸沒式加熱器可包含由坩堝的坩堝壁以及包含加熱元件的可移動(dòng)部分形成的靜止部分。圖8A示出包含可移動(dòng)浸沒式加熱器(示出為浸沒式加熱器804)的處理設(shè)備800的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視橫截面圖。浸沒式加熱器804包含可移動(dòng)蓋結(jié)構(gòu)，所述可移動(dòng)蓋結(jié)構(gòu)包含可移動(dòng)部分812以及固定部分810。固定部分810可形成坩堝802的坩堝壁814的部分。固定部分810的壁相對(duì)于暴露表面108以例如90度的角度延伸。固定部分810經(jīng)布置以容納可移動(dòng)部分812，以使得可移動(dòng)部分812至少可沿著Y軸相對(duì)于固定部分810滑動(dòng)。如圖8A中進(jìn)一步所示，可移動(dòng)部分812可包含由熔融硅石以及加熱元件806組成的惰性部分808。加熱元件806可附接到惰性部分808，以使得熱從加熱元件806高效地傳遞到熔體104。

圖8B說明處理設(shè)備800的操作的一個(gè)例子。在此實(shí)例中，可移動(dòng)部分812比圖8A的情形中更接近于暴露表面108而安置。在各種實(shí)施例中，可移動(dòng)部分812可經(jīng)配置以改變使加熱元件806的頂部與暴露表面108分開的距離h₂。舉例來說，在一些情況下，可移動(dòng)部分812可經(jīng)配置以提供在5mm與1mm之間的h₂范圍(Rh₂)。在圖8B的實(shí)例中，可移動(dòng)部分812可放置在距離h₂處，其中加熱元件能夠提供至少50W/cm²的熱流826。在將足以使暴露表面108處的材料結(jié)晶的冷卻提供到暴露表面108時(shí)，到暴露表面108的熱流826的此熱流率可用以產(chǎn)生具有改進(jìn)的性質(zhì)的結(jié)晶薄片824，這是由于提供到結(jié)晶薄片824的前邊緣(見圖1C)的熱流的高速率以及來自暴露表面108的冷卻的快速速率。

也如圖8A以及圖8B中所說明，浸沒式加熱器804經(jīng)配置以使得與熔體104接觸的浸沒式加熱器的接觸表面818可完全由例如熔融硅石等惰性材料組成。舉例來說，隨著可移動(dòng)部分812相對(duì)于固定部分810向上移動(dòng)，在圖8A中不暴露的固定部分810的壁可能會(huì)暴露于熔體104。然而，因?yàn)楣潭ú糠?10的壁形成坩堝的部分，因此所述壁也可由熔融硅石組成。盡管間隙可存在于固定部分810與可移動(dòng)部分812之間以適應(yīng)可移動(dòng)部分812的移動(dòng)，但熔體104的熔融材料由于熔融硅與熔融硅石的表面能差而不可滲透間隙830。此表面能差引起高接觸角形成于熔融硅與熔融硅石之間。因此，幾十毫米的間隙830可設(shè)置于浸沒式加熱器804中而不會(huì)使熔體104滲透到浸沒式加熱器804的外表面820。以此方式，可附接到外表面820的加熱元件806保持受保護(hù)，即使在可移動(dòng)部分812向上延伸時(shí)也是如此。

由于熔融硅與熔融硅石的前述表面能差，在各種實(shí)施例中，具有由熔融硅石組成的殼體的浸沒式加熱器可足夠接近于硅熔體的暴露表面而放置以便于浸沒式加熱器被硅熔體的去濕而使表面分裂。鑒于此，在一些實(shí)施例中，處理設(shè)備可在引發(fā)硅結(jié)晶薄片的水平生長之前進(jìn)行一系列操作。圖9A示出處理設(shè)備700在結(jié)晶薄片生長之前的初始操作階段。在圖9A中所示的例子中，熔體922形成于坩堝702中。熔體922可為在將硅引入到坩堝702中且通過外部加熱器(未示出，例如圖1D中所示出的加熱器152A以及加熱器152B)提供熱時(shí)所形成的硅熔體。在一些實(shí)施方案中，從浸沒式加熱器704的頂部到暴露表面900的水平部分或暴露表面902的距離h₃可小達(dá)1mm或更小。由此，熔體922可使可由熔融硅石組成的表面740去濕，因此形成暴露表面902以及暴露表面900的彎曲形狀，如所說明。盡管圖9A的去濕情形是針對(duì)浸沒式加熱器704而示出，但在前述浸沒式加熱器中的任一者的頂部表面接近于熔體的暴露表面而定位時(shí)，可發(fā)生浸沒式加熱器頂部表面的類似去濕。為了重新潤濕例如浸沒式加熱器704等浸沒式加熱器的頂部表面，可將硅固體片牽引到熔體922的頂部區(qū)域上方。圖9B示出其中將硅片906沿著平行于圖9B的視圖中的Z軸的方向908從浸沒式加熱器704的右側(cè)朝向左方牽引到浸沒式加熱器704上方的后續(xù)階段。熔體922潤濕硅片906的下側(cè)，從而形成表面904，且因此與硅片906一同被牽引到左方，直到熔體922完全覆蓋浸沒式加熱器704。隨后，在圖9C中所示的階段，在通過浸沒式加熱器704供應(yīng)表面熱流164以及通過結(jié)晶器110供應(yīng)冷卻(如上文所描述)時(shí)，可將硅晶種924沿著與方向908相反的方向910向后牽引，且可牽引出結(jié)晶薄片912。

本發(fā)明不限于由本文所描述的具體實(shí)施例界定的范圍。實(shí)際上，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員根據(jù)以上描述和附圖將了解(除本文所描述的那些實(shí)施例和修改外)本發(fā)明的其它各種實(shí)施例和對(duì)本發(fā)明的修改。因此，此類其他實(shí)施例和修改意欲屬于本發(fā)明的范圍。此外，盡管已出于特定目的在特定環(huán)境下在特定實(shí)施方案的上下文中描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其有用性并不限于此，并且出于任何數(shù)目的目的，本發(fā)明可以有利地在任何數(shù)目的環(huán)境中實(shí)施。因此，應(yīng)鑒于如本文所描述的本發(fā)明的全部廣度和精神來解釋下文闡述的權(quán)利要求書。