美國政府擁有本發(fā)明繳足執(zhí)照，并在有限的情況下，要求專利權(quán)人通過合同號(hào)DE-EE0000595由能源美國能源部授予條款規(guī)定合理的條件許可他人的權(quán)利。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種結(jié)晶材料自熔體的成長，尤其涉及一種使用致冷塊與氣體噴射冷卻熔體的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

硅晶圓或片材可被使用于例如集成電路或太陽能電池產(chǎn)業(yè)。隨著對(duì)再生性能源的需求增加，對(duì)太陽能電池的需求也持續(xù)增加。在太陽能電池產(chǎn)業(yè)中，其中一項(xiàng)主要的成本是用來制造這些太陽能電池的晶圓或片材。減少晶圓或片材的成本，則可減少太陽能電池的成本，而使此再生性能源技術(shù)更為普遍。經(jīng)研究，降低用于太陽能電池的材料的成本的方法之一為自熔體垂直拉動(dòng)薄硅帶(thin silicon ribbon)，并使其冷卻以及固化后成為結(jié)晶片。然而，在硅片的垂直拉動(dòng)的過程中，溫度梯度的發(fā)展可能導(dǎo)致品質(zhì)低劣的多晶硅。片材沿熔體的表面水平拉動(dòng)的水平帶生長(Horizontal ribbon growth，HRG)也已被投入研究。先前技術(shù)試圖采用氣體以”淋噴頭(showerhead)”的方式提供冷卻，以達(dá)到拉動(dòng)帶所需的連續(xù)表面成長。此些現(xiàn)有技術(shù)的嘗試并未達(dá)到制造出可靠且迅速地拉動(dòng)均勻厚度的寬帶的目標(biāo)，即未達(dá)到“值得制造(production worthy)”的目標(biāo)。硅熔體的輻射冷卻已被提出作為形成結(jié)晶片的另一種方法。然而，因?yàn)檩椛淅鋮s并無法有效地提供快速熱移除，而有無法適當(dāng)結(jié)晶硅板的問題。

基于這些以及其他的考量，如本發(fā)明的改進(jìn)是必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明內(nèi)容以簡單的形式介紹一些概念，這些概念將于下述實(shí)施方式更進(jìn)一步說明。本發(fā)明內(nèi)容并非用以指出權(quán)利要求書的標(biāo)的的關(guān)鍵技術(shù)特征或必要技術(shù)特征，也非用以幫助判斷權(quán)利要求書的標(biāo)的的范疇。

在一實(shí)施例中，用以使熔體成長為結(jié)晶片的結(jié)晶器可包括致冷塊。致冷塊具有面對(duì)于熔體的暴露面的致冷面。致冷塊被設(shè)置以用于在致冷面形成致冷塊溫度，致冷塊溫度低于在熔體的該暴露面的熔體溫度。本系統(tǒng)可也包含配置于致冷塊內(nèi)的噴嘴。噴嘴被配置以用于傳送氣體噴射至暴露面，其中氣體噴射以及致冷塊交互操作以產(chǎn)生處理區(qū)。處理區(qū)以第一散熱速率移除來自于暴露面的熱。第一散熱速率大于來自于處理區(qū)外的外部區(qū)域中的第二散熱速率。

在另一個(gè)實(shí)施例中，使熔體成長為結(jié)晶片的方法包括：排列致冷塊于熔體的暴露面上，在致冷塊面對(duì)于熔體的致冷面產(chǎn)生致冷溫度，致冷溫度低于在熔體的暴露面的熔體溫度。此方法還包括通過配置于致冷塊中的噴嘴傳送氣體噴射至暴露面，其中氣體噴射以及致冷塊彼此交互操作以形成處理區(qū)，處理區(qū)以第一散熱速率移除來自于暴露面的熱。第一散熱速率大于來自于處理區(qū)的外部區(qū)域中的暴露面的第二散熱速率。

附圖說明

圖1A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示出系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖。

圖1B為示出圖1A的系統(tǒng)的一部分的底面示意圖。

圖1C為圖1A的系統(tǒng)的一部分的側(cè)面剖視圖的特寫。

圖1D為圖1A的系統(tǒng)的一部分的頂面剖視圖的特寫。

圖2A為示出在結(jié)晶片成長期間，圖1A的系統(tǒng)的操作實(shí)例的側(cè)面剖視圖。

圖2B為示出圖2A中操作實(shí)例的側(cè)面剖視圖的特寫。

圖3A為根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例示出另一系統(tǒng)的側(cè)面剖視圖。

圖3B為示出在結(jié)晶片成長期間，圖3A的系統(tǒng)的操作實(shí)例的側(cè)面剖視圖。

圖4A為圖3A的系統(tǒng)的一部分的模型化流場(chǎng)以及溫度曲線的二維復(fù)合側(cè)視圖。

圖4B為示出圖4A的系統(tǒng)的四種不同架構(gòu)的散熱速率曲線。

圖5A為示出當(dāng)緊鄰熔體表面的致冷塊維持在低溫時(shí)，范例二維模擬溫度以及流量圖的二維復(fù)合側(cè)視圖。

圖5B為示出當(dāng)緊鄰熔體表面的致冷塊維持在高溫時(shí)，范例二維模擬溫度以及流量圖的二維復(fù)合側(cè)視圖。

圖5C為示出當(dāng)致冷塊保持在兩個(gè)不同溫度的對(duì)流散熱速率曲線。

圖6A為示出當(dāng)氣體直接朝向熔體而沒有氣體的內(nèi)部排氣時(shí)，氣流的圖案的俯視平面圖。

圖6B為示出當(dāng)氣體直接朝向熔體而有內(nèi)部排氣時(shí)，氣流的圖案的俯視平面圖。

圖7為內(nèi)部排氣的百分比的函數(shù)示出范例散熱曲線。

圖8A為示出與本發(fā)明的實(shí)施例一致的噴嘴的透視圖。

圖8B為示出圖8A的噴嘴的俯視圖。

圖8C至圖8D為示出圖8A的噴嘴的兩種不同操作實(shí)例。

圖9為示出當(dāng)沿噴嘴開孔提供氣體噴射的數(shù)量為不同時(shí)，自熔體表面的散熱速率曲線的模擬結(jié)果。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例提供系統(tǒng)以及裝置使用水平成長以成長半導(dǎo)體材料(例如使硅形成熔體)的連續(xù)結(jié)晶片。特別是，于此揭露的系統(tǒng)被設(shè)置以用于初始化以及維持在熔體的表面連續(xù)的結(jié)晶片或硅帶的成長，使形成單晶(monocrystalline)、寬的、均勻薄度的片材以及自熔體快速拉動(dòng)，例如大于每秒1毫米。在各種實(shí)施方式，液體冷卻結(jié)晶器被設(shè)置以用于在受控且統(tǒng)一的方式用以冷卻熔體的表面，以形成強(qiáng)力散熱的窄的帶或區(qū)的處理區(qū)。在各種實(shí)施方式，自硅熔體表面散熱的鋒值速率超過100瓦/每平方厘米(W/cm²)，且在一些實(shí)例為大于500W/cm²。如下討論，因在熔體表面的硅的結(jié)晶成長的性質(zhì)，這種高散熱速率特別有利用以生長高品質(zhì)單晶硅帶。

圖1A為示出與本發(fā)明實(shí)施例一致的用以自熔體水平成長結(jié)晶片的系統(tǒng)100的側(cè)視圖。系統(tǒng)100包括結(jié)晶器102以及坩鍋126，為清楚起見，只示出坩鍋126的下部。再者，在此圖以及其他遵循此圖的各種組件并不表示用來規(guī)定關(guān)于彼此或關(guān)于不同方向。坩鍋126可包含熔體112，例如硅熔體。結(jié)晶器102或坩鍋126或兩者皆可沿示出的正交坐標(biāo)系統(tǒng)的Y軸的平行方向移動(dòng)，使安置結(jié)晶器102在自熔體112的上表面一期望的距離，此被標(biāo)記為暴露面114。暴露面114代表在系統(tǒng)100中相鄰大氣環(huán)境的表面，且相對(duì)于熔體112相鄰坩鍋126的固體表面的表面。系統(tǒng)100還包括一個(gè)或多個(gè)加熱器，例如加熱器122，其可提供熱至坩鍋126從而至熔體112。加熱器122可分別被供電以在沿X-Z平面不同點(diǎn)提供相似量的熱或不同量的熱。熱可以被引導(dǎo)沿圖1A中的Y軸向上的熱流的至少一分量流過熔體112。

詳述如下，熱流自加熱器122產(chǎn)生，且熱流速率自暴露面114產(chǎn)生，熱流速率在此被稱為”散熱速率”，可被設(shè)定在發(fā)生結(jié)晶化的特定區(qū)域外的暴露面114保持熔融表面。特別是，詳述如下，結(jié)晶化可發(fā)生在區(qū)域或緊臨結(jié)晶器102的處理區(qū)(未示于圖1A)。在本實(shí)施例中，結(jié)晶器102可在處理區(qū)中產(chǎn)生散熱速率，其足夠快速以在鄰近于暴露面114的區(qū)域或在暴露面114形成結(jié)晶材料。詳述如下，散熱被控制只局部地發(fā)生在暴露面114的一部分，結(jié)果形成期望的厚度與低的缺陷等級(jí)的單晶硅。可理解的是，“散熱”是指幫助熱自暴露面114流動(dòng)的制程。即使沒有例如結(jié)晶器102的組件用以幫助“散熱”，熱可自暴露面114向上流動(dòng)。然而，結(jié)晶器102可能導(dǎo)致在暴露面114的部分的散熱相較于暴露面114的其他部分中的熱流大的多，以使結(jié)晶在相鄰于結(jié)晶器102處局部地形成。

系統(tǒng)100還可包含拉晶機(jī)(未示出)，其被配置以用于沿平行Z軸的拉動(dòng)方向120拉動(dòng)晶種116，從而朝如所示的右邊拉動(dòng)結(jié)晶硅的連續(xù)板材。通過控制緊鄰結(jié)晶器102的散熱速率(其中熱由加熱器122形成)，以及沿拉動(dòng)方向120的拉速，則可獲得期望的厚度與品質(zhì)的結(jié)晶片。特別是，提供有致冷塊106的結(jié)晶器102以控制片材的結(jié)晶化，致冷塊106被配置以用于在致冷面產(chǎn)生致冷塊溫度，致冷塊溫度低于熔體112在面對(duì)于致冷面的暴露面114的部分的熔體溫度。如下所述，結(jié)晶器102還包含配置在致冷塊106中的噴嘴104，噴嘴104被設(shè)置以用以傳送氣體噴射至暴露面114。氣體噴射與致冷塊彼此交互操作以產(chǎn)生以第一散熱速率移除來自暴露面114的熱的處理區(qū)，第一散熱速率大于自處理區(qū)外的外部區(qū)域中的暴露面114的第二散熱速率。通過噴嘴與致冷塊的適當(dāng)安排與操作，則可在非常窄的區(qū)域創(chuàng)造一個(gè)定義良好且均勻的處理區(qū)，其有助于低缺陷的單晶硅片的成長。

在圖1A的實(shí)施例中，結(jié)晶器102包含噴嘴104，噴嘴104被設(shè)置以用于提供氣體噴射至暴露面114，其中“氣體噴射”是指氣體以快速的速率流動(dòng)通過窄的開口，如下文所述。氣體噴射可通過氣體控制系統(tǒng)150提供，氣體控制系統(tǒng)150導(dǎo)引氣體以預(yù)定的速率進(jìn)入噴嘴104。在各種實(shí)施例中，噴嘴104由在高溫環(huán)境中耐降解(degradation)的材料所組成，特別是包含熔融硅的環(huán)境。舉例而言，噴嘴可例如由熔融硅(石英玻璃，fused quartz)所組成，其耐于硅的化學(xué)腐蝕攻擊且在硅的熔體溫度(約1685絕對(duì)溫度(K))為熱穩(wěn)定的。提供至暴露面114的氣體可用以增加在自緊鄰結(jié)晶器102的處理區(qū)域中的暴露面114的散熱速率。在一些實(shí)施例中，通過噴嘴104提供的氣體可以是氦或其他惰性氣體，或可以是氫。實(shí)施方式并不限于此上下文中所述。

如圖1A中所示設(shè)置在致冷塊106內(nèi)的噴嘴104可通過被導(dǎo)引入致冷塊106中的腔體(未示出)內(nèi)的流動(dòng)的流體，例如水或乙二醇(ethylene glycol)，冷卻。因此，致冷塊106可被保持在比熔體112較低的溫度。舉例而言，若熔體112為純硅，暴露面114的溫度可保持1685K多度中以保持暴露面114在熔融態(tài)。在此同時(shí)，當(dāng)冷卻水被提供于致冷塊106，致冷塊可被保持在300K至400K的范圍內(nèi)的溫度。在一實(shí)施例中，致冷塊106可由鎳制成，其具有適于操作在很靠近高溫熔體的致冷塊的高的熱導(dǎo)率以及高熔點(diǎn)。正如，噴嘴104以及致冷塊106可交互操作以形成窄的處理區(qū)###，處理區(qū)的散熱速率為足夠強(qiáng)以在暴露面114或附近產(chǎn)生期望的結(jié)晶化當(dāng)處理區(qū)的外部區(qū)域保持熔融。還如圖1A所示，結(jié)晶器102包含機(jī)殼108，機(jī)殼108可被保持在機(jī)殼溫度，機(jī)殼溫度高于致冷塊106的溫度。機(jī)殼108可包含多個(gè)用于隔離以及加熱的組件以使機(jī)殼108保持在高溫。舉例而言，機(jī)殼108可被保持在暴露面114的溫度的50K的范圍內(nèi)。機(jī)殼108定義開口，其中致冷塊106的致冷面配置相對(duì)于暴露面114。換句話說，由機(jī)殼108所定義的開口內(nèi)的致冷塊106的致冷面為面對(duì)于熔體112的暴露面114。如下關(guān)于圖1B的討論，此開口的區(qū)塊包含致冷塊104的底面。如此，對(duì)于暴露面114緊鄰機(jī)殼108的區(qū)域的散熱速率可少于緊鄰致冷塊106的處理區(qū)的散熱速率。值得注意的是，為了圖式的簡化，此圖以及其他未示出結(jié)晶器102的頂部。

在各種實(shí)施例中，噴嘴104以及致冷塊106可具有在X-Z平面的細(xì)長的橫截面。圖1B根據(jù)各種實(shí)施方式示出結(jié)晶器102的底部，其中噴嘴104以及致冷塊106在平行X軸的方向?yàn)榧?xì)長的。此方向可稱為橫向方向，其指示結(jié)晶片以橫向拉動(dòng)方向被拉動(dòng)，如下述。也如圖1B中所示，在噴嘴104中提供的開孔110在X-Z平面也具有沿橫向方向延伸的長軸的細(xì)長的橫截面。開孔110可為一個(gè)窄的開口，且氣體噴射通過開孔110至暴露面114。如圖1A示，開孔110延伸通過噴嘴104的總高度，以引導(dǎo)氣體自噴嘴104的頂部只到達(dá)暴露面114上的區(qū)域。在如下討論的一些實(shí)施例中，多個(gè)小進(jìn)氣口可以平行X軸的線性方式被排列在開孔110的頂部，以提供氣體噴射至暴露面114。如下討論，噴嘴104、開孔110以及致冷塊106沿X軸的尺寸以及進(jìn)氣口使用的量可由此定義結(jié)晶片在圖1A所示的沿拉動(dòng)方向120拉的寬度。

圖1C以及圖1D分別示出結(jié)晶器102的一部分的側(cè)視圖以及俯視圖。特別是，圖1C以及圖1D描述致冷塊106以及噴嘴104為最接近熔體112的暴露面114的一部分。為了清楚表示，未出示機(jī)殼108。

在各種實(shí)施例中，排列致冷塊、噴嘴以及熔體的暴露面的幾何關(guān)系以有助于產(chǎn)生自表面快速散熱的窄的處理區(qū)。特別的實(shí)施方式是，噴嘴以第一距離配置于暴露面上，且致冷面以第二距離配置在暴露面上，第二距離大于第一距離。換句話說，噴嘴延伸于相鄰致冷塊的下方，且由此位于較靠近熔體的表面。

在圖1C的例子中，致冷塊106以及噴嘴104可被配置位于自暴露面114上的一期望高度，以產(chǎn)生期望的結(jié)晶化過程。高度定義為第一高度h₁，其代表沿垂直于暴露面114的距離以將暴露面114自致冷塊106的底面132分隔。底面132為面對(duì)于熔體112的暴露面114的致冷面，其用以作為自暴露面114流動(dòng)的熱的熱沉(sink)。須注意，被機(jī)殼108包圍的致冷塊106的其他表面未示出在圖1C中。高度可也定義為第二高度h₂，其代表將暴露面114自噴嘴104的底面分離的距離。如圖1C中所示，在此實(shí)施例以及其他實(shí)施例中，噴嘴可被延伸到底面132下方，使得第二高度h₂小于第一高度h₁。在各種實(shí)施例中，第一高度h₁可介于0.25毫米(mm)與5mm之間，且距離(第二高度)h₂可介于0.1毫米與3毫米之間，但實(shí)施方式不限于此上下文。調(diào)整第二高度h₂或第一高度h₁的值的一個(gè)實(shí)施方式是用來執(zhí)行致動(dòng)器118連接至結(jié)晶器102，如圖1A中所示。

在一些實(shí)施例中，開孔110沿Z軸的開孔長度d2可由0.05毫米至0.5毫米。在實(shí)施例中，其中噴嘴104由石英玻璃所制作，噴嘴104可由兩個(gè)部分構(gòu)成，噴嘴部104a以及噴嘴部104b。在一些實(shí)施例中，當(dāng)噴嘴104被組合以及排列在系統(tǒng)100中，這兩部分可被組合從而定義運(yùn)行垂直于暴露面114的接口134。或者，當(dāng)噴嘴104被組合以及排列在系統(tǒng)100中，這兩部分可被組合從而定義運(yùn)行在相對(duì)垂直于暴露面114的一個(gè)非零角度的接口134。接口134可定義出開孔110，開孔110的開孔長度d2可通過形成在各噴嘴部104a以及噴嘴部104b內(nèi)的凹槽，以及噴嘴部104a以及噴嘴部104b的凹槽彼此相對(duì)放置在一起而創(chuàng)造。此可導(dǎo)致具有準(zhǔn)確的大小尺寸的開孔110，即當(dāng)在系統(tǒng)100中操作時(shí)，不會(huì)使上述的容許公差值不同。石英玻璃為對(duì)此目的特別有用，因?yàn)槭⒉ＡЭ梢员痪_地加工以及具有低的熱膨脹系數(shù)，由此保證開孔110的尺寸即使在大范圍下不同的溫度的環(huán)境下被保持。此外，熔融硅(石英玻璃，fused quartz)并不與熔融硅潤濕，由此保證硅在開孔110內(nèi)不會(huì)有噴嘴104被引入與熔體112意外接觸的芯吸的情況。

還如圖1C以及圖1D中所示，底面132可坐落在平行X-Z平面，且平行暴露面114。在各種實(shí)施例中，底面132為沿平行X軸的橫向方向延長。底面132沿X軸的寬度w₁可定義以垂直于橫向方向的方向拉結(jié)晶片的最終寬度。后一種的方向于此可被稱作“拉動(dòng)方向”，因?yàn)槠渑c結(jié)晶片被拉的方向一致。如下詳述，當(dāng)?shù)酌?32以及噴嘴104分別以第一距離以及第二距離被排列在暴露面114上，底面132可也自噴嘴104沿平行暴露面114的第二方向的第三距離延伸，使得第三距離大于第一距離。換句話說，如在圖1D中所示，底面132可自噴嘴104沿平行Z軸的方向往外延伸距離d₁，那就是沿拉動(dòng)方向，而結(jié)晶器102位在暴露面114上使得距離d₁大于第一高度h₁。在一些實(shí)施例中，距離d₁為3mm且第一高度h₁小于3mm。這種特殊的幾何可如下討論的有助于更快速地散熱。

圖1D中具體示出自被定位重合于致冷塊106的底面132的平面P的示意。對(duì)應(yīng)示出的致冷塊106的區(qū)塊為底面132的區(qū)塊，其可被配置位于暴露面114上的幾毫米或更少。當(dāng)致冷塊106通過例如為水的冷卻液冷卻，致冷塊106可具有小于485K的致冷塊溫度，1200K或遠(yuǎn)低于暴露面114的熔體溫度，其在一些實(shí)施例例如用以處理溫度為1685K的硅熔體。因?yàn)橹吕鋲K106的存在，再加上通過噴嘴104提供的氣體噴射，自暴露面114的流過來的熱的散熱可被集中在窄帶中，且在其中產(chǎn)生激烈的散熱。在一些實(shí)例中，散熱速率大于100瓦/平方厘米(W/cm²)為強(qiáng)烈散熱的特點(diǎn)，且特別是超過1000W/cm²或更大的實(shí)施例。再者，此散熱速率可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在暴露面114往外的熱流，其可在10W/cm²的數(shù)量級(jí)上，例如在一些例子中5至50W/cm²。

強(qiáng)烈散熱的區(qū)域如圖1D中的處理區(qū)130所示。處理區(qū)130中的暴露面114的散熱速率可超過外部區(qū)域131的暴露面114的散熱速率，其中外部區(qū)域131是坐落在處理區(qū)130的外部。根據(jù)各種實(shí)施例中，氣體可以足夠的流速被指向通過開孔110，使得散熱速率在開孔之下達(dá)到高峰。再者，如下討論，散熱速率的特征可在于沿拉動(dòng)方向120的窄峰，使得半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)是在少于兩毫米的范圍內(nèi)，且在一些例子中少于0.5mm。這可能導(dǎo)致散熱速率的最大值高達(dá)1000W/cm²或更大。當(dāng)這樣的高散熱速率傳送至這樣的窄的處理區(qū)，片材的結(jié)晶化即使在沿拉動(dòng)方向120為高拉速仍可在這樣的方式下被控制以產(chǎn)生改善的片材結(jié)晶品質(zhì)。

圖2A說明一個(gè)使用系統(tǒng)100形成結(jié)晶片206的例子。在這個(gè)例子中，加熱器122提供熱124，其流通過熔體112且在暴露面114流出熔體112。熱124可保持除了被拉晶機(jī)(未示出)所拉的結(jié)晶片206的熔體112在熔融狀態(tài)。在一些例子中，自處理區(qū)130的外部的熔體表面的熱流的速率可在5至50W/cm²的范圍。然而，實(shí)施方式并不限于此上下文。如圖2A中所示，氣體噴射202通過開孔110被提供，其可通過氣體控制系統(tǒng)150控制(示于圖1A)。氣體噴射202可被指向沿平行Y軸的方向或在相對(duì)于Y軸的非零角，且可以沖擊到暴露面114以及離開如排出的氣體204。在各種實(shí)施例中，氣流速率可通過沿X軸每厘米寬的開孔的流速率所特征化。在特別的實(shí)施例中，氣流可以介于1升/分(時(shí)間)-厘米(寬度)(L/(m-cm))至10L/(m-cm)的流速通過開孔110。詳述如下，通過控制結(jié)晶器102自暴露面114的分離，以及在氣體噴射202中的氣體流，大量的熱可在處理區(qū)130中經(jīng)由對(duì)流散熱自暴露面114被移除。如上所述有助于整體地增加非常大的散熱速率的能力。

請(qǐng)參考圖2B，其示出在圖2A中描述的操作系統(tǒng)100的一部分的特寫圖。如在圖2B中所示，氣體噴射202朝向暴露面114，創(chuàng)造配置介于暴露面114與致冷塊106以及噴嘴104之間的氣體渦流210。氣體渦流210提供自暴露面114用以快速去除熱的介質(zhì)，詳細(xì)如下。特別是，氣體渦流210可通過對(duì)流移除自暴露面至致冷塊的至少一部分的熱。在一些實(shí)例中，通過氣體渦流210提供的散熱為足夠形成幾百W/cm²至1000W/cm²或更多的峰值散熱速率。此對(duì)于結(jié)晶硅的片材成為低缺陷的單晶片特別有用?，F(xiàn)今的發(fā)明人具有一個(gè)共識(shí)，在硅的單晶片成長以其(100)晶面平行生長到XZ平面的前緣的特征在于通過(111)晶面形成相對(duì)于Z軸或拉方向120的54度的角度。為了適當(dāng)?shù)纳L此面的前緣，在前緣的一非常窄的區(qū)域內(nèi)可能需要一個(gè)非常強(qiáng)烈的散熱速率。在一些評(píng)估里，散熱峰值對(duì)于具有(111)晶面且良好成長的前緣可超過100W/cm²，這個(gè)值遠(yuǎn)大于被用來形成硅的結(jié)晶片的傳統(tǒng)裝置實(shí)現(xiàn)的散熱速率。

再者，為了控制結(jié)晶片206的厚度不超過期望的厚度上限，其可能需要集中這樣高的散熱速率至在結(jié)晶片206的前緣一個(gè)窄的區(qū)域。一些實(shí)施例中，系統(tǒng)100可傳送小于3mm寬的強(qiáng)烈散熱的窄區(qū)域或帶，其中散熱的高峰速率超過一個(gè)閥值，例如100W/cm²。關(guān)于這一點(diǎn)，應(yīng)注意的是處理區(qū)130沿拉動(dòng)方向120的尺寸可根據(jù)一個(gè)方便的度量標(biāo)準(zhǔn)所定義，例如一個(gè)區(qū)域的寬度，其中散熱速率超過閥值，或如將于下述討論的散熱速率中的一個(gè)峰的半高寬。不管切確的度量標(biāo)準(zhǔn)被使用以描繪處理區(qū)130的寬度的特性，在各種實(shí)施例中直接在開孔110下的點(diǎn)A的散熱速率可自100W/cm²至1500W/cm²的范圍，其中在自點(diǎn)A沿拉動(dòng)方向120大于3mm的距離的散熱速率可少于20W/cm²。

正如，在各種實(shí)施例中，氣體噴射202可由氦氣(He)組成，其為惰性氣體且不與系統(tǒng)100的其他組件起反應(yīng)并提供了高的熱導(dǎo)率。然而也可為其他氣體，例如氫氣。在一些例子中，氣體噴射202的氣體循環(huán)是有用的，例如當(dāng)氦氣(He)被使用于氣體噴射202。此可降低整體耗材的費(fèi)用。還如圖2B中所示，氣體噴射202可作為排出的氣體208以至少部分通過相鄰致冷塊106而提供的排氣通道(未示出)排出。如下所述，除了保存冷卻氣體，相較于裝置中的氣體如排出的氣體204被引導(dǎo)機(jī)殼108之下完全耗盡，此可提供改善氣體噴射的均勻性的優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向至圖3A，其根據(jù)本公開的進(jìn)一步實(shí)施例示出部分的系統(tǒng)300的側(cè)視。系統(tǒng)300包含噴嘴104、致冷塊106且可包含拉晶機(jī)(未示出)，這些的操作已于上討論。此外，系統(tǒng)300可包含氣體控制系統(tǒng)以及加熱器，這些操作已描述于上，但為了簡化故省略。再者，系統(tǒng)300包含機(jī)殼350，其包含多個(gè)如下詳述的組件。機(jī)殼350可包含相鄰于致冷塊106的內(nèi)襯306，且內(nèi)襯306由石墨或涂有碳化硅的石墨制成。在圖3A的實(shí)施例中，提供至少一內(nèi)部排氣通道304配置于致冷塊106與內(nèi)襯306之間。在一例子中，內(nèi)部排氣通道具有入口，其平行Z軸的長度為1mm。

如所示，提供絕緣材料308圍繞內(nèi)襯306，且提供補(bǔ)償加熱器310相鄰于絕緣材料308。補(bǔ)償加熱器310可被使用以調(diào)節(jié)機(jī)殼350的溫度，以使機(jī)殼350被保持在一個(gè)溫度，此溫度在10K至50K的暴露面114的溫度內(nèi)。最后，可提供外殼312封閉其他組件。

請(qǐng)參考圖3B，其示出操作系統(tǒng)300的一個(gè)例子。在此例子中，通過氣體控制系統(tǒng)提供通過開孔110的氣體噴射320。通過加熱器(未示出)提供熱流328通過熔體112。氣體噴射320在致冷塊106與熔體112的暴露面114之間形成氣體渦流326。氣體渦流326可被使用以快速地自暴露面114散熱，使峰值散熱速率超過100W/cm²。此外，氣體噴射320可通過橫向排氣324沿平行于X-Z平面的方向行進(jìn)以及通過內(nèi)排氣322而耗盡，其中行進(jìn)通過如所示的一對(duì)通道的內(nèi)部排氣通道304。如下關(guān)于圖示描述，在各種實(shí)施例中，例如在熔體112的暴露面114的表面上的氣流的動(dòng)力可通過控制氣體流速控制，自熔體表面分離結(jié)晶器，以及氣體沖擊表面上后耗盡，在其他因素中。此氣流的控制可被使用以調(diào)節(jié)處理區(qū)的寬度，處理區(qū)的熱快速的被移除，且調(diào)節(jié)峰值散熱速率，以及均勻的散熱。在圖3B中還示出當(dāng)晶種116沿平行Z軸的拉動(dòng)方向拉出結(jié)晶片330，其前端為靜止且位于緊鄰氣體渦流326。

圖4A為系統(tǒng)300的一部分的二維復(fù)合側(cè)視圖，其示出可在結(jié)晶器302內(nèi)形成的例子的二維模擬溫度圖以及氦氣流圖案。所示的結(jié)果是基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模型。在此模擬機(jī)殼350的組件為熱的，以使暴露面114與外殼312之間的溫度1600K為以上。然而，致冷塊106以及噴嘴104為保持在溫度少于400K。氣體噴射在100米/秒(m/s)的速度被指向通過噴嘴104，且噴嘴104位于距離h₂，其等于熔體(未示出)的暴露面114上的1mm。此外，噴嘴沿拉動(dòng)方向120的開孔長度d2為0.1mm。如所示強(qiáng)烈的氣體渦流，如氣體渦流402，一方面是形成在暴露面114之間，另一方面是形成在致冷塊106與噴嘴104之間。這表示介于暴露面114以及結(jié)晶器302之間的熱對(duì)流的熱傳的大的速率。此外，排出氣體404被指向通過內(nèi)部排氣通道304。在此組條件下，散熱速率也被例如沿拉動(dòng)方向120的位置的函數(shù)(參照?qǐng)D3A)模擬，其指示例如參數(shù)d。這種模擬的結(jié)果被繪制在圖4B，其中例如以d對(duì)四個(gè)不同的h₂值的函數(shù)描述散熱速率(q″)，包含圖4A中h₂等于1mm的例子。在圖4B的例子中，氣流速率為對(duì)開孔110沿平行X軸方向的各厘米寬度(w₁)、每分鐘6升，如圖1D中所示。如此，對(duì)4厘米寬的開孔的氣流為每分鐘24升(L/m)。

如示于圖4B中的結(jié)果，散熱速率在d等于0毫米具有最大值，其位置為直接在噴嘴104的開孔下。在距離大于2毫米左右，散熱速率接近20W/cm²的范圍中的背景水平，其對(duì)應(yīng)于處理區(qū)外的來自于暴露面114的散熱速率。在如圖3A中所示的噴嘴104以及致冷塊106的對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，散熱速率可因應(yīng)在相對(duì)于零的負(fù)的距離d中相似的樣子而減少。如圖4B中所示，在散熱速率的頂峰處的值依h₂的減少而快速增加。以h₂等于2mm為例，在曲線410中所示，當(dāng)h₂等于0.25mm，則峰值為540W/cm²，在曲線416中所示，則峰值為1480W/cm²。當(dāng)對(duì)于h₂等于0.5毫米的曲線414存在的峰值為1200W/cm²，對(duì)于h₂等于1.0mm的曲線412存在的峰值為840W/cm²。此外，假設(shè)曲線410、曲線412、曲線414以及曲線416的各曲線代表對(duì)稱的峰的一半，半高寬在h₂等于2毫米處自1.2mm(2倍的0.6毫米)減少為在h₂等于0.25mm處至0.3mm(2倍的0.15mm)。另一個(gè)關(guān)注的可為散熱的處理區(qū)的尺寸dz，其中散熱的速率超過一個(gè)確定的值或閥值。舉例而言，其可方便的定義處理區(qū)為其中散熱速率超過100W/cm²的區(qū)域。如前所述，為了形成具有適當(dāng)?shù)?111)晶面的高品質(zhì)的硅片材，在片材的成長界面的高的散熱速率為必需的。使用此散熱速率大于100W/cm²的度量標(biāo)準(zhǔn)，dz的值在h₂等于2mm處自3mm(2倍的1.5mm)減少為在h₂等于0.25mm處為1.2mm(2倍的0.6mm)。如圖4A中所示，在h₂等于1mm，dz的值為2.5mm(兩倍的1.25mm)。因此，調(diào)節(jié)熔體的表面上噴嘴的高度強(qiáng)烈影響自表面的峰值散熱速率以及處理區(qū)的尺寸(沿拉動(dòng)方向或拉動(dòng)方向120)，處理區(qū)代表自表面的散熱超過閥值的區(qū)域。

氣體噴射供應(yīng)至自身的熔體的表面中可自表面產(chǎn)生大幅度的散熱。然而，本實(shí)施例通過將致冷塊相鄰噴嘴設(shè)置因此散熱速率較單獨(dú)提供一個(gè)氣體噴射的散熱速率增加。致冷塊充當(dāng)熱的有效的散熱器是對(duì)流從熔體表面清除。致冷塊對(duì)自熔體表面的對(duì)流散熱充當(dāng)有效的熱沉(heat sink)。圖5A為二維復(fù)合側(cè)視圖，其中示出示例性的二維模擬溫度圖以及當(dāng)致冷塊502被保持在熔體的表面504上3mm的距離h₁形成的氦氣體流動(dòng)模式。在此模擬中，當(dāng)表面504溫度為在1680K的范圍中，致冷塊502被保持在300K溫度的范圍中。在d等于0毫米處通過具有開孔長度d₂等于0.2mm的開孔提供的室溫的氦氣體噴射的流速為30m/s。如所示，產(chǎn)生強(qiáng)烈漩渦506，其如指示通過對(duì)d小于0.2mm處的溫度的快速減少，有效地自表面504移除熱。

圖5B為二維復(fù)合側(cè)視圖，其中示出示例性的二維模擬溫度圖以及相同于圖5A的狀態(tài)下形成的氣體流動(dòng)模式，不同之處在于致冷塊502被保持在1600K的溫度范圍中。換句話說，圖5B的模擬代表一種狀態(tài)，其中沒有致冷塊相鄰的噴嘴，且由來自于噴嘴的冷氣流形成冷卻。如所示，形成強(qiáng)烈漩渦508；然而，漩渦溫度比圖5A的情況保持較高，例如介于1000K以及1400K之間，且自表面504的散熱較少。

根據(jù)在圖5A以及圖5B中所示的該組條件，散熱速率如也被以沿拉動(dòng)方向120(參照?qǐng)D3A)的被指示為參數(shù)d的位置的函數(shù)計(jì)算。這種模擬的結(jié)果被繪制在圖5C，其描述當(dāng)致冷塊502被保持在300K(曲線510)以及在1600K(曲線512)，作為d的函數(shù)的對(duì)流散熱速率。如圖5C中所示，對(duì)于圖5A的致冷塊502被保持在300K的情況下的對(duì)流散熱的峰值為165W/cm²，對(duì)于圖5B的致冷塊502被保持在1600K情況下的對(duì)流散熱的峰值為86W/cm²。按照上述的例子，若期望散熱速率超過100W/cm²，其可看出當(dāng)致冷塊502被保持在1600K時(shí)不滿足此散熱速率。然而，當(dāng)致冷塊502被設(shè)定在300K，d等于1.8mm(等于兩倍的0.9mm)的處理區(qū)被創(chuàng)造。

執(zhí)行更多的模擬，以確定無論氦氣是否被局部地排出至致冷塊，對(duì)于散熱的量都不會(huì)有很大的程度的影響，例如在圖3中所示的內(nèi)部排氣通道304。此外，雖然在上文公開實(shí)施方式可適用于對(duì)稱結(jié)晶器，其中氣體噴射被指向相對(duì)于熔體的表面垂直入射，在其他實(shí)施例中，氣體噴射可以非零角度被提供在相對(duì)于垂直于熔體的表面。在此情況下，可獲得相對(duì)于噴嘴的位置不對(duì)稱的散熱的分布。再者，在一些實(shí)施例中，各內(nèi)部排氣通道304可獨(dú)立工作，以使不對(duì)稱的散熱的分布可在一個(gè)內(nèi)部排氣通道304產(chǎn)生排出相對(duì)于另一個(gè)內(nèi)部排氣通道304較大量的氣體。

如前所述，不同的實(shí)施例提供了具有相鄰致冷塊的內(nèi)部排氣通道的結(jié)晶片。此特征有利于提供自片材沿垂直于拉動(dòng)方向的方向的結(jié)晶前緣更均勻的散熱。圖6A描述熔體600的表面的俯視圖，以及當(dāng)氦氣被指向朝熔體(進(jìn)入頁面)通過噴嘴(未具體示出)的開孔110時(shí)的氣流圖案。如所示，開孔110在X-Z平面具有細(xì)長縫隙的剖面形狀。示例性的開孔110的尺寸可為沿Z軸0.1毫米至0.3毫米，以及沿X軸20毫米至200毫米。可于熔體600上設(shè)置加熱機(jī)殼，該熔體600具有圍繞開孔110而定義的矩形冷卻區(qū)的開口。在圖6A的例子中，靠近開孔110沒有提供內(nèi)部排氣通道用以排出局部的氦氣。

可以看出在開孔110的中間區(qū)域M，氣流等值線602大多是垂直于X軸，也就是，開孔110的長方向。然而，繼續(xù)向外朝開孔110的兩端E，氣流等值線602的外形為曲線，且非垂直于開孔110的長方向，即使是在緊鄰開孔110的區(qū)域，例如區(qū)域608。再者，氣流等值線602的組裝模式可表示相鄰開孔110的散熱均勻性。如此，在中間區(qū)域M的散熱，其氣流等值線602是垂直于X軸，其不同于在區(qū)域608的散熱，其氣流等值線602具有“U”形。此氣流模式可由加熱機(jī)殼產(chǎn)生的流動(dòng)圖案所導(dǎo)致，其變化取決于沿開孔110的位置的三維作用。因此，在接近兩端E的區(qū)域相較在中間區(qū)域M有較少的阻抗以使氦氣向外流動(dòng)。當(dāng)平行X軸前進(jìn)，圖6A的安排可因此于相鄰開孔110產(chǎn)生可變的散熱速率。因?yàn)樗纬傻钠牡那岸私Y(jié)晶平行X軸，其可預(yù)期結(jié)晶化可以沿前緣以一個(gè)非均勻的方式發(fā)生，使片材具有少于期望的均勻性。

圖6B也描述熔體600的表面的俯視圖，以及當(dāng)氦氣通過噴嘴的開孔110被導(dǎo)引朝向熔體時(shí)的氣流圖案。然而，在圖6B的例子中，提供兩個(gè)內(nèi)部排氣通道612，其可以平行方式延伸至開孔110。在一個(gè)例子中，內(nèi)部排氣通道612可自開孔110沿Z軸被隔開3mm的距離。在圖6B的例子中，其可假定通過開孔110提供的氣體的90％通過內(nèi)部排氣通道612被排出，而10％的氣體例如沿如圖2B中所示的熔體600的表面被排出。內(nèi)部排氣通道612的存在，改變氣流等值線614的圖案，相比于氣流等值線602。雖然氣流等值線614例如在朝兩端E區(qū)域可表現(xiàn)出一些曲度，由排氣通道612所包圍的區(qū)域內(nèi)，沿開孔110的整個(gè)寬度w_a，各氣流等值線614垂直于開孔110的長軸方向，也就是X軸。如此，在內(nèi)部排氣通道612之間的區(qū)域的散熱速率可在沿介于端點(diǎn)E之間的開孔110的任何點(diǎn)均勻地相鄰開孔110。尤其，介于兩端E之間以及介于內(nèi)部排氣通道612之間的區(qū)域616代表最快速散熱的區(qū)域，其中致冷塊延伸緊鄰熔體600的表面。因此，散熱速率較高的處理區(qū)可落在區(qū)域616中。在此區(qū)域616外的氣流等值線614為曲線，散熱速率足夠低，使得沿X軸的任何變化可能不會(huì)對(duì)前緣結(jié)晶做出明顯的貢獻(xiàn)。因此，在圖6B的情況下形成的片材的結(jié)晶化沿整個(gè)寬度w_a是均勻的。

圖7描繪通過內(nèi)部排氣通道而排出的不同量的氣體為d的函數(shù)的散熱的效果的曲線圖。如可看到的變化，通過內(nèi)部排氣通道而排出的氣體自0％(回收再利用)至90％，峰值散熱速率僅減少2至3％。更有利的是，有90％的氣體被排出時(shí)，半高寬減少，以使散熱更集中在較低的d值，從而減少處理區(qū)的寬度。然而，應(yīng)該注意到的是可能需要排出自氣體噴射所傳送某部分的氣體，例如10％，沿熔體的表面的方向以清除任何污染，例如自系統(tǒng)的一氧化硅(SiO)或氬(Ar)。特別是清除一氧化硅污染物可防止在熔體內(nèi)形成導(dǎo)致自熔體中生長的結(jié)晶片的品質(zhì)低劣的一氧化硅顆粒。因此，在各種實(shí)施例中，內(nèi)部排氣通道可被設(shè)置以用于排出由氣體噴射提供的75％至95％之間的氣體。在一些實(shí)施例中，至少部分通過內(nèi)部排氣通道排出的氣體可被回收再利用。在一些實(shí)施例中，內(nèi)部排氣通道可被設(shè)置以用于回收再利用由氣體噴射提供的70％至90％的氣體。此可有助于降低材料成本，例如當(dāng)氣體噴射是由氦氣組成。

在各種另外的實(shí)施例，用以強(qiáng)烈散熱的處理區(qū)的寬度在片材拉動(dòng)期間可被改變。為了產(chǎn)生寬的單晶硅片，可使用窄的單晶種以起始結(jié)晶化，使得單晶硅片的初始寬度較所需的寬度窄。舉例而言，可能需要產(chǎn)生具有寬度為150mm的硅帶，以使產(chǎn)生具有相似寬度的基板。然而，在片材拉動(dòng)的初始階段，片材的初始寬度可以較少，例如20mm，其寬度可接著在后續(xù)的拉動(dòng)階段增加。因?yàn)殄e(cuò)位行進(jìn)到窄片的邊緣的距離可相對(duì)較小，這允許出于成長帶初始形成的錯(cuò)位回復(fù)正常。為了在拉晶期間加寬片材，處理區(qū)的寬度可逐漸增加。在本實(shí)施例中，此可通過增加提供氣體噴射至基板的區(qū)域的寬度實(shí)現(xiàn)。

噴嘴中氣體噴射的有效寬度可依不同方式來增加。圖8A以及圖8B分別示出噴嘴800的透視圖以及俯視圖，與本公開另一實(shí)施例相符。噴嘴800可如上所述部署于結(jié)晶器上，但為了說明清楚，沒有示出額外的組件，例如致冷塊。然而，可以被理解的是，舉例而言，致冷塊可如圖1A以及圖1B中所示環(huán)繞噴嘴800。噴嘴800沿橫向方向?yàn)榧?xì)長的，也就是平行于X軸，且包含延伸通過噴嘴的開孔804，以在熔體的表面810提供氣體噴射。如圖8A以及圖8B中所示，噴嘴800可包含復(fù)數(shù)個(gè)進(jìn)氣口802，其被布置以指示各別氣體噴射通過開孔804的頂部。當(dāng)在動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，復(fù)數(shù)個(gè)進(jìn)氣口802可被個(gè)別設(shè)置以用于傳送氣體至開孔以形成氣體噴射。舉例而言，在各種實(shí)施例中，例如氣體控制系統(tǒng)150(示于圖1A中)的控制器可個(gè)別控制氣體，以引導(dǎo)沿開孔提供的在任何進(jìn)氣口的組合。舉例而言，在做動(dòng)狀態(tài)時(shí)，進(jìn)氣口被設(shè)置以用于傳送氣體至開孔804，而在非做動(dòng)狀態(tài)下，進(jìn)氣口可能無法傳送氣體至開孔804。舉例而言，在氣體控制系統(tǒng)150中的控制器830可被設(shè)置以用于改變活動(dòng)進(jìn)氣口傳送氣體的數(shù)量，從而修改處理區(qū)沿長軸的寬度，以使處理區(qū)的寬度在拉動(dòng)結(jié)晶片的給定階段達(dá)到目標(biāo)寬度。

在另外的實(shí)施例中，通過內(nèi)部排氣通道排氣的排氣區(qū)的寬度可被調(diào)節(jié)。舉例而言，可沿內(nèi)部排氣通道提供復(fù)數(shù)個(gè)排氣口，其中排氣口在做動(dòng)狀態(tài)排出氣體。在一些實(shí)施例中，排氣通道的排氣區(qū)的寬度可通過控制器調(diào)節(jié)，其和調(diào)節(jié)處理區(qū)的寬度一致，通過在做動(dòng)狀態(tài)時(shí)個(gè)別調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的數(shù)量來完成。特別是，控制器830可被提供以個(gè)別調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的數(shù)量，主動(dòng)接收氣體從而調(diào)節(jié)處理區(qū)沿橫向方向的寬度，以達(dá)到處理區(qū)的目標(biāo)寬度。同時(shí)，控制器830可一致調(diào)節(jié)處于活性狀態(tài)中的至少一個(gè)排氣通道的排氣口的數(shù)量，以符合目標(biāo)寬度。舉例而言，在一個(gè)實(shí)施方式中，寬度w₂可等于3.5mm，且進(jìn)氣口802的數(shù)量可如圖所示等于七。在拉晶的早期階段，兩個(gè)進(jìn)氣口802以5mm的間隔彼此分開做動(dòng)，而其他進(jìn)氣口802不做動(dòng)，以使在部分的噴嘴開孔中產(chǎn)生沿橫向方向?qū)挾葹橐焕迕椎奶幚韰^(qū)。同時(shí)，以5mm的間隔彼此分開的內(nèi)部排氣通道(未示出)中的兩個(gè)對(duì)應(yīng)排氣口可被使用以創(chuàng)造具有一厘米的排氣寬度的排氣區(qū)。在后期階段，做動(dòng)的進(jìn)氣口802的數(shù)量可增加至七，而做動(dòng)的排氣口的數(shù)量可也增加至七，因此處理區(qū)例如加寬至30mm，而加寬的排氣區(qū)符合處理區(qū)的寬度。

請(qǐng)參考圖9，其中以位置(w)的函數(shù)示出當(dāng)沿開孔提供的氣體噴射的數(shù)量發(fā)生變化，熔體表面的散熱速率的模擬結(jié)果。在圖9中的模擬，可以假定至少六個(gè)沿寬度(w)隔開相等間隔的進(jìn)氣口，其中寬度(w)對(duì)應(yīng)于平行圖中X軸方向。曲線902示出當(dāng)氣體噴射被導(dǎo)引通過單一的，第一，放置在w等于0mm的位置以被使用于供給氣體至表面的進(jìn)氣口時(shí)的散熱。對(duì)于實(shí)驗(yàn)氣體噴射流動(dòng)情況進(jìn)行的模擬，散熱的最大值幾乎是120W/cm²且發(fā)生在W＝0處，而在w＝6mm處，散熱下降低于100W/cm²。曲線904示出除了第一進(jìn)氣口之外的散熱，氣體噴射被導(dǎo)向通過放置相鄰第一進(jìn)氣口的第二進(jìn)氣口。在這種情況下，散熱的最大值為135W/cm²且發(fā)生在w＝0處，而在w＝13mm處，散熱下降低于100W/cm²。曲線906示出當(dāng)除了第一進(jìn)氣口與第二進(jìn)氣口之外的散熱，氣體噴射被導(dǎo)向通過相鄰第二進(jìn)氣口設(shè)置的第三進(jìn)氣口。在這種情況下，散熱的最大值為140W/cm²且發(fā)生在w＝0處，而直到w＝20mm，散熱不下降低于100W/cm²。曲線908示出當(dāng)除了第一進(jìn)氣口至第三進(jìn)氣口之外的散熱，且氣體噴射被導(dǎo)向通過相鄰第三進(jìn)氣口設(shè)置的第四進(jìn)氣口。在這種情況下，散熱的最大值仍為140W/cm²且發(fā)生在w＝0，而直至w＝27mm時(shí)，散熱不會(huì)下降低于100W/cm²。曲線910示出當(dāng)除了第一進(jìn)氣口至第四進(jìn)氣口之外的散熱，且氣體噴射被導(dǎo)向通過相鄰第四進(jìn)氣口設(shè)置的第五進(jìn)氣口。在這種情況下，散熱的最大值仍為140W/cm²且發(fā)生在w＝0處，而直至w＝33mm時(shí)，散熱不會(huì)下降低于100W/cm²。曲線912示出除了第一進(jìn)氣口至第五進(jìn)氣口之外的散熱，且氣體噴射被導(dǎo)向通過相鄰第五進(jìn)氣口設(shè)置的六進(jìn)氣口。在這種情況下，散熱的最大值仍為140W/cm²且發(fā)生在w＝0，而直至w＝42mm時(shí)，散熱不會(huì)下降低于100W/cm²。此外，散熱速率不會(huì)變化直至w＝33mm。如此，散熱速率超過給定的閥值的區(qū)域的寬度可通過導(dǎo)引氣體噴射通過沿著開孔設(shè)置的進(jìn)氣口的數(shù)量的增加而方便地增加。隨著越多個(gè)進(jìn)氣口的使用以導(dǎo)引氣體朝向熔體的表面，均勻散熱的區(qū)域的寬度也均勻地增加。

使用如圖9、圖8C以及圖8D所示的結(jié)果描述在用于操作噴嘴800以形成寬晶片的情況下兩個(gè)不同實(shí)例。圖8C示出一片材成長的早期階段，其中氣體噴射814是由導(dǎo)引通過單一進(jìn)氣口的氣體組成，例如進(jìn)氣口802，其可以位于沿著開孔804的任何位置。氣體噴射814可根據(jù)噴嘴800的高度擴(kuò)散出去，如穿過開孔804。然而，當(dāng)氣體噴射814到達(dá)熔體的表面810，氣體噴射814仍可只在開孔804的寬度w₂的一部分形成高速的散熱，如圖8B中所示。此導(dǎo)致了處理區(qū)(未示出)的形成，其寬度w₃實(shí)質(zhì)上小于寬度w₂，也如在圖8B中所示。反過來說，當(dāng)結(jié)晶晶種816沿方向820被拉動(dòng)，所導(dǎo)致的片材寬度，結(jié)晶片818，也可接近寬度w₃。為了使結(jié)晶片818的寬度增加，處理區(qū)的寬度可通過在活性狀態(tài)配置較大量的進(jìn)氣口802而增加，以使氣體通過較大量的進(jìn)氣口80被導(dǎo)向進(jìn)入開孔804 2。這可以單調(diào)方式在一個(gè)例子中進(jìn)行，使得用于傳送氣體至噴嘴800的進(jìn)氣口的數(shù)量隨著時(shí)間單調(diào)地增加。在圖8D中所示一隨后的例子，各進(jìn)氣口802可被放置在做動(dòng)狀態(tài)，使得氣體被傳送通過各進(jìn)氣口802以形成一寬的氣體噴射，氣體噴射815，導(dǎo)致使用以形成結(jié)晶片818的較寬部822的較寬的處理區(qū)，也如于圖8B中所示具有寬度w₄。當(dāng)所有的進(jìn)氣口802在做動(dòng)狀態(tài)持續(xù)拉動(dòng)時(shí)，可導(dǎo)致具有需要的寬度的均勻?qū)挼木w，例如寬度w₄。

總而言之，本發(fā)明的實(shí)施例提供了多種優(yōu)于傳統(tǒng)裝置的自熔體生長的晶片。使用結(jié)晶器以提供氣體噴射以在熔體的表面以及致冷塊之間形成對(duì)流區(qū)，此有助于高速散熱，例如100W/cm²至1500W/cm²。雖然此前無意識(shí)到此高散熱速度生成條件能夠用以良好地生長單晶硅片，其中(111)晶面形成在生長片材的前緣。供應(yīng)相鄰致冷塊的內(nèi)部排氣通道也導(dǎo)致在熔體的表面上有更均勻的氣體流動(dòng)圖案，還導(dǎo)致橫跨成長片材的寬度較大均勻性的成長條件。此外，使用可分開控制的多個(gè)進(jìn)氣口以及排氣口以導(dǎo)引氣體噴射至熔體的表面，通過允許處理區(qū)的寬度在拉晶期間均勻地展開，以控制方式增加結(jié)晶片的寬度，有助于成長高品質(zhì)結(jié)晶片。

本發(fā)明的范疇并不限于本文描述的特定實(shí)施例。事實(shí)上，根據(jù)前述說明和附圖，除了本文描述的以外，本揭露內(nèi)容的各種其他實(shí)施例與修改方案對(duì)于所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員而言將會(huì)是顯而易見的。因此，本揭露內(nèi)容的范疇意圖涵蓋該些其他實(shí)施例與修改方案。此外，雖然本揭露內(nèi)容是在針對(duì)特定用途，在特定環(huán)境下的特定實(shí)施方式的脈絡(luò)下進(jìn)行描述，但是所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)了解，其用途不只限于此，本揭露內(nèi)容可以針對(duì)任意用途，在任意環(huán)境下有益地實(shí)施。因此，應(yīng)該根據(jù)本揭露內(nèi)容的完整廣度與精神，來理解本揭露內(nèi)容的標(biāo)的。