專利名稱：邊緣限定薄層供料生長法的設(shè)備所用濕尖導(dǎo)模的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與由熔體用邊緣限定薄層供料生長法(EFG)生長晶體的設(shè)備有關(guān)，具體有關(guān)這種設(shè)備的新穎導(dǎo)模。
在邊緣限定薄層供料生長技術(shù)(即EFG法)中，原料的液膜在晶種上生長成管形晶體，例如圓形或多邊形截面的空心晶體，利用毛細(xì)管作用，通過導(dǎo)模中的一個或多個毛細(xì)管，將原料從熔融硅的坩堝輸送到導(dǎo)模的端面或上端表面。晶體的形狀取決于導(dǎo)模最高表面或上端表面的外形或邊緣形狀。用EFG法生長的諸如九邊形或八邊形等的多邊形空心體，在其角部處分割成若干平坦的用于制造太陽能伏打電池的基質(zhì)。
在頒發(fā)給泰勒(Taylor)等人的美國專利第4，230，674號中敘述并解說的已知類型的EFG導(dǎo)模中，典型有一個上端面，至少一個與該上端表面相交的毛細(xì)管并和上端表面約以65°的角相交即與導(dǎo)模的垂直軸線約以25°的角相交的內(nèi)外側(cè)表面。
采用已知的EFG導(dǎo)模，至少因為兩個理由難以引發(fā)晶體成長即難以在晶體生長設(shè)備引晶。首先，晶體生長必須在一個相當(dāng)窄的導(dǎo)模溫度范圍內(nèi)即在“生長窗口”內(nèi)引發(fā)。其次，圍繞導(dǎo)模的周邊具有顯著的溫度變化的趨勢。在某種程度上上面討論的理由中的第一個理由會對上述的第二個理由產(chǎn)生影響。在低于生長窗口的溫度下，不能發(fā)生晶體生長，即晶種會在導(dǎo)模上凝結(jié)。在高于晶體可能生長的窄幅導(dǎo)模溫度的溫度下試圖生長晶體時，導(dǎo)模與晶種(或生長中的晶體)間的液膜會有斷裂的傾向，即晶種會從液膜斷開，其結(jié)果液態(tài)硅常濺射到膜內(nèi)和/或外表面，或溢出導(dǎo)模的內(nèi)和/或外表面。溢出的硅傾向于在導(dǎo)模的側(cè)表面上進行反應(yīng)而形成碳化硅沉積層。此外，在正常的晶體生長過程中，在導(dǎo)模的側(cè)表面上會形成少許碳化硅。這些碳化硅沉積層和導(dǎo)模側(cè)表面上所有的未反應(yīng)的液態(tài)硅一起有改變導(dǎo)模的導(dǎo)熱性和熱輻射性的趨向。這種導(dǎo)熱性和熱輻射性的變化，將造成熱耗率的局部變化，其結(jié)果使圍繞導(dǎo)模周邊的溫度不均勻。
制造導(dǎo)模所用的石墨難免的孔隙度、密度和/或?qū)щ娦缘鹊腻e綜復(fù)雜的變化對圍繞導(dǎo)模周邊的溫度對稱性有進一步不利的影響。石墨性能的這些變化產(chǎn)生熱流的局部變化，并造成溢流的硅在導(dǎo)模表面滲入深度的變化，溢出硅滲入導(dǎo)模的表面的深度則轉(zhuǎn)而影響導(dǎo)模的溫度。
圍繞導(dǎo)模周邊溫度對稱性的變化，使生長中的晶體的厚度發(fā)生局部的變化。這種厚度的變化，傾向于減少可由空心多邊形晶體制成的太陽能電池的數(shù)目，因為從晶體上切割的基質(zhì)越薄，越傾向于破碎。此外，由于厚度變化，從晶體上切削的基質(zhì)表面傾向于不平坦。這種不平坦性使太陽能電池的某種加工作業(yè)較難進行，諸如在基質(zhì)表面放置電極等。
如前已述，在已知的EFG晶體生長設(shè)備中，當(dāng)彎月面受破壞時，即當(dāng)固/液界面消失時，液態(tài)硅有溢出導(dǎo)模的趨勢，這種溢流可能在晶體生長設(shè)備鄰近導(dǎo)模的某些部分造成某種淹沒現(xiàn)象。如上所述這種熔融硅的淹沒造成溫度的不均勻性，當(dāng)過度淹沒時，可能通過一起熔融導(dǎo)模與生長設(shè)備附的鄰近的機械部件而破壞生長機構(gòu)，并可能污染坩堝中溶融的硅，不然可能造成晶體生長設(shè)備的損壞。
為避免生長彎月面受破壞或中斷，操作人員操作生長設(shè)備時必須要高度細(xì)心并集中精力。但是要求操作者在全部時間中都保持高度細(xì)心是難以辦到的，因而難免發(fā)生意外，結(jié)果由于不均勻的濕潤和災(zāi)難性的淹沒顯著地減短EFG導(dǎo)模的平均使用壽命。
在已知的EFG導(dǎo)模中，晶體生長時，在導(dǎo)模頂上的生長彎月面與坩堝中的大量熔體之間有很大的溫度或溫度梯度差異，而大量熔體的溫度比生長彎月面中的熔體的溫度高得很多。生長彎月面本身需要有大的溫度梯度，以保持晶體生長過程的穩(wěn)定性。在已知的EFG導(dǎo)模中，由于熱能連續(xù)地通過導(dǎo)模流入彎月面，及由于導(dǎo)模的高抗熱性，生長彎月面中的大的溫度梯度，造成在生長彎月面與坩堝中熔體之間的導(dǎo)模毛細(xì)管中有相似的大溫度梯度。
在坩堝中所要求的高溫度的一個不利效果，可能是有過量的坩堝材料熔解入熔體內(nèi)。當(dāng)熔體從坩堝經(jīng)導(dǎo)模毛細(xì)管上升到導(dǎo)模頂部時熔體溫度降低而變?yōu)檫^飽和，使得熔解并起反應(yīng)的坩堝材料在導(dǎo)模毛細(xì)管內(nèi)與導(dǎo)模尖部上沉積下來。這沉積物可能造成毛細(xì)管的堵塞，阻止熔體達到模頂，從而妨礙晶體進一步生長。沉積物還可能改變模頂及模頂邊緣形狀，從而不利地改變在模中生長的晶體的形狀。
本發(fā)明的一個目的，是提出一種EFG晶體生長系統(tǒng)的改進的坩堝/導(dǎo)模組合件，其特征在于不因(1)導(dǎo)模與生長中的晶體間的液膜斷裂及在導(dǎo)模表面熔融硅的總溢出量、或(2)晶體生長設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的結(jié)果而使導(dǎo)模的周邊溫度分布有很大變化。
本發(fā)明的另一目的，是提高導(dǎo)模溫度變化的耐受性而不致使(1)晶體凝結(jié)在導(dǎo)模上及出現(xiàn)(2)晶體“空隙”即出現(xiàn)晶體從與導(dǎo)模連接的液膜斷裂的現(xiàn)象。
本發(fā)明還有一個目的，是提出用于EFG晶體生長設(shè)備的一種坩堝/導(dǎo)模，其設(shè)計可在導(dǎo)模與生長晶體之間的彎月面斷裂時，防止被釋放的熔融硅淹沒導(dǎo)模附近的設(shè)備區(qū)域。
本發(fā)明的又一目的，是提出一種易于引晶的EFG晶體生長設(shè)備。
本發(fā)明的另一目的，是提出一種EFG晶體生長設(shè)備，該設(shè)備具有一個坩堝導(dǎo)模，該坩堝導(dǎo)模則為取得上述各目的而設(shè)計。
本發(fā)明還有一個目的，是降低導(dǎo)模頂與坩堝中熔體之間的溫差，并降低導(dǎo)模毛細(xì)管中熔體的溫度梯度，以便降低熔體的過飽和程度，從而減少熔解的并反應(yīng)坩堝材料在毛細(xì)管內(nèi)與導(dǎo)模頂上的沉積作用。
本發(fā)明的另一目的，是提出一種用熔池中的熔體生長管形晶體新的改良方法。
本發(fā)明上述及其他目的通過提出一種用EFG方法生長管形晶體的設(shè)備來實現(xiàn)，該設(shè)備有上個新型的EFG導(dǎo)模和一個具有側(cè)壁及底壁而形成容納熔融硅供料的空間(熔體貯器)的坩堝。導(dǎo)模有直立的多邊形截面的尖部，該尖部有頂端面和與導(dǎo)模頂端面相交的內(nèi)、外側(cè)表面。導(dǎo)模尖部有一個或多個輸送毛細(xì)管，即毛細(xì)管尺寸級的管道，其特點為各有一個上端終止于導(dǎo)模的上端表面，一個下端與坩堝中的熔體相連通。導(dǎo)模還有同心的第一及第二(內(nèi)、外)環(huán)形溝。內(nèi)溝與導(dǎo)模尖部的內(nèi)側(cè)表面相鄰，設(shè)計為容納一定量的與導(dǎo)模尖部內(nèi)側(cè)表面接觸的熔融硅。外溝與導(dǎo)模尖部的外側(cè)表面相鄰，設(shè)計為容納一定量與模尖外側(cè)表面接觸的熔融硅。通過一個或多個具有毛細(xì)管尺寸級的通道，內(nèi)、外溝與坩堝中的熔體相連通。作為可供選擇的措施可提供以一個與第二(外)溝成圍繞關(guān)系的第三溝道。導(dǎo)模設(shè)計使導(dǎo)模的總高度相當(dāng)小(與已知的先有導(dǎo)模比較)，從而使導(dǎo)模尖部的溫度與坩堝中熔體的溫度間的差異較小。
熔融硅由毛強管作用引導(dǎo)從坩堝通過毛細(xì)管輸送到導(dǎo)模尖部的上端表面。熔融硅由毛細(xì)管作用引導(dǎo)從坩堝通過毛細(xì)管道輸送到內(nèi)、外溝中。然后，內(nèi)、外溝中的熔融硅由表面張力將其分別沿導(dǎo)模內(nèi)、外表面向上拉。形成實質(zhì)上作為整體覆蓋那些表面的彎月面。這些“溝”的彎月面恰在其定形角緣的下方粘附在導(dǎo)模尖部的側(cè)邊上，而分別生長彎月面粘附在導(dǎo)模尖部的上端表面邊緣上。當(dāng)發(fā)生生長彎月面斷裂時，或液態(tài)硅相對于導(dǎo)模外溢或內(nèi)溢，此時將發(fā)生液態(tài)硅截獲在內(nèi)、外溝內(nèi)，由此內(nèi)、外溝該液態(tài)硅將反回到坩堝的熔體中，而截獲在第三徑向外溝中的液態(tài)硅則保留在其中。
本發(fā)明的其他特點及優(yōu)點，將敘述在本發(fā)明的說明及文后權(quán)利要求書中并由該文件清晰說明。
為更加了解本發(fā)明的性質(zhì)及目的，參閱下文結(jié)合附圖詳細(xì)敘述，其中

圖1為傳統(tǒng)EFG晶體生長爐設(shè)備局部剖面前視圖，該圖示出如何使用本發(fā)明的坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模組合件;
圖2為先有技術(shù)之坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模件的剖視圖;
圖3為結(jié)合本發(fā)明的坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模件分解剖視示意圖;
圖4為圖1，3及5至7所示坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模件的俯視圖;
圖5為沿圖4中5-5線截取的剖視圖;
圖6為沿圖4中6-6線截取的放大剖視圖;
圖7為沿圖4中7-7線截取的放大剖視圖，結(jié)合導(dǎo)模示出生長中的晶體、生長狀態(tài)及溝彎月面。
在各圖中，用相同號碼表示相同元件。
圖1及3至7示出本發(fā)明的一個理想實施方案，其中有坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模裝置。圖1示出安裝在EFG晶體生長設(shè)備20中的按本發(fā)明制造的坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模件18。該設(shè)備與頒發(fā)給斯多爾蒙特(Stormont)等人的美國專利第4，544，528號中所示的生長設(shè)備相似。坩堝一毛細(xì)管導(dǎo)模件18設(shè)計成在全部生長過程中，保持導(dǎo)模尖部外表面濕潤。
作為技術(shù)背景，設(shè)備20有一個用總號22標(biāo)志的熔爐罩殼，其中放置坩堝/導(dǎo)模件18，和內(nèi)、外空心后加熱器26及28。坩堝/導(dǎo)模件有一個坩堝24，其形狀為一個上端敞口的空心矮短正棱柱體或正圓柱體，放置在熔爐罩殼22內(nèi)的中心位置上。坩堝24有一個直立的側(cè)壁25和底壁27，形成容納熔體29的空間。最好毛細(xì)管導(dǎo)模19與側(cè)壁25的上端一體形成并附裝在該上端上。
內(nèi)后加熱器26為空心體，形成一個內(nèi)空間30。最好內(nèi)后加熱器26為有圓形或多邊形橫截面構(gòu)形的管形件。內(nèi)后加熱器26有側(cè)壁31與上端壁32。內(nèi)后加熱器26的下端開敞，從而內(nèi)后加熱器26的內(nèi)部30與坩堝24的內(nèi)部相連通。
坩堝24還另有一個中心孔36的中心轂35。轂35與坩堝底壁27一體連接，并從該底壁向上延伸。轂35延伸超出側(cè)壁25以便伸出坩堝中熔體的上面。一般沒來，有一根空心導(dǎo)管37(圖1)與轂35連接。導(dǎo)管37與適當(dāng)?shù)娜垠w補給系統(tǒng)38連接，補給系統(tǒng)38用于通過轂35中的孔36將硅料的固體顆粒輸送入坩堝上方的區(qū)域內(nèi)，該硅顆粒從該區(qū)域落入熔體29中。舉例而言，不構(gòu)成本發(fā)明的部分的硅熔體補給系統(tǒng)38可采用頒發(fā)給辛克(Sink)等人的美國專利第4，661，324號中敘述的碎片推送器的形式。
設(shè)備20還另有示于圖中晶種組合件40。晶種組合件40放置在熔爐罩殼22中，該組合件包括晶種支持器42和晶種44。晶種組合件40與一個提拉機構(gòu)連接，用于使晶種支持器42在軸向上靠擾或離開導(dǎo)模18。
設(shè)備20還有一個熱感受器47和一個在坩堝24附近圍繞熔爐罩殼22的加熱線圈48。熱感受器47為一個矮短體，直接放在坩堝/導(dǎo)模件18的下方，作其支承。雖然圖中表示，但應(yīng)理解有一個支架安裝在熔爐轂22內(nèi)，該支架起著熱感受器47與坩堝/導(dǎo)模件18的支承件的作用。熱感受器47用石墨或其他的適當(dāng)材料制造，通過感受加熱線圈48產(chǎn)生的電磁能而被加熱。熱感受器47將熱傳送到坩堝24，使坩堝中的硅維持在熔融狀態(tài)。
如從圖2可見，過去在EFG生長設(shè)備中使用的傳統(tǒng)一體坩堝/毛細(xì)管導(dǎo)模組合件類型，該組合件有一個有上端表面52的導(dǎo)模尖部50，空心晶體54從上端表面52上生長。導(dǎo)模尖部50與坩堝24的側(cè)壁25的上端一體形成。導(dǎo)模尖部50有內(nèi)部、外部外側(cè)表面56及58，從上端表面52逐漸向下斜，相對于晶體54生長軸線形成銳角(最好約不超過30°)。導(dǎo)模表面52通過一條垂直毛細(xì)槽60與坩堝24中的熔體28連通，槽60從導(dǎo)模上端表面向下延伸到與坩堝內(nèi)部連通的腔62。
現(xiàn)參看廣義地限定本發(fā)明的圖3至7，本發(fā)明包括EFG毛細(xì)管導(dǎo)模19，該導(dǎo)模設(shè)計成在整個生長過程中使導(dǎo)模尖部的外表面有液態(tài)硅覆蓋。圖3簡示的導(dǎo)模，在圖4至7中更詳細(xì)地示出該導(dǎo)模的細(xì)節(jié)，該導(dǎo)模有一個與側(cè)壁25的上端一體形成的直立的導(dǎo)模尖部100。該導(dǎo)模尖部100有多邊形例如八邊形或九邊形的截面，雖然該截面也可以是圓形或直線形或其他構(gòu)形。更具體而言，導(dǎo)模尖部100的內(nèi)、外表面可各有多邊形例如八邊形或九邊形的截面構(gòu)形。從圖3可清楚地看到導(dǎo)模尖部100有上端表面102，最好為平坦表面并平行于坩堝24中熔體表面伸展，有一個多邊形構(gòu)形的內(nèi)部外側(cè)表面104和一個相似多邊形構(gòu)形的外部外側(cè)表面106。因此，如從圖4可見，側(cè)表面104實際為八面形的表面部分104a-104h。外側(cè)表面106也有與表面部104a-104h對應(yīng)的八面形的表面部分。外側(cè)表面104及106垂直于上端表面102伸展并與之相交。導(dǎo)模尖部100還有一個中央槽108，該槽具毛細(xì)尺寸級的寬度，即徑向線度，舉例該寬度在約0.01英寸至約0.19英范圍內(nèi)，取決于材料和環(huán)境條件而定。
如下文結(jié)合示于圖4至7中本發(fā)明的優(yōu)先實施例的較詳細(xì)的敘述，坩堝/導(dǎo)模件18構(gòu)造成有兩條位于導(dǎo)模尖部相對兩側(cè)的側(cè)壁25的上端上的溝114及116。溝114及116一部分分別由外側(cè)表面104及106定界。提供以圖4至7中所示的裝置以將液態(tài)硅從坩堝24中引導(dǎo)到毛細(xì)槽108的底部、并送入溝114及116中。由于毛細(xì)作用液態(tài)硅在槽108中上升到上端表面102，由表面張力的作用，將其沿外側(cè)表面104及106拉入溝114及116內(nèi)。由于表面張力的作用，在外側(cè)表面104及106上形成內(nèi)、外溝彎月面115和117。在晶體生長過程中這些彎月面被保持，從而在晶體生長的整個過程中保持導(dǎo)模尖部100的內(nèi)、外側(cè)表面104及106濕潤。下文中將詳細(xì)敘述溝彎月面115及117的形成。參看圖3，在引發(fā)EFG晶體生長的過程中，在上端表面102與生長晶體112底部間形成具有內(nèi)、外生長彎月面110A及110B為特征的生長膜110。
為保證可通過槽108將液態(tài)硅引導(dǎo)到上端表面102，并可利用表面張力將其提升到外側(cè)表面104及106的上端緣，將坩堝24中的熔體的水平面高度保持在正確范圍內(nèi)是件很重要的事。假如熔體的水平面高度太低，則溝彎月面115及117不能形成，或不能升到外側(cè)表面104及106的上緣。假如坩堝中熔體的水平面高度太高，則溝彎月面115及117可能變?yōu)樯L彎月面110A及110B的延續(xù)，因而淹沒導(dǎo)模尖部100的上端表面102，使晶體生長不再成為“邊緣限定”，即生長晶體的形狀不再取決于上端表面102的內(nèi)、外緣的構(gòu)形。
在這方面，參看圖3，經(jīng)測定，為防止使溝彎月面115及117變?yōu)樯L彎月面110A及110B的延續(xù)，必須使溝彎月面115的、濕潤角A(圖3)生長彎月面110A的濕潤角B(圖3)與外側(cè)表面104及上端表面102間的角C(圖3)的和總是小于180°。彎月面117及110B的濕潤角及角C的和也應(yīng)有相同的要求。
應(yīng)理解到上端表面102為平坦或角C為90°(雖然附圖的理想實施例要求如此)。但是角C限制為角A+B+C小于180°，而角A及B分別大于或等熔體在導(dǎo)模材料上的平衡接觸角(液態(tài)硅在石墨上的平衡接觸角為30°)。
溝114及116的寬度，上端端面102超出坩堝24中熔體表面的高度，上端表面102的寬度和熔體在坩堝24中水平面高度都可變化，唯一限制為保持角A+B+C＜180°。
實施本發(fā)明時，可采用各種熔體補給系統(tǒng)，只要該系統(tǒng)是可控制的，以便在一定范圍內(nèi)保持坩堝24中熔體的水平面高度，使彎月面附著角符合上面討論的公式。一種適當(dāng)?shù)娜垠w補給系統(tǒng)為美國專利4，661，324中所述的那一種。
在引發(fā)晶體生長前，保持坩堝24中的熔體的水平面高度使得液態(tài)硅可因毛細(xì)管作用而被引導(dǎo)到槽108的上端，并形成溝彎月面115及117，從而分別將導(dǎo)模尖部100的外側(cè)表面104及106濕潤，如圖3所示。
參看圖1及3，通過降低晶種支持器42直至晶種44與導(dǎo)模尖部100的上端表面102接觸，并開始熔融，從而晶引發(fā)晶體的生長。保持晶種靜止直至形成熔融的液態(tài)硅與槽108中的熔體連接。然后，將晶種44向上提拉，離開上端表面102以便在晶種與上端表面之間形成有內(nèi)、外生長彎月面110A及110B的生長膜110。當(dāng)把晶種提拉離開上端表面102時，生長膜110的最接近晶種的部分便結(jié)晶。當(dāng)將晶種向上提拉更加遠(yuǎn)離導(dǎo)模時，新熔融的硅由毛細(xì)管作用被提拉上升到中央槽108，以便補給生長膜110，生長膜中現(xiàn)的額外的熔融硅又結(jié)晶，將附在晶種上的結(jié)晶硅增大，從而形成空心長晶體112，截面構(gòu)形取決于上端表面102的邊緣構(gòu)形。
現(xiàn)參看圖4至7，本發(fā)明的優(yōu)先實施例中構(gòu)成一體的坩堝/導(dǎo)模件18，其導(dǎo)模19處在坩堝24側(cè)壁25上端面151(圖6)上并從該上端面向上延伸。如上文結(jié)合圖3所示導(dǎo)模19的示意圖一樣，本優(yōu)先實施例中的導(dǎo)模19有一個豎立的導(dǎo)模尖部100，導(dǎo)模尖部有上端表面102、內(nèi)部、外部外側(cè)表面104及106及中央毛細(xì)槽108。
坩堝/導(dǎo)模件還有一個內(nèi)溝114、一個外溝116和一個溢流溝170。內(nèi)溝114由側(cè)壁25上端面151上的槽152(圖6)形成，與外側(cè)表面104相鄰而與之有距離。最好內(nèi)溝114的形狀如俯視圖所示(見圖4)，與導(dǎo)模尖部100對應(yīng)。于是，舉例而言，如導(dǎo)模尖部100為九邊形的構(gòu)形，則內(nèi)溝114也有九邊形的構(gòu)形。
外溝116的構(gòu)形與內(nèi)溝114的溝形相似，例外之處為其位置與導(dǎo)模尖部100的外側(cè)表面106相鄰。溝116由側(cè)壁152上端面151上的槽155形成。外溝116的俯視圖構(gòu)形，也與導(dǎo)模尖部100的構(gòu)形對應(yīng)。
溢流溝170圍繞外溝116，但在徑向上與之有一距離。溝170由側(cè)壁25上端面上的一個空間157形成。最好溝170與溝116有一個距離，距離大小在約0.01英寸至0.25英寸范圍內(nèi)，并大約與外溝116一樣深。最好溝114、116及170有矩形截面，如于圖6中所見，但并非必須。溢流溝170的構(gòu)形，最好如俯視圖所示，也與導(dǎo)模尖部100的構(gòu)形對應(yīng)。
溝114與116的徑向線度或?qū)挾葘倜?xì)管尺寸級，而溝170的相應(yīng)尺寸，可為毛細(xì)管尺寸級或較大。
導(dǎo)模18也有在坩堝24的側(cè)壁25上形成的多個在圓周上相間隔的傾斜通道180。通道180最好與導(dǎo)模的水平軸線傾斜約30°(即與導(dǎo)模的垂直軸線或縱軸線傾斜約60°，但也并非必須。每一通道180有毛細(xì)尺寸級的截面，最好最大直徑約0.20英寸。通道180放置成使之與(1)槽152的底棱、(2)中央槽108、(3)槽155及(4)側(cè)壁25的內(nèi)表面159相交。其結(jié)果是，傾斜通道180將內(nèi)、外溝114及116和中央毛細(xì)槽108與坩堝24的內(nèi)部連通，從而使液態(tài)硅可從坩堝24由毛細(xì)管作用引導(dǎo)而進入內(nèi)、外溝及中央毛細(xì)槽，下文將對之進行討論。
為使本發(fā)明的運轉(zhuǎn)達到最佳程度，一件很重要的事是使導(dǎo)模尖部100的高度與寬度和毛細(xì)槽108的寬度限制在某一量度范圍內(nèi)。在這方面，圖4至7中所示的導(dǎo)模尖部100最好制造成(a)使得上端表面102的位置比圖2所示的傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模類型的上端表面的位置較接近坩堝24中的熔體表面，(b)使得在外側(cè)表面104與106之間測量的上端表面102的總寬度大于圖2所示的傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模的類型的上端表面的總寬度。
具體而言，最好導(dǎo)模尖部100制造成，使得導(dǎo)模上端表面102與溝114另一側(cè)的相應(yīng)上端面151A(或溝116上端的相應(yīng)上端面151B)的距離H，約在0.05英寸至0.09英寸范圍內(nèi)，最好為0.07英寸。當(dāng)然，上端表面102與坩堝中熔體29的表面間的距離，取決于坩堝24中熔體的水平面高度且稍大于距離H(圖6)，因為熔體一般不填加到坩堝的上緣。但是，在坩堝與溝114及116中容許的熔體水平面高度之上的上端表面102的高度不應(yīng)大于這樣的高度，該高度可使毛細(xì)槽108及溝中的熔體沿外側(cè)表面104及106直到上端表面102邊緣的毛細(xì)上升達到導(dǎo)模尖部的整個高度，作為舉例而非限制性，坩堝中熔體的水平面高度應(yīng)保持在0.15至0.56英寸范圍內(nèi)，最好在0.26至0.34英寸范圍內(nèi)。在表面104與106之間測量出的上端表面102寬度在0.02至0.20英寸范圍內(nèi)為好，寬度0.08英寸為最好。
在導(dǎo)模19的優(yōu)先實施例中，毛細(xì)槽108的寬度在0.01至0.19英寸范圍內(nèi)，以寬度約0.04英寸為好。
關(guān)于本發(fā)明優(yōu)先實施例中導(dǎo)模18的作業(yè)的下列敘述，假定在生長過程開始前、并且持續(xù)地在生長過程中，通過適當(dāng)補給熔體將坩堝中的液態(tài)硅的水平面高度保持在預(yù)定的限度內(nèi)。
一旦坩堝24中盛裝液態(tài)硅，便將液態(tài)硅以毛細(xì)管作用引導(dǎo)通過斜通道180進入內(nèi)溝114、導(dǎo)模尖部100中的中央毛細(xì)槽108和外溝116內(nèi)。在內(nèi)、外溝中注以液態(tài)硅直至達到液態(tài)硅與內(nèi)部外部及外側(cè)表面104及106接觸的水平面高度。
溝114及116中的液態(tài)硅因表面張力作用分別沿內(nèi)部及外部外側(cè)表面104及106上升，從而形成溝彎月面115及117(圖7)。液態(tài)硅在外側(cè)表面104及106上升起約達到外側(cè)表面104及106與上端表面102的交接處，而生長彎月面110A及110B則在導(dǎo)模尖部100的上端表面102邊緣和生長晶體之間伸展。
晶體生長過程的引發(fā)和維持基本與上文就本發(fā)明的一般敘述及圖3所示相同。當(dāng)將晶種提拉離開導(dǎo)模時，空心硅體在晶種上生長。晶體生長用的原料利用毛細(xì)管作用完全從液態(tài)硅中供給，通過槽108向上輸送到上端表面102。在生長作業(yè)中，上端表面102和外則表面104及106保持用液態(tài)硅濕潤。
偶爾，一般發(fā)生于生長過程的引發(fā)和結(jié)束階段，生長晶體例如由于導(dǎo)模溫過高或提拉速度過大可能與生長界面分離。由于這種分離，液態(tài)硅可能從導(dǎo)模尖部上溢出而進入內(nèi)、外溝114及116。在某些情況下，一些液態(tài)硅的溢出超過內(nèi)、外溝而進入坩堝24或溢流溝170。溢入內(nèi)、外溝114及116的液態(tài)硅不影響生長過程，因這些溝中已含有液態(tài)硅。一般，溢入溢流溝170中的液態(tài)硅留在該溝內(nèi)，生長過程完成后，隨導(dǎo)模一起處理。
從上文可見，已知的例如美國專利US4，544，528號專利所示的EFG導(dǎo)模，傾向于受到一些問題的損害。首先，在傳統(tǒng)的大尺寸EFG導(dǎo)模中，諸如在生長面寬4英長的八邊形和九邊形的導(dǎo)模中，有時難以引發(fā)或維持晶體的生長。其次，傾向于難以在圍繞其周邊生長厚度均勻的晶體。第三，結(jié)合晶體生長過程的引發(fā)和/或結(jié)束，并且在生長過程的其他時間，發(fā)生液態(tài)硅淹沒導(dǎo)模和晶體生長設(shè)備的其他相鄰部分的事情并不罕見。本發(fā)明的濕尖導(dǎo)模就是為減少或消滅這類問題而設(shè)計的。
更具體講，按本發(fā)明設(shè)計的導(dǎo)模，可在一個比傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模更寬的溫度范圍內(nèi)保證晶體生長順利引發(fā)及維持。用按本發(fā)明設(shè)計的導(dǎo)模，相對于上端表面102坩堝中熔體的水平面高度比傳統(tǒng)的EFG導(dǎo)模中熔體的水平面高度要高。此外，可使上端表面102比傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模的上端表面寬。由于導(dǎo)模尖部100構(gòu)形的這些變化，其生長彎月面110A及110B與傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模相關(guān)的生長彎月面相比傾向于高于后者。由于生長彎月面110A與110B較高，上端表面102與生長中的晶體底部的熔體/固體界面間的溫差大于傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模的相應(yīng)溫差。這種溫差的增大，可提高生長中的晶體承受圍繞導(dǎo)模周邊的溫度變化的能力而不致在導(dǎo)模上凝固或與彎月面分離。
現(xiàn)考慮本發(fā)明減少第二個問題的方式，導(dǎo)模18設(shè)計成使得在生長過程中溫度、表面特征和導(dǎo)模尖部100構(gòu)形邊緣比用傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模的真實情況保持得更為均勻。在本發(fā)明中，在全部生長過程中，內(nèi)部、外部外側(cè)表面104及106和導(dǎo)模尖部100的上端表面102由液態(tài)硅保持濕潤。在另一方面，在已知的EFG導(dǎo)模中，由于溢流或其他事故，導(dǎo)模尖部外表面的某些部分可能被液態(tài)硅所覆蓋，而導(dǎo)模的其余部分則干燥，即不被熔體接觸。由于液態(tài)硅的導(dǎo)熱性約為石墨的兩倍，而熱輻射性約為石墨的一半，因此，溢流的液態(tài)硅便在傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模尖部的外側(cè)表面上形成局部熱點。如此，圍繞傳統(tǒng)EFG模具的溫度便不均勻，其結(jié)果，用傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模生長的晶體，在圍繞晶體的周邊的壁厚也就不會均勻。這問題可用本發(fā)明加以避免，因為通過保持導(dǎo)模尖部100的全部外側(cè)表面濕潤，可避免由于分散的濕區(qū)和干區(qū)所造成的溫度變化。
此外，關(guān)于第二個問題，由于在晶體生長過程中，導(dǎo)模尖部100的全部外表面由熔融硅保持濕潤，在毛細(xì)槽108中和導(dǎo)模尖部外表面上形成的碳化硅大為減少，或至少使之較均勻，因大部分浸沒在熔體中從而為害較少。如眾所周知，碳化硅沉積層傾向于在已知的EFG導(dǎo)模尖部接觸液態(tài)硅的部分上發(fā)展。由于碳化硅與石墨有不同的導(dǎo)熱性和熱輻射性，已知EFG導(dǎo)模的導(dǎo)模尖部上的局部溫差是由碳化硅沉積層造成的。這些局部溫差造成從沉積了碳化硅的導(dǎo)模上生長的晶體的周邊厚度有變化。
除可影響導(dǎo)模的溫度分布外，碳化硅沉積層還可改變導(dǎo)模尖部的表面特征和/或上端表面的邊緣構(gòu)形。結(jié)果，沉積的碳化硅可能影響生長晶體的構(gòu)形。
由于碳化硅生長成多孔晶體結(jié)構(gòu)，實際上形成可提拉和支持來自導(dǎo)模尖部的可滲透的結(jié)構(gòu)，并以自生自存的方式堆積在毛細(xì)槽108中。碳化硅的堆積使導(dǎo)模的幾何形狀變化，造成晶體的厚度變化并可能阻止熔體流到生長膜110。
還是關(guān)于第二個問題，導(dǎo)模件18在已知的EFG導(dǎo)模包含例如石墨等固體結(jié)構(gòu)的區(qū)域處有開孔、通道和其他腔穴。在晶體生長過程中由于導(dǎo)模18的這些腔穴中含液態(tài)硅而非石墨，由于液態(tài)硅的導(dǎo)熱性比石墨大兩倍以上從而使熱傳導(dǎo)得到改進。此外，由于液態(tài)硅的性質(zhì)比石墨通為均勻，故在導(dǎo)模18中，圍繞導(dǎo)模尖部100周邊的溫度傾向于比傳統(tǒng)EFG導(dǎo)模更為均勻。
導(dǎo)模件18的設(shè)計使得確在發(fā)展的碳化硅沉積層可調(diào)節(jié)而在生長晶體的厚度中不造成相應(yīng)的局部變化，或在生長晶體的厚度中僅造成最小的局部變化。具體而言，由于毛細(xì)槽108和導(dǎo)模上端表面102相當(dāng)寬，故模頂?shù)钠教共靠衫鄯e相當(dāng)大量的碳化硅而不改變生長彎月面的形狀。
導(dǎo)模件18設(shè)計的另一方面導(dǎo)致圍繞毛細(xì)管導(dǎo)模19周邊的溫度的均勻性增高，本身也使生長的晶體壁厚更為均勻。由于毛細(xì)管導(dǎo)模19的高度可約為美國專利第4，230，674號中的已知EFG導(dǎo)模類型的高度的三分之一，而寬度幾乎為其寬度的兩倍，又因為濕導(dǎo)模尖部區(qū)中大部分含液態(tài)硅而非石墨，故導(dǎo)模尖部100的垂直方向的熱傳導(dǎo)明顯地提高。由于這種提高的結(jié)果，坩堝24中大量熔體和導(dǎo)模上端表面102之間的溫度降差減小。結(jié)果，坩堝24中的液態(tài)硅或與毛細(xì)管通道180接觸的液態(tài)硅的最高溫度減小。與先有技術(shù)的坩堝/導(dǎo)模組合件比較，由于通道180對導(dǎo)模尖部100傾斜，故與石墨坩堝接觸的熔體的最高溫度進一步減低，因此大致與導(dǎo)模溫度分布的等溫線平行。在傳統(tǒng)的EFG導(dǎo)模中，毛細(xì)管通道較垂直伸展，當(dāng)其向下伸入導(dǎo)模/坩堝件(坩堝的最下面的外側(cè)角棱)的最熱區(qū)域中時便越過較多的等溫線。由于經(jīng)過通道180輸送的液態(tài)硅平行通過等溫線，在那些通道中與石墨接觸的液態(tài)硅的最高溫度降低，其結(jié)果，坩堝的熔解和在毛細(xì)槽108中及導(dǎo)模上端表面102上沉降的溶解的坩堝材料減少。這本身又因減少雜質(zhì)的分離而傾向于提高生長晶體的均勻性。
應(yīng)當(dāng)看到通道180是通過從導(dǎo)模頂部向下鉆孔形成的。該通道是傾斜的并通過導(dǎo)模尖部和坩堝的側(cè)壁，與兩溝104及106和導(dǎo)模供料毛細(xì)槽108相交。通道180的傾斜性質(zhì)提供若干優(yōu)點。首先，如從上文可見，通道180可消除或防止熔體進入溫度相當(dāng)高的導(dǎo)模結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)，從而有助于碳化硅的形成。易言之，傾斜通道傾向于降低從坩堝流向?qū)Ｉ媳砻娴墓枞垠w所經(jīng)區(qū)域中的石墨/硅界面的最高溫度。
其次，通道180用以將熔體分配到兩個溢流溝114及116和毛細(xì)槽108。第三，由于有傾斜角度，在通道180中流向毛細(xì)槽108的熔體，經(jīng)歷比先有技術(shù)EFG導(dǎo)模更少的側(cè)向流動。第四，通道180和先有技術(shù)導(dǎo)模中從坩堝向?qū)Ｃ?xì)槽供給熔體的通道相比較易制造且廉宜。其結(jié)果，圍繞導(dǎo)模軸線大量設(shè)置互相鄰近的通道180，在經(jīng)濟上是可行而且是實際的。因此，通道180不僅可傾斜成更接近平行于導(dǎo)模中的等溫線，而且由于通道180的數(shù)目可相當(dāng)?shù)囟喽g距相當(dāng)窄，因此可減少熔體在毛細(xì)槽內(nèi)及導(dǎo)模頂?shù)臋M向流動的要求。熔體在導(dǎo)模中橫向流動減少，有利于減少雜質(zhì)的分離和沉降。
其結(jié)果，本發(fā)明的新穎的導(dǎo)模不僅可制造得較淺，而且更接近等溫。概括言之，由上列因素造成的坩堝與毛細(xì)管通道中液態(tài)硅溫度的降低，減少液態(tài)硅熔解石墨模中的碳的傾向。減少因與液態(tài)硅反應(yīng)而沉降碳的傾向，則使在導(dǎo)模尖部100上碳化硅的沉積減少。這種減少有很大的優(yōu)點，因如上所述，碳化硅沉積層造成溫差并改變導(dǎo)模尖部的形狀，導(dǎo)模尖部形狀的改變本身也造成從導(dǎo)模尖部上生長的晶體的厚度的變化。這種減少另有很大優(yōu)點，因為碳化硅沉積層可能堵塞傳統(tǒng)設(shè)計的導(dǎo)模件的毛細(xì)通道，從而阻止熔體向生長彎月面流動，因此限制了導(dǎo)模的使用壽命，而結(jié)合著本發(fā)明的導(dǎo)模則使用壽命可以長得多。
還可以將毛細(xì)管導(dǎo)模19設(shè)計成可克服上面的第三個問題，即，克服液態(tài)硅淹沒該導(dǎo)模及晶體生長設(shè)備的鄰近區(qū)域的問題。通過設(shè)置與導(dǎo)模尖部100相鄰的內(nèi)、外溝114及116，可將來自生長彎月面110的大部分液態(tài)硅的溢流體獲截在該溝中，將其再循環(huán)以作隨后的晶體生長之用。如發(fā)生相當(dāng)大量的溢流，則可將液態(tài)硅截獲在最外的溝170中。這樣已知EFG導(dǎo)模中與溢流的液態(tài)硅相關(guān)的各種問題可得以避免。
在上述裝置中可作某些變化和修改而不脫離本發(fā)明專利的范圍。因此，舉例而言，導(dǎo)模尖部100的上端面視待生長的晶體的形狀可有圓形、橢圓形、三角形、矩形或其他的構(gòu)形。此外，導(dǎo)模/坩堝組合件的不同部分的相對尺寸可以變化。還可將第三溝省略，因?qū)?dǎo)模的順利運作并非必須。但是，在發(fā)生溢流時有第三溝以截獲熔體為好，因這樣便可防止損壞生長區(qū)中的其他元件。坩堝/導(dǎo)模組合件的尺寸及設(shè)計也可變化而不脫離本發(fā)明的原理。因此，舉例而言，坩堝與EFG導(dǎo)?？芍瞥蓛蓚€獨立且相離異的部件，但可互相裝配以便形成具有與附圖中坩堝/導(dǎo)模裝置的同等功能的裝置。在這種替換的實施例中，通道180屬于獨立制成的導(dǎo)模的一部分。
對于熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，還有其他可能的修改，都是易于理解的，因此，上文所述及附圖所示的全部內(nèi)容，應(yīng)理解為解說性質(zhì)而無制約意義。
本文所用術(shù)語中，“管形”所指為空心長形體，其截面形狀為環(huán)形，最好有多邊形構(gòu)形，例如八邊形或九邊形，但可作為替換可為圓形或其化構(gòu)形。
權(quán)利要求
1.用EFG(邊緣限定薄層供料生長)方法，生長選定材料的管形晶體的設(shè)備，所述設(shè)備包含(a)坩堝，所述坩堝具有底壁與側(cè)壁，形成容納所述選定材料的液態(tài)供料的內(nèi)空間，(b)改進的毛細(xì)管導(dǎo)模，所述導(dǎo)模與所述側(cè)壁一體成形；所述導(dǎo)模有尖部裝置，用以支持液體/固體生長界面，并用以控制所述晶體的構(gòu)形，所述尖部裝置有一上端表面和與所述上端表面相交的內(nèi)部、外部外側(cè)表面；輸送裝置，用以(a)利用毛細(xì)管作用將所述選定材料以液體狀態(tài)從所述坩堝送至所述尖部裝置，從而在所述晶體的生長過程中，所述上端表面與所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面經(jīng)常由所述熔體濕潤。
2.如權(quán)利要求1所述之設(shè)備，其特征為所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面基本上垂直于所述上端表面的平面伸展。
3.如權(quán)利要求1所述之設(shè)備，其特征為所述輸送裝置至少有一個與所述上端表面相交的毛細(xì)管。
4.如權(quán)利要求1所述之設(shè)備，其特征在于所述設(shè)備有第一及第二溝裝置用以保持第一及第二熔體池與所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面接合。
5.如權(quán)利要求1所述之設(shè)備，其特征為所述輸送裝置包含第一溝裝置，與所述尖部裝置的所述內(nèi)部外側(cè)表面相鄰，用以容納所述熔體的第一池;第二溝裝置，與所述尖部裝置的所述外部外側(cè)表面相鄰，用以容納所述熔體的第二池;
6.如權(quán)利要求5所述之設(shè)備，其特征為所述輸送裝置包含在所述尖部裝置中與所述尖部裝置的所述上端表面相交的第一毛細(xì)通道，及用以將在液態(tài)下的所述選定材料從所述坩堝向所述第一毛細(xì)通道輸送的裝置。
7.如權(quán)利要求5所述之設(shè)備，其特征為所述輸送裝置另外包含第三溝裝置，設(shè)置在圍繞所述第二溝裝置并與之有間隔關(guān)系的位置上，用以容納從所述尖部裝置或所述第二溝裝置溢流出的熔體。
8.如權(quán)利要求1所述之設(shè)備，其特征為從在所述內(nèi)部和外部外表面與所述上端表面分別的相交點之間測量的所述上端表面的寬度，在0.02英寸至0.20英寸的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述之設(shè)備，其特征為所述輸送裝置包含一個用以將熔體輸送到所述上端表面的毛細(xì)槽;一個用以將所述坩堝內(nèi)部與所述毛細(xì)槽連通的傾斜通道。
10.用EFG(邊緣限定薄層供料生長)方法，生長選定材料的管形晶體的設(shè)備，所述設(shè)備包含坩堝，用以熔納所述選定材料的熔體;所述坩堝的加熱裝置;由所述熔體生長所述選定材料的管形晶體的生長裝置，所述生長裝置中有(1)晶種支持裝置，用以支承在其生長所述晶體的晶種，(2)提拉裝置，用以提拉所述管形晶體及所述晶種支持裝置離開所述坩堝;與所述坩堝一體成形的成形裝置，所述成形裝置包含用以支持在其上支持生長所述空心管形晶體的所述選定材料的膜、并用以確定所述晶體的截面構(gòu)形的尖部裝置，所述尖部裝置包含一個上端表面和與所述上表面相交的內(nèi)部、外部外側(cè)表面;毛細(xì)槽裝置，用以利用毛細(xì)管作用將在熔融狀態(tài)下的所述選定材料從所述坩堝向所述上端表面輸送;通道裝置，用以將在熔融狀態(tài)下的選定材料從所述坩堝輸送到所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面，從而在該晶體生長過程中，用所述選定材料濕潤所述內(nèi)部、外部外表面。
11.如權(quán)利要求10所述之設(shè)備，其特征為所述通道裝置有多個從所述坩堝內(nèi)部通向所述毛細(xì)槽裝置的傾斜通道。
12.如權(quán)利要求11所述之設(shè)備，其特征為所述傾斜通道與水平面的傾斜角度約30度。
13.如權(quán)利要求12所述之設(shè)備，其特征為所述傾斜通道另外包括第一及第二溝，位于所述導(dǎo)模尖部的相對兩側(cè)，所述內(nèi)部外側(cè)表面形成所述第一溝的一部分，而所述外部外側(cè)表面形成所述第二溝的一部分。
14.用(a)EFG導(dǎo)模和(b)坩堝生長選定材料的管形晶體的方法，所述坩堝容納液態(tài)下的所述選定材料的供料，所述導(dǎo)模有上端表面，內(nèi)部、外部外側(cè)表面和至少一條用以將液態(tài)的所選定材料從所述坩堝送至所述上端表面的通道，其特征為所述方法包括在所述管形的晶體是從上端表面支承的所述選定材料液膜生長的情況下，保持所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面與所述液態(tài)選定材料接觸的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述之方法，其特征為還包括保持所述上端表面與所述坩堝中的所述液態(tài)選定材料的高度差在0.15英寸至0.56英寸之間的步驟。
16.如權(quán)利要求14所述之方法，其特征為所述導(dǎo)模有第一及第二溝與所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面相鄰，另外在各所述溝中保持所述液態(tài)選定材料池而在所述第一及第二溝中的液態(tài)選定材料延伸至所述內(nèi)部、外部外側(cè)表面并與之分別形成彎月面的步驟。
全文摘要
EFC生長空心晶體的新穎毛細(xì)導(dǎo)模及晶體生長方法。內(nèi)、外環(huán)形遷圍繞導(dǎo)模尖部。熔體從坩堝通過通道輸送到溝，空心晶體生長過程中，溝中熔體濕潤并覆蓋內(nèi)部、外部外側(cè)表面。新穎導(dǎo)模結(jié)構(gòu)有較低的導(dǎo)模尖部和較短毛細(xì)槽?？杀３謬@導(dǎo)模尖部周邊的溫度基本均勻，提高導(dǎo)模尖部上生長的管形晶體壁厚的均勻度。該溝可減少因?qū)１谎蜎]而發(fā)生中斷或影響晶體生長過程。發(fā)生生長彎月面斷裂時，該溝載獲液態(tài)硅，防止或減少發(fā)生淹沒導(dǎo)模及相關(guān)生長設(shè)備的現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/208GK1058055SQ9110472
公開日1992年1月22日 申請日期1991年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月13日
發(fā)明者戴維·S·哈維, 布賴恩·H·麥金托什, 丹娜·L·溫切斯特, ?？`漢姆·拉金德蘭 申請人:無比太陽能公司