專利名稱：用于單晶硅連續(xù)生長(zhǎng)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
相關(guān)申請(qǐng)本專利申請(qǐng)要求享有在2004年2月27日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)N0.10/789, 638的權(quán)益。本發(fā)明領(lǐng)域一般涉及通過(guò)Czochralski (CZ)技術(shù)生長(zhǎng)娃晶體。具體地,本發(fā)明領(lǐng)域涉及基于Czochralski法改進(jìn)的連續(xù)和快速生長(zhǎng)超純、高少數(shù)載流子壽命單晶娃的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
參考圖1A和1B，為了可用于制作半導(dǎo)體電子元件，硅必須形成為大的(約10-30cm直徑)、幾乎無(wú)缺陷的單晶，這是由于晶界以及其它晶體缺陷使器件性能降低。需要先進(jìn)的技術(shù)以獲得這種高質(zhì)量的單晶。參考圖1A和1B，為了可用于制作半導(dǎo)體電子元件，硅必須形成為大的(約10-30cm直徑)、幾乎無(wú)缺陷的單晶，這是由于晶界以及其它晶體缺陷使器件性能降低。需要先進(jìn)的技術(shù)以獲得這種高質(zhì)量的單晶。參考圖1A和1B，為了可用于制作半導(dǎo)體電子元件，硅必須形成為大(約10-30cm直徑)、幾乎無(wú)缺陷的單晶，這是由于晶界以及其它晶體缺陷使器件性能降低。需要先進(jìn)的技術(shù)以獲得這種高質(zhì)量的單晶。這些晶體可以通過(guò)Czochralski (CZ)技術(shù)或浮區(qū)(FZ)法形成。參考圖1A和1B，在常規(guī)的CZ技術(shù)中，多晶硅片首先在生長(zhǎng)室102內(nèi)部的熔融石英坩堝100中在剛好高于硅的熔點(diǎn)1412°c的溫度下在惰性氣氛(通常為氬)中熔融。然后將具有所需晶體取向的高質(zhì)量籽晶101通過(guò)提拉室106下降到熔體122中同時(shí)旋轉(zhuǎn)。坩堝100同時(shí)反方向旋轉(zhuǎn)，以促使熔體中的混合和使溫度不均勻最小化。部分籽晶溶解到熔融硅中，以去除被玷污(Strained)的外部以及暴露新的晶體表面。然后通過(guò)晶體提拉機(jī)構(gòu)108從熔體122緩慢抬升或提拉籽晶。當(dāng)籽晶上升時(shí)，它冷卻并且來(lái)自熔體的材料粘附于它，因此形成較大的晶體或錠103。在生長(zhǎng)期間維持的小心控制的條件下，新硅原子使已經(jīng)固化物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)延伸。通過(guò)常規(guī)反饋機(jī)制控制提拉速度和溫度獲得所需的晶體直徑。以這種方法制造硅的圓柱形單晶錠。然后通過(guò)晶體提拉機(jī)構(gòu)108緩慢從熔體122抬升或提拉籽晶。當(dāng)籽晶上升時(shí)，它冷卻并且來(lái)自熔體的材料粘附于它，因此形成較大的晶體或錠103。在生長(zhǎng)期間維持的小心控制的條件下，新硅原子使已經(jīng)固化物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)延伸。通過(guò)常規(guī)反饋機(jī)制控制提拉速度和溫度獲得所需的晶體直徑。以這種方法制造硅的圓柱形單晶錠。然后通過(guò)晶體提拉機(jī)構(gòu)108緩慢從熔體122抬升或提拉籽晶。當(dāng)籽晶上升時(shí)，它冷卻并且來(lái)自熔體的材料粘附于它，因此形成較大的晶體或錠103。在生長(zhǎng)期間維持的小心控制的條件下，新硅原子使已經(jīng)固化物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)延伸。通過(guò)常規(guī)反饋機(jī)制控制提拉速度和溫度獲得所需的晶體直徑。以這種方法制造硅的圓柱形單晶錠。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題當(dāng)利用布置在坩堝垂直壁周圍的加熱器元件在典型窄直徑、高寬度、高長(zhǎng)寬比坩堝100中加熱熔融硅122的高溫裝料(charge)時(shí)，在常規(guī)CZ方法中出現(xiàn)了問(wèn)題。驅(qū)使熱通過(guò)坩堝壁以加熱裝料在坩堝上產(chǎn)生應(yīng)力并且縮短其使用壽命。在每一個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)之后，殘留在坩堝底部的熔融硅固化并且擴(kuò)張到一定程度，以致可以使坩堝破裂。因此，在常規(guī)CZ方法中，坩堝通常是一次性使用的制品。硅必須持續(xù)加熱以在坩堝中保持熔融。因此，參考圖1B，在具有圍繞坩堝垂直壁布置的加熱器118的常規(guī)高長(zhǎng)寬比、窄直徑CZ坩堝100中，貫穿熔體的溫度分布的特征在于，在坩堝的熱壁和如109所示熔體/晶體界面處的固化區(qū)中晶體中心最冷點(diǎn)之間存在高的熱梯度和大的溫度差。因此，橫跨熔 體/晶體界面處的固化區(qū)存在明顯的徑向溫度梯度以及對(duì)流速度梯度，并且鄰接壁的區(qū)域被加熱到所不希望的高溫并附帶有過(guò)高的對(duì)流速度以及熱擾動(dòng)。這種條件對(duì)高質(zhì)量無(wú)缺陷晶體的最大提拉速度而言不是最佳的。為了以更快的速度生長(zhǎng)更高質(zhì)量的硅，需要不同的坩堝以及加熱器設(shè)計(jì)，以在熔體/晶體界面107處的固化區(qū)中提供具有最小化的熱梯度和對(duì)流速度梯度的均勻溫度分布。常規(guī)CZ生長(zhǎng)的硅與理想的單晶硅不同，這是由于它包括在制作集成電路器件或高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池中所不希望的缺點(diǎn)或缺陷。在固化之后晶體冷卻時(shí)，在晶體生長(zhǎng)室中形成單晶硅中的缺陷。缺陷通常分為點(diǎn)缺陷或團(tuán)聚體(三維缺陷)。點(diǎn)缺陷有兩大類型:空位點(diǎn)缺陷和填隙點(diǎn)缺陷。在空位點(diǎn)缺陷中，硅晶格中硅原子從它的一個(gè)正常位置上缺失。這種空位產(chǎn)生點(diǎn)缺陷。當(dāng)在硅晶體中發(fā)現(xiàn)硅原子在非晶格位置(填隙位置)時(shí)，出現(xiàn)填隙點(diǎn)缺陷。如果單晶硅內(nèi)這種點(diǎn)缺陷的濃度達(dá)到臨界飽和水平，以及如果點(diǎn)缺陷的遷移率足夠高，則會(huì)發(fā)生反應(yīng)或團(tuán)聚事件。在常規(guī)CZ方法中，點(diǎn)缺陷通常在硅熔體和固態(tài)硅之間的界面處形成。這種缺陷的出現(xiàn)部分是由于晶體周圍的熱擾動(dòng)，該熱擾動(dòng)是由對(duì)流以及不能夠精密控制和或維持最佳溫度分布而產(chǎn)生，特別是在晶體/熔體界面處的固化區(qū)中。因此，需要具有多個(gè)獨(dú)立加熱區(qū)的改進(jìn)加熱系統(tǒng)，以有助于控制晶體形成速度和缺陷密度。而且，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該基本消除導(dǎo)致形成點(diǎn)缺陷的對(duì)流以及熱擾動(dòng)。還希望使在生長(zhǎng)期間照射晶體的輻射能最小，允許更快的晶體冷卻和更高的提拉速度。在常規(guī)CZ方法中，最熱的表面是沒(méi)有浸沒(méi)到熔體中的部分坩堝壁。高長(zhǎng)寬比坩堝使得該表面緊密靠近冷卻錠，很大程度上通過(guò)輻射加熱抑制了錠的最佳冷卻。常規(guī)CZ生長(zhǎng)硅的另一個(gè)問(wèn)題是，它含有大量的氧。這是由于典型高長(zhǎng)寬比、窄直徑坩堝的組成和結(jié)構(gòu)，其中對(duì)流擦洗坩堝壁并且將雜質(zhì)輸送到熔體中并最終到達(dá)晶體本身。對(duì)流將氧加入到由容納熔融硅的坩堝壁上熔融石英(二氧化硅)的緩慢溶解而產(chǎn)生的熔體中。將氧弓I入到熔體中會(huì)導(dǎo)致最終晶體中的缺陷。在光電以及其它應(yīng)用中，硅中的高氧含量不利地影響少數(shù)載流子壽命和大大降低性能，并且在光電器件中降低轉(zhuǎn)換效率。因此，需要可以使氧向熔體中的引入最小化以及提供以高的少數(shù)載流子壽命為特征的基本無(wú)氧硅的坩堝設(shè)計(jì)，用于光電和其它應(yīng)用。對(duì)坩堝使用特殊涂層或材料會(huì)使坩堝抵抗由于熔融硅而引起的破壞，但是當(dāng)前這并不切實(shí)可行，因?yàn)檑釄迨且淮涡允褂玫闹破凡⑶以诿恳淮问褂煤蟮睦鋮s期間被未使用的硅的固化所損壞。因此，還需要新的坩堝設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)能夠使可用坩堝壽命延長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)許多操作循環(huán)而沒(méi)有損壞，因此可使得潛在較高費(fèi)用的惰性坩堝表面變得經(jīng)濟(jì)可行。常規(guī)CZ方法的其它問(wèn)題是，不能夠控制橫跨熔體以及橫跨所產(chǎn)生晶體的摻雜劑濃度。對(duì)于許多集成電路工藝，所需摻雜劑密度被加入硅中。這樣的摻雜劑濃度是通過(guò)將小心控制的少量所需摻雜劑元素例如硼或磷結(jié)合到熔體中來(lái)獲得的。為了精確控制，通常將少量重?fù)诫s硅加入到未摻雜熔體中。在硅的提拉晶體中摻雜劑濃度通常小于熔體中摻雜劑濃度，這是由于當(dāng)硅固化時(shí)摻雜劑從晶體中排出到熔體中。當(dāng)晶體生長(zhǎng)時(shí)這種偏析導(dǎo)致熔體中摻雜劑濃度不理想地增加。晶體的籽晶端因此不如尾端摻雜得重。偏析效應(yīng)還是包括溫度在內(nèi)的條件的函數(shù)。因此通過(guò)固化區(qū)、晶體/熔體界面的非均勻溫度分布沿晶體半徑提供了不理想的摻雜劑濃度梯度以及伴隨的電阻率梯度。因此，還需要簡(jiǎn)化的坩堝設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使偏析最小化并且使整個(gè)晶體的摻雜劑濃度以及電阻率能夠基本均勻。技術(shù)解決方案為了克服常規(guī)CZ加工系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個(gè)方面提供用于連續(xù)晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng)，包括低長(zhǎng)寬比、大直徑以及基本平坦的坩堝，該坩堝包括圍繞晶體的任選堰。大直徑、低長(zhǎng)寬比坩堝基本消除對(duì)流并減少最終單晶硅錠中的氧含量。多個(gè)晶體提拉室相對(duì)于坩堝布置，使得當(dāng)晶體生長(zhǎng)完成時(shí)第一提拉室將完成的硅錠移出生長(zhǎng)區(qū)以冷卻，后續(xù)提拉室移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于生長(zhǎng)區(qū)中，因此消減了與冷卻晶體相關(guān)的時(shí)間并提供具有高生產(chǎn)量的連續(xù)晶體生長(zhǎng)。`獨(dú)立的水平控制硅預(yù)熔化室為生長(zhǎng)坩堝提供熔融硅的連續(xù)源。這有利地消除了在晶體提拉過(guò)程中對(duì)坩堝抬升系統(tǒng)以及生長(zhǎng)坩堝垂直移動(dòng)的需求，因此大大簡(jiǎn)化了 CZ晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)。應(yīng)該理解的是，消除了對(duì)坩堝垂直移動(dòng)以及坩堝抬升系統(tǒng)的需求使得除了圍繞垂直壁布置的加熱器元件之外，可控加熱器元件還能橫跨生長(zhǎng)坩堝底部布置。有利效果具有布置在底部的環(huán)形加熱器元件的低長(zhǎng)寬比坩堝有利地提供熱分布，該熱分布的特征在于在坩堝壁和熔體/晶體界面處的固化區(qū)中晶體中心最冷點(diǎn)之間的低熱梯度和小的溫度差。因此橫跨熔體/晶體界面處的固化區(qū)的徑向溫度梯度以及對(duì)流速度梯度明顯減少，從而提供通過(guò)熔體/晶體界面處的固化區(qū)的均勻和最佳條件。此外，與壁鄰接的區(qū)域不再被驅(qū)使到過(guò)高的溫度。因此，作為引起點(diǎn)缺陷主要原因的對(duì)流和熱擾動(dòng)再次被最小化，從而有助于均勻和最佳的條件。最小化對(duì)流還減少由擦洗石英坩堝壁而引入到熔體中的氧的量，使得能夠生長(zhǎng)與利用常規(guī)CZ系統(tǒng)可能獲得的晶體相比具有更少缺陷和更低氧含量的晶體。錠生長(zhǎng)期間來(lái)自獨(dú)立預(yù)熔化室的熔融硅連續(xù)流結(jié)合所需摻雜劑的加入使得能夠補(bǔ)償偏析并在生長(zhǎng)的晶體中軸向(縱向)和徑向形成基本均勻的摻雜劑濃度。
在最終晶體中實(shí)現(xiàn)氧的減少以及其它雜質(zhì)的減少和晶格中位錯(cuò)的減少的優(yōu)點(diǎn)特別是可用于為改進(jìn)的、高轉(zhuǎn)換效率光電器件提供提高的少數(shù)載流子壽命。低長(zhǎng)寬比坩堝增加了沒(méi)有浸入熔體中的熱坩堝壁和冷卻錠之間的距離，從而減少輻射加熱并允許最佳地冷卻所述錠。多個(gè)晶體提拉室關(guān)于坩堝可轉(zhuǎn)動(dòng)或按序布置，這樣當(dāng)?shù)谝粏尉Ч桢V完成時(shí)第一提拉室將完成的硅錠移出生長(zhǎng)區(qū)以冷卻，后續(xù)提拉室移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于生長(zhǎng)區(qū)中。提拉室在生長(zhǎng)區(qū)的順序定位實(shí)現(xiàn)了連續(xù)過(guò)程，消減了與冷卻每一個(gè)晶體和改變到新坩堝相關(guān)的時(shí)間，因此提供了用于高生產(chǎn)量的連續(xù)晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng)。由于在連續(xù)工藝中坩堝和熔體沒(méi)有冷卻和再加熱到熔融溫度，因此節(jié)省了相當(dāng)?shù)哪芰?。而且，加熱器和坩堝周圍的大氣不?duì)環(huán)境大氣開(kāi)放，因此較少雜質(zhì)和污染物被引入在晶體提拉室中。引入到熔體中的雜質(zhì)，例如由坩堝內(nèi)對(duì)流的擦洗作用而引入的，取決于硅在坩堝中的平均停留時(shí)間以及熔體和坩堝之間的接觸表面積，特別是坩堝的垂直壁的表面積。在本發(fā)明的一個(gè)方面，通過(guò)改進(jìn)循環(huán)時(shí)間使停留時(shí)間最小化并通過(guò)最佳化的低長(zhǎng)寬比坩堝設(shè)計(jì)使平均接觸面積最小化。應(yīng)該理解的是，這些考慮將應(yīng)用于預(yù)熔化器，使其尺寸以及停留時(shí)間和熔體接觸表面積最優(yōu)化。本發(fā)明的另一方面提供將熔體中溫度保持為約1420°C的增強(qiáng)的溫度控制，使得溫度在熔體和晶體之間具有最佳熱分布，從而加速晶體生長(zhǎng)。為了在晶體和熔體之間的臨界界面處實(shí)現(xiàn)這種最佳熱分布，以輻射狀模式橫跨生長(zhǎng)坩堝底部布置多個(gè)環(huán)形、獨(dú)立監(jiān)控的加熱元件，盡可能靠近壁和生長(zhǎng)坩堝底部。加熱元件利用主動(dòng)反饋獨(dú)立控制，使得能夠快速熱響應(yīng)并分配熱工作負(fù)荷，從而橫跨晶體和熔體之間以及晶體和坩堝壁之間的界面實(shí)現(xiàn)最佳熱分布。這還有助于改進(jìn)坩堝壽命以及減少在最終單晶硅中的氧和其它雜質(zhì)。與常規(guī)CZ系統(tǒng)相比，生長(zhǎng)坩堝不再是一次性使用的制品，而可以重復(fù)使用多個(gè)晶體生長(zhǎng)循環(huán)。因此，接觸熔融硅的生長(zhǎng)坩堝表面提供有相對(duì)于熔融硅為惰性的α或β碳化硅涂層或類似陶瓷涂層，進(jìn)一步保護(hù)以防止熔體中引入氧。應(yīng)該理解的是，由于類似的原因，預(yù)熔化器可以由這些 有利材料來(lái)制作。本發(fā)明上述方面有利地防止熔體中引入氧并提供能夠使用約10或更多次晶體生長(zhǎng)運(yùn)行的坩堝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)具有提高的少數(shù)載流子壽命的基本上為浮區(qū)品質(zhì)(float zonequal ity)的單晶硅產(chǎn)品。在最終硅晶體中實(shí)現(xiàn)的氧減少對(duì)于為諸如改進(jìn)轉(zhuǎn)換效率光電器件的應(yīng)用提供提高的少數(shù)載流子壽命而言特別有用。


為了清楚起見(jiàn)，附圖是啟發(fā)性的。結(jié)合下文說(shuō)明、所附權(quán)利要求以及附圖，將更好地理解本發(fā)明的上述和其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，其中:圖1A是常規(guī)CZ系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。圖1B是示出貫穿熔體的不理想溫度梯度的常規(guī)CZ系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明一方面的用于生長(zhǎng)提高純度的單晶硅的系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。圖3A是根據(jù)本發(fā)明一方面的示出預(yù)熔化器和單個(gè)可控加熱元件的晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。圖3B是根據(jù)本發(fā)明一方面的如圖3A所示的晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化俯視圖。
圖3C是根據(jù)本發(fā)明一方面的示出貫穿熔體的改進(jìn)熱梯度的寬直徑、低長(zhǎng)寬比坩堝的示意性側(cè)視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明一方面的用于晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)的預(yù)熔化器的側(cè)視圖。圖5是表示根據(jù)本發(fā)明一方面的用于建立橫跨坩堝的最佳熱分布的加熱器控制系統(tǒng)的不意圖。圖6是表示根據(jù)本發(fā)明一方面的坩堝中水平控制系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1A和1B，在常規(guī)CZ系統(tǒng)中，在生長(zhǎng)室102中在惰性氣氛下將多晶硅片熔于熔融石英坩堝100中。室102中的氣氛通常是氬氣并且根據(jù)公知技術(shù)通過(guò)隔離閥104控制。硅容納在剛好高于硅的熔點(diǎn)1412°C的溫度下坩堝100中。然后將具有所需晶體取向的高質(zhì)量籽晶在晶體提拉室106中下降以接觸坩堝100中晶體熔體界面107處的熔體，并同時(shí)旋轉(zhuǎn)。坩堝100同時(shí)反方向旋轉(zhuǎn)，以促使熔體中的混合和使溫度不均勻最小化。將一部分籽晶溶解于熔融硅中，以去除玷污(strained)的外部并暴露新的晶體表面。然后通過(guò)常規(guī)提拉機(jī)構(gòu)108在晶體提拉室106中從熔體緩慢抬升或提拉籽晶。當(dāng)籽晶上升時(shí)，它冷卻并且來(lái)自熔體的材料粘附于它，因此形成較大的晶體或錠103。晶體或錠103的主體通過(guò)控制提拉速度以及熔融溫度來(lái)生長(zhǎng)，同時(shí)補(bǔ)償坩堝中降低的熔體水平。即，隨著晶體生長(zhǎng)，坩堝100中的熔融硅被消耗。為了相對(duì)于布置在坩堝垂直壁周圍的加熱器補(bǔ)償坩堝100中熔體的變化水平，坩堝100必須以小心可控的方式從起始晶體生長(zhǎng)位置112垂直抬升到最后或最終位置114。必須提供復(fù)雜機(jī)構(gòu)以使坩堝的垂直移動(dòng)與晶體的提拉相配合。坩堝的垂直移動(dòng)必須在垂直方向上精確地與晶體的提拉相配合，這樣小心地保持晶體和熔體之間的恒定界面并且晶體和熔體之間的界面關(guān)于加熱器正確定位。

晶體的直徑通過(guò)減小或增加它的提拉速度和/或熔融溫度來(lái)控制，直到達(dá)到所需的或目標(biāo)直徑。初始提拉速度通常相對(duì)較快。提拉持續(xù)到熔體幾乎耗盡。設(shè)計(jì)提供坩堝垂直移動(dòng)與晶體提拉機(jī)構(gòu)精確配合的裝置是非常昂貴的。圖1A和IB示出與常規(guī)CZ坩堝和加熱器布置相關(guān)的另外的缺點(diǎn)。常規(guī)CZ坩堝100的特征在于窄直徑、高長(zhǎng)寬比。為了容納用于生長(zhǎng)晶體的所有熔融硅，高長(zhǎng)寬比是必須的，這是由于通常沒(méi)有用于熔體補(bǔ)充的手段。作為替代，當(dāng)坩堝中的硅被消耗時(shí)，坩堝100必須在垂直方向上移動(dòng)(從起始位置112到最終位置114)以配合晶體的提拉。加熱器元件118提供在坩堝100的周圍并在熔體中產(chǎn)生溫度分布，其不利地使加熱器、坩堝壁、熔體以及懸浮在熔體中心的晶體之間的熱梯度(DT)最大化，并且會(huì)導(dǎo)致坩堝壁達(dá)到過(guò)高溫度。這不利地使晶體生長(zhǎng)變慢。另外，在窄直徑、高長(zhǎng)寬比坩堝100中產(chǎn)生對(duì)流。對(duì)流不利地影響單晶硅的純度。常規(guī)CZ坩堝100由諸如熔融石英的材料構(gòu)成。熔融硅將常規(guī)熔融石英坩堝壁分解為硅和氧。對(duì)流擦洗坩堝壁并將氧和其它雜質(zhì)傳送到熔體中。這不利地影響生長(zhǎng)晶體中的純度和缺陷結(jié)構(gòu)。對(duì)流還產(chǎn)生圍繞生長(zhǎng)晶體的不利熱擾動(dòng)，這可以招致缺陷進(jìn)入晶體。當(dāng)晶體生長(zhǎng)完成時(shí)，沒(méi)有從坩堝100去除的殘留熔融硅固化時(shí)大大膨脹并使坩堝破裂。典型CZ坩堝100因此是一次性使用的制品，在每一個(gè)硅錠生長(zhǎng)之后即被拋去。
寬直徑、低長(zhǎng)寬比的坩堝參考圖2，根據(jù)本發(fā)明一方面的晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)提供固定的、寬直徑、低長(zhǎng)寬比坩堝200，坩堝200提供在生長(zhǎng)室202中，生長(zhǎng)室202又提供有底部201。常規(guī)隔離閥204以公知的方式在生長(zhǎng)室202和多個(gè)晶體提拉室210a和210b中提供真空或者控制氣氛。坩堝200的寬直徑、低長(zhǎng)寬比結(jié)構(gòu)提供有使輻射熱最小化的裝置，例如熱屏蔽205，用于使生長(zhǎng)期間照射晶體或錠203的輻射能量最小。熱屏蔽205是碳化硅、石墨或其它高溫材料的平面部件，其支撐性地安裝在生長(zhǎng)室202的壁上并且具有尺寸與硅錠203相配合的內(nèi)部孔。鄰接孔的環(huán)形區(qū)域211向下朝熔體偏斜，以減少沿錠203的熱流并且當(dāng)錠從熔體222中移除時(shí)使熱沖擊最小化。參考圖3A，任選堰220布置在晶體/熔體界面和硅預(yù)熔化器208的出口 228之間的熔體222中。堰220安置在坩堝200的底部上，或者作為替代，可以通過(guò)支撐裝置例如在坩堝內(nèi)壁上提供的任意方便的由惰性材料組成的支撐結(jié)構(gòu)來(lái)支撐。堰220的頂部延伸到熔體222的表面之上。堰的目的是使來(lái)自預(yù)熔化器208的熔融硅能夠分配到熔體中，而不在熔體中形成紋波或形成熱擾動(dòng)，這些波紋或熱擾動(dòng)會(huì)干擾熔體中的溫度分布并且不利地影響正在生長(zhǎng)的硅晶體224。堰220的特征在于相對(duì)于它的直徑而言高度低，并且堰220通常是圓柱形，并且在延伸到熔體表面之下的堰部分中提供有孔，以使得可以在熔體中實(shí)現(xiàn)所需的熱分布。寬直徑、低長(zhǎng)寬比生長(zhǎng)坩堝200還防止或大大減少了在熔體中對(duì)流的形成以及對(duì)坩堝的附帶擦洗作用，還減少了氧的引入。在優(yōu)選實(shí)施方案中，坩堝的低長(zhǎng)寬比(直徑對(duì)高度)為4: 1-10: 1，優(yōu)選約8: I。相反，常規(guī)坩堝具有約1: 1-1: 4量級(jí)的長(zhǎng)寬比。此外，環(huán)形加熱元件以輻射狀模式布置在坩堝底部上或盡可能接近坩堝底部，由于需要抬升機(jī)構(gòu)因此這在常規(guī)CZ生長(zhǎng)器中是不可能的。除了圍繞坩堝周圍布置的加熱器之外，環(huán)形加熱器在熔體中提供相應(yīng)的加熱區(qū)。這產(chǎn)生了貫穿熔體的基本水平的最佳熱分布。還提供了最佳熱分布，特 別是在晶體和熔體之間的臨界界面處。改進(jìn)的溫度控制提供了加速晶體生長(zhǎng)，其超出了現(xiàn)有可能的晶體生長(zhǎng)。粒狀多晶硅在低長(zhǎng)寬比坩堝中的熔化常規(guī)坩堝具有高長(zhǎng)寬比以及抬升機(jī)構(gòu)，使得在晶體生長(zhǎng)期間坩堝中熔體水平相對(duì)于坩堝側(cè)面的加熱器可以保持恒定。通常在坩堝底部下面沒(méi)有加熱器。當(dāng)這種坩堝裝入多晶硅材料時(shí)，在熔體下降期間溫度分布高度不均勻。在最接近加熱器的坩堝壁處溫度最高，并且在熔化材料的頂部和底部比中心更涼。當(dāng)多晶硅是小顆粒(< Imm直徑)、大表面積、在顆粒之間具有極小接觸點(diǎn)以及空氣是優(yōu)良絕緣體的粒狀形式時(shí)，該問(wèn)題大大加劇。顆粒之間的熱流趨向于在它們的接觸點(diǎn)處將它們?nèi)酆显谝黄?。其它熱流通過(guò)輻射產(chǎn)生，在該階段通過(guò)對(duì)流產(chǎn)生的極少。最接近加熱器的顆粒首先熔融，在邊緣和中心的那些跌落到坩堝的底部，留下橫跨頂部表面的熔合顆粒橋以及橋下面的氣孔。當(dāng)然液體硅占據(jù)的體積遠(yuǎn)小于顆粒。組合效應(yīng)將妨礙熔化過(guò)程，并且必須小心以免驅(qū)使接近加熱器的熔融溫度達(dá)到過(guò)高水平，否則污染物水平將增加。存在減少問(wèn)題的技術(shù)，但是它們要求嚴(yán)格并且費(fèi)時(shí)，例如，使坩堝向上抬升通過(guò)加熱器，使得顆粒團(tuán)的頂部首選熔融，而且應(yīng)小心以免從側(cè)面驅(qū)使太多的熱。 參考圖3B，根據(jù)本發(fā)明的一方面，低長(zhǎng)寬比坩堝200除側(cè)面加熱器219之外還具有以輻射狀模式布置在其底部之下的多個(gè)環(huán)形加熱器218，以提供更加均勻的溫度分布，這是由于a)顆粒在坩堝中的深度較低和b)環(huán)形底部加熱器218，所述環(huán)形底部加熱器218以更加可控的分配橫跨坩堝的整個(gè)底部表面積來(lái)施加熱。環(huán)形底部加熱器218優(yōu)選是如有關(guān)圖5所描述的單個(gè)可控的平面電阻加熱元件。每一個(gè)加熱元件218在熔體中產(chǎn)生相應(yīng)加熱區(qū)，以提供貫穿熔體的最佳溫度分布。與高長(zhǎng)寬比坩堝相比，顆粒和低長(zhǎng)寬比坩堝的熱壁之間的接觸表面積更大，將更多的熱驅(qū)使到顆粒中。因此，顆粒的整個(gè)團(tuán)熔融更加均勻并且速度更加快，并且不附帶與靠近加熱器溫度過(guò)高有關(guān)的污染。參考圖3C，具有環(huán)形底部加熱器218的低長(zhǎng)寬比坩堝200實(shí)現(xiàn)了以貫穿熔體222的基本水平分布為特征的熱梯度223。與分批次工藝相比，在使用低長(zhǎng)寬比坩堝的連續(xù)工藝中，更容易傳遞熱以熔融初始裝料，這是由于:a)較少量的多晶硅“裝料”在啟動(dòng)時(shí)熔融和b)預(yù)熔化器208提供液態(tài)硅以濕潤(rùn)顆粒，這在顆粒之間提供了更大面積的熱接觸并加速熔化過(guò)程。注意:預(yù)熔化器還被設(shè)計(jì)用以在顆粒周圍提供均勻加熱而不是從一側(cè)加熱，從而進(jìn)一步增強(qiáng)熔化過(guò)程。預(yù)熔化器參考圖3A、4和5,預(yù)熔化器208包含單獨(dú)的容器,用于熔化一定量的固體原料并為生長(zhǎng)坩堝200提供生長(zhǎng)晶體的熔融材料的恒定源。在單晶硅的情況下，固態(tài)硅原料的源209例如硅片、塊、顆?；虬敉ㄟ^(guò)流控制器件212以足夠補(bǔ)充生長(zhǎng)坩堝的速度提供到預(yù)熔化器 208。預(yù)熔化器可以遠(yuǎn)離生長(zhǎng)室單獨(dú)布置，如圖5和6所示。在優(yōu)選實(shí)施方案中，預(yù)熔化器208包含提供在生長(zhǎng)室202內(nèi)部的獨(dú)立容器，以熔化一定量的原料并將其提供到熔體222的表面。這有利地將預(yù)熔化器208置于可控氣氛的生長(zhǎng)坩堝222中，并使來(lái)自預(yù)熔化器的熔體需移動(dòng)達(dá)到坩堝的距離最小化。參考圖4，預(yù)熔化器包含熔化室400。預(yù)熔化器由能夠耐高達(dá)約1590°C溫度的石英材料構(gòu)成。熔融碳化硅、結(jié)合碳化硅的氮化硅或類似材料也可用于預(yù)熔化器。一個(gè)或多個(gè)電阻加熱器402適當(dāng)?shù)夭贾迷谌刍蚁旅婊蚩拷刍也贾?，用于熔化一定量的固態(tài)晶體原料。任選的熱導(dǎo)體404可以布置在加熱器402和熔化室400之間。熱導(dǎo)體404還是電絕緣體。熱導(dǎo)體404散射來(lái)自加熱器的熱通量并降低由預(yù)熔化器石英壁可見(jiàn)的最大溫度。熱導(dǎo)體404還為溫度超出約1590°C溫度的石英熔化室提供機(jī)械支撐。加熱器還任選地可布置在熔化室周圍。摻雜劑和固態(tài)硅或晶體原料209的源通過(guò)流控制器312提供到熔化室400的第一部分中硅水平410處或之上的進(jìn)口 408。堰414限定包括進(jìn)口 408的熔化室第一部分416，并且還限定包括坩堝出口的第二部分418。熔化室400的獨(dú)立第一部分416提供有進(jìn)口 408，以直接或通過(guò)原料和摻雜劑源209來(lái)接收預(yù)定量的固體摻雜劑材料。作為非限制性實(shí)例，摻雜劑材料可以是0.125X0.125X0.25英寸量級(jí)的重?fù)诫s晶圓小片，加入速度至多10小片/錠。錠流中的后續(xù)錠將需要較少小片。所需摻雜劑小片的量是晶體生長(zhǎng)時(shí)所吸收摻雜劑的量的函數(shù)。即，小片簡(jiǎn)單地注滿從熔體吸附到晶體中的摻雜劑。將摻雜劑加入預(yù)熔化器中避免了可由固體塊摻雜劑加入熔體中而產(chǎn)生的熱擾動(dòng)以及非均勻的溫度分布，這種溫度分布問(wèn)題可由熔合潛熱和熱容量(質(zhì) 量X比熱XDT)使摻雜劑材料高達(dá)熔融溫度而產(chǎn)生。注意:這種熱擾動(dòng)溫度與當(dāng)直接將固態(tài)硅原料加入到熔體中很相似，但是減少很多。由于橫跨熔體的最佳熱梯度以及通過(guò)分別單個(gè)控制加熱元件而控制熔體中的熱區(qū)，可以在橫跨生長(zhǎng)晶體的半徑范圍內(nèi)維持均勻熱分布。因此，摻雜劑材料在進(jìn)口 408的加入可以在最終錠中提供基本均勻的軸向(縱向)和徑向電阻率或電導(dǎo)率。第一堰414在第一部分416底部提供有流控制出口 420。熔融硅從第一部分416的底部通過(guò)出口 420進(jìn)入熔化室400的第二部分418。然后熔融硅使第一部分中水平410升高。由于固態(tài)顆粒或未熔融的硅片浮動(dòng)，關(guān)鍵的是在預(yù)熔化器中提供堰414，以確保僅僅熔融硅或晶體原料利用堰的流控制出口 420流通到第一預(yù)熔化器部分416的底部然后從底部向上填充第二部分418。從出口 424進(jìn)入坩堝熔體的熔融硅或熔融晶體原料因此從預(yù)熔化器的底部被抽取。這種設(shè)置有利地保證了由于密度低于熔融硅而漂浮在熔融硅中的未熔融、固態(tài)材料不直接穿過(guò)從而到達(dá)熔化室400的第二部分418以及生長(zhǎng)坩堝。出口管424還可用作第二堰并控制預(yù)熔化器的熔化室400中的熔體水平。出口管424包含具有進(jìn)口以及在其遠(yuǎn)端的出口的管，所述進(jìn)口接收來(lái)自熔化室400的第二部分418的熔融晶體原料，所述出口提供基本恒定的源，用于將熔融晶體原料補(bǔ)充到坩堝的熔體中。出口管424促使熔融晶體原料流沿其內(nèi)表面進(jìn)入生長(zhǎng)坩堝的熔體中。出口管424的特征在于足夠尺寸的內(nèi)徑，約1cm，以克服熔融原料的表面張力(熔融硅的表面張力比水高約30倍)。對(duì)于預(yù)熔化器中給定高差的熔融晶體原料，表面張力傾向于阻止或限制流過(guò)出口管。因此，管的直徑被最優(yōu)化以克服表面張力，同時(shí)使可引起坩堝中熔體過(guò)度擾動(dòng)的飛濺影響最小化。出口管的遠(yuǎn)端位于坩堝中熔體水平之上的位置，選擇一定的高度使得當(dāng)將熔融原料和摻雜劑排入熔體以連續(xù)補(bǔ)充坩堝時(shí)擾動(dòng)最小化。因此出口管的設(shè)計(jì)進(jìn)一步在晶體熔體界面保持靜態(tài)熱條件，從而在最終晶錠中產(chǎn)生基本均勻的軸向(縱向)和徑向電阻率或電導(dǎo)率。

以這種方式，預(yù)熔化器208為生長(zhǎng)坩堝200提供熔融硅的基本恒定的源，補(bǔ)充由生長(zhǎng)晶體所吸收的硅。這使得生長(zhǎng)坩堝200中的熔體能夠相對(duì)于生長(zhǎng)晶體保持在恒定的水平，而不需要坩堝垂直移動(dòng)，并且還使得坩堝中的熔體水平能夠根據(jù)需要增加或減少。這有利地消除了在常規(guī)CZ系統(tǒng)中必須用來(lái)使坩堝垂直移動(dòng)以配合晶體提拉的復(fù)雜機(jī)構(gòu)。這種通過(guò)預(yù)熔化器的補(bǔ)充還使加熱器能夠布置在坩堝的底部。本發(fā)明的這方面大大簡(jiǎn)化了生長(zhǎng)單晶硅所需的裝置并最終能夠以較低成本加速生產(chǎn)單晶硅。通過(guò)使用預(yù)熔化器208而基本連續(xù)添加熔融硅消除了在關(guān)閉爐或加熱元件以再裝填坩堝200和再熔化硅中所涉及的時(shí)間消耗和能量浪費(fèi)。使用熔融硅原料的基本連續(xù)源來(lái)補(bǔ)充熔體使得熔體與坩堝接觸的時(shí)間最小，因此進(jìn)一步限制了氧被吸收到熔體中。由于原硅在預(yù)熔化器中熔融的量非常小并且很快流入生長(zhǎng)坩堝中，停留時(shí)間以及接觸表面積同樣被最小化。此外，不需要將生長(zhǎng)室對(duì)環(huán)境大氣開(kāi)放以置換坩堝和提供新的硅裝料的過(guò)程，該過(guò)程將新污染物引入生長(zhǎng)室中。硅預(yù)熔化器208的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于可以在再裝填過(guò)程中加入摻雜劑，因此可以更好地控制晶體的軸向電阻。這有利地消除了在通過(guò)常規(guī)CZ法生長(zhǎng)的晶體表現(xiàn)出的軸向電阻率梯度。熔體中偏析的影響以及晶體中所產(chǎn)生非均勻摻雜劑特征被基本消除。利用與生長(zhǎng)坩堝200連通的獨(dú)立硅預(yù)熔化器208的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是消除了硅裝料的高溫初始熔化，使生長(zhǎng)坩堝上的應(yīng)力最小化并減少沉淀到熔體中的氧。
應(yīng)該理解的是，預(yù)熔化器可以由惰性材料制成或涂覆，例如燒結(jié)的碳化硅或類似陶瓷，或者由其它相對(duì)于熔融硅具有惰性特征的材料涂覆，例如鉭、鈮或其氧化物和化合物，以減少熔體中的氧和其它雜質(zhì)，這對(duì)坩堝是常有的情況。結(jié)合低長(zhǎng)寬比、非反應(yīng)性、燒結(jié)碳化硅坩堝200的硅預(yù)熔化器208以及晶體生長(zhǎng)期間可控?fù)诫s劑原料基本上消除了引起少數(shù)載流子復(fù)合的缺陷結(jié)構(gòu)和位置的偏析、高純度水平和氧沉淀。本發(fā)明的這方面在為高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池提供更高少數(shù)載流子壽命硅方面特別有用。多個(gè)晶體提拉室再參考圖2和3A，在旋轉(zhuǎn)圓柱體212上提供多個(gè)提拉室210a、210b，圓柱體212又通過(guò)軸214來(lái)支撐。應(yīng)該理解的是，多個(gè)提拉室210a、210b還可以布置成可移動(dòng)、線型支撐元件，用于將每一個(gè)連續(xù)提拉室中的籽晶相繼定位到生長(zhǎng)室202內(nèi)的坩堝200中的生長(zhǎng)區(qū)中。多個(gè)提拉室210a、210b因此相對(duì)于生長(zhǎng)室202可旋轉(zhuǎn)或按序布置。當(dāng)?shù)谝粏尉Ч桢V完成時(shí)第一提拉室210a將完成的硅錠移出坩堝200中的生長(zhǎng)區(qū)以及生長(zhǎng)室202以冷卻，后續(xù)提拉室210b移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于生長(zhǎng)室202中并移到坩堝200中的晶體/熔體界面處的生長(zhǎng)區(qū)。隔離閥206關(guān)閉以控制生長(zhǎng)室202和相關(guān)提拉室中的氣氛，并生長(zhǎng)新的晶體。提拉室210a、210b在坩堝200中生長(zhǎng)區(qū)處的相繼定位是連續(xù)過(guò)程中的最終步驟，使硅在生長(zhǎng)坩堝中的停留時(shí)間最小化、消減了與冷卻每一個(gè)晶體、變換新坩堝、再裝填坩堝、排空生長(zhǎng)室以及將裝料再加熱到熔融溫度相關(guān)的時(shí)間；因此提供了具有高生產(chǎn)量的加速、連續(xù)晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)。而且，這種連續(xù)過(guò)程消除了生長(zhǎng)坩堝的一次性使用的特征，并且使生長(zhǎng)坩堝能夠用于多個(gè)(10個(gè)或更多)晶體生長(zhǎng)循環(huán)。坩堝的組成再參考圖2、3A、3B 和3C，本發(fā)明另一方面提供低長(zhǎng)寬比、寬直徑的坩堝200，該坩堝由對(duì)熔融硅為惰性的材料構(gòu)成，例如α或β燒結(jié)碳化硅、氮化鉭或類似不含二氧化硅的陶瓷。作為替代方案，坩堝200的內(nèi)部含硅表面可以根據(jù)公知技術(shù)提供有這種惰性材料涂層。這種理想的惰性材料由壓縮并燒結(jié)的碳化硅顆粒和燒結(jié)助劑的混合物組成。與反應(yīng)結(jié)合的碳化物不同，不存在游離硅。這種直接燒結(jié)材料沒(méi)有金屬相并因此耐化學(xué)侵襲。α碳化硅是指六角結(jié)構(gòu)，β碳化硅是指立方結(jié)構(gòu)。 這種燒結(jié)碳化硅材料可以從CARBORUNDUM Corp.獲得，名為SA-80 ；從GENERALELECTRIC 獲得，名為 Sintride ;和從 KYOCERA 獲得，名為 SC-201。由上述燒結(jié)碳化硅材料組成的化學(xué)惰性生長(zhǎng)坩堝200在常規(guī)CZ生長(zhǎng)法中是未知的，這是由于常規(guī)坩堝是一次性使用后即丟棄的制品，并且沒(méi)有在坩堝表面上提供燒結(jié)碳化硅或陶瓷坩堝或這種涂層的動(dòng)機(jī)。常規(guī)CZ生長(zhǎng)法沒(méi)有考慮使用坩堝材料例如燒結(jié)碳化硅，以基本消除氧向熔體中的引入。在常規(guī)CZ系統(tǒng)中，生長(zhǎng)坩堝通常是在一次或兩次生長(zhǎng)循環(huán)之后即被丟去。因此，碳化硅涂層或由更高成本材料制成的坩堝將大大增加常規(guī)CZ系統(tǒng)的成本。應(yīng)該理解是，出于同樣的原因，這些材料還可有利地用于預(yù)熔化器中。此外，源自生長(zhǎng)坩堝壁的氧沉淀先前沒(méi)有被認(rèn)為是嚴(yán)重的問(wèn)題，并且甚至可能在集成電路或其它電子器件中有益。氧從其它雜質(zhì)趨向于積累的位置沉淀。這種氧沉淀可以以預(yù)定方式從有源器件區(qū)遙控定位到最終IC晶片中。然后氧沉淀用作吸引所不需要的雜質(zhì)遠(yuǎn)離電學(xué)上的有源區(qū)域的收集位置，由此改進(jìn)器件性能。但是，根據(jù)本發(fā)明的一方面，認(rèn)為氧沉淀和相關(guān)的缺陷對(duì)將用于特定應(yīng)用例如太陽(yáng)能電池的硅中的少數(shù)電荷載流子壽命而言是問(wèn)題。在太陽(yáng)能電池中，如果在到達(dá)電接觸之前，光電池中一些所產(chǎn)生的載流子在硅中缺陷、雜質(zhì)或氧沉淀位置處復(fù)合，那么輸出電流減少?？缭蕉鄠€(gè)太陽(yáng)能電池，這種缺陷會(huì)嚴(yán)重地減少輸出電流。加熱器和熔體溫度控制圖3B、3C和5表示提供溫度的封閉環(huán)路控制的加熱器和熔體溫度控制系統(tǒng)，其特征在于橫跨熔體的最佳溫度分布和在熔體/晶體界面207處的固化區(qū)中均勻的最佳溫度條件有助于控制晶體形成速度和進(jìn)一步使缺陷密度最小化。參考圖3B和5，多個(gè)環(huán)形電阻加熱元件218以輻射狀模式布置在低長(zhǎng)寬比坩堝200的下面。另外的電阻加熱元件219圍繞坩堝200外壁的周圍布置。環(huán)形加熱元件218和側(cè)壁加熱元件219由加熱器控制240單個(gè)控制以產(chǎn)生獨(dú)立的加熱區(qū)，從而提供橫跨熔體的最佳溫度分布。加熱器控制240包括微處理器控制器，用于對(duì)來(lái)自傳感器234的信號(hào)作出響應(yīng)從而控制并監(jiān)測(cè)每一個(gè)加熱器元件的作用時(shí)間、功率消耗以及由此的熱輸出。對(duì)于每一個(gè)單獨(dú)可控電阻加熱元件可以維持所需的熱輸出，由此實(shí)現(xiàn)橫跨熔體和橫跨生長(zhǎng)晶體半徑范圍的最佳溫度分布。所需的熱輸出和所產(chǎn)生的溫度分布通過(guò)加熱器控制240的微處理器來(lái)測(cè)量每一個(gè)單獨(dú)可控電阻加熱元件的功率消耗來(lái)推出。每一個(gè)加熱器的功率消耗對(duì)應(yīng)于實(shí)現(xiàn)最佳溫度分布所需的熱輸出。加熱器控制240根據(jù)監(jiān)測(cè)的功率消耗將功率施加到每一個(gè)加熱器元件，以獲得可重復(fù)狀態(tài)，這樣相應(yīng)熱區(qū)驅(qū)使熱均勻地進(jìn)入熔體中。應(yīng)該理解的是，有利的加熱器布置和可控?zé)釁^(qū)還可用于驅(qū)使熱均勻進(jìn)入包括固體顆粒的熔融材料。加熱器布置還可用于均勻加熱和熔融固體，例如顆粒、顆粒和片的組合以及固態(tài)晶體原料的片或塊。由于在低長(zhǎng)寬比坩堝下面單獨(dú)控制的加熱器的最佳布置，橫跨固態(tài)材料片之間的接觸點(diǎn)進(jìn)入原料的熱通道被最小化。當(dāng)使用小片或顆粒時(shí)，這是特別重要的，這是由于給定團(tuán)塊或材料的相鄰`片或顆粒之間具有更多的接觸點(diǎn)，因此減少或限制了熱流。這有效地在坩堝中提供更大的接觸表面積并縮短進(jìn)入包括固體材料的原料的熱通道。這克服了在常規(guī)CZ系統(tǒng)中的問(wèn)題，在常規(guī)CZ系統(tǒng)中，最靠近加熱器的固體材料特別是小片和顆粒首先熔融并且在邊緣和中心的那些跌落到坩堝的底部，留下橫跨頂部表面的熔合顆粒橋以及橋下面的氣孔。因此，橫跨熔體建立了代表最佳熱分布的一系列熱區(qū)。每一個(gè)熱區(qū)對(duì)應(yīng)于獨(dú)立可控電阻加熱器元件218的熱輸出。包含一個(gè)或多個(gè)光學(xué)高溫計(jì)的溫度傳感器234采集橫跨熔體的每一個(gè)獨(dú)立熱區(qū)的溫度讀數(shù)，每一個(gè)熱區(qū)由相應(yīng)加熱器元件控制。單個(gè)高溫計(jì)也可以掃描獨(dú)立的區(qū)，提供代表各區(qū)溫度的在線輸出信號(hào)236。溫度傳感器234還可以包括熱電偶，用于檢測(cè)圍繞坩堝200周圍布置的外加熱元件219的溫度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)封閉環(huán)路負(fù)載調(diào)節(jié)技術(shù)，溫度傳感器234將代表各個(gè)熱區(qū)溫度的在線信號(hào)236發(fā)送到加熱器控制單元240。加熱器控制單元240將相應(yīng)激活信號(hào)發(fā)送到每一個(gè)加熱元件，以將加熱元件維持在預(yù)定范圍。在實(shí)現(xiàn)了所需的控制設(shè)定點(diǎn)之后，加熱器和熔體溫度可以維持在窄范圍。應(yīng)該理解的是，電阻加熱元件218的分別控制在坩堝壁和晶體之間提供最佳溫度分布。提拉的速度(晶體生長(zhǎng)速度)通過(guò)在晶體和熔體之間界面處的溫度分布來(lái)控制。因此，本發(fā)明的該方面提供了橫跨熔體基本水平維持的最佳溫度分布，特別是在晶體熔體界面處提供了前所未有的更大控制的最佳溫度分布。應(yīng)該理解的是，這種最佳溫度分布是通過(guò)寬的長(zhǎng)寬比坩堝結(jié)合布置在坩堝下面或周圍的單獨(dú)控制加熱元件以及較淺深度的熔體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。再參考圖4，由于經(jīng)固態(tài)硅原料引入熔體中可引起溫度擾動(dòng)，因此通過(guò)硅預(yù)熔化器208實(shí)現(xiàn)熔體的改進(jìn)控制，其中硅的所有熔化均在坩堝外部完成。固態(tài)硅原料源209包含各種形式的硅原料，例如粉碎的硅、片、塊、來(lái)自流化床的顆粒、硅棒等。如圖5所示，預(yù)定直徑的晶體244可以用主動(dòng)反饋來(lái)精密地控制。當(dāng)晶體利用常規(guī)光學(xué)圖案識(shí)別技術(shù)生長(zhǎng)時(shí)，利用包含照相機(jī)或類似光檢測(cè)器系統(tǒng)的彎月面?zhèn)鞲衅?32來(lái)監(jiān)測(cè)晶體直徑。晶體生長(zhǎng)在晶體244和熔體222之間的彎月面界面207處發(fā)生并且調(diào)節(jié)提拉速度以產(chǎn)生所需晶錠直徑。以這種方法，利用主動(dòng)反饋可以精密地控制預(yù)定晶體直徑和晶體生長(zhǎng)速度。水平控制參考圖6，在 優(yōu)選實(shí)施方案中，通過(guò)主動(dòng)反饋系統(tǒng)檢測(cè)生長(zhǎng)坩堝中硅熔體重量和調(diào)節(jié)提供給預(yù)熔化器的硅原料的量以及從預(yù)熔化器208排放到熔體中的熔融硅的量或速度，從而實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)坩堝200中熔體222以及熔融硅原料從預(yù)熔化器208排放到熔體222中的速度的改進(jìn)水平控制。用于測(cè)定未裝填以及裝填有所需水平熔體的生長(zhǎng)坩堝的重量的敏感裝置由重量傳感器300來(lái)提供。適合的重量傳感器300包括一個(gè)或多個(gè)基于應(yīng)變計(jì)的測(cè)壓元件(loadcell)。每一個(gè)測(cè)壓元件均是將作用在其上的負(fù)荷或重量轉(zhuǎn)換為代表該負(fù)荷的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。坩堝200中硅熔體的重量使得與坩堝200接觸的機(jī)械桿或臂304的產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。這反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生與負(fù)荷成比例的電阻變化。測(cè)壓元件或重量傳感器300隨后產(chǎn)生代表熔體222重量的輸出信號(hào)，經(jīng)通信連接308輸送到基于微處理器的水平控制器306。通信連接308可以是電纜或光纖、遠(yuǎn)紅外或無(wú)線連接以提供穩(wěn)定的高溫操作。水平控制器306對(duì)重量傳感器300響應(yīng)從而產(chǎn)生輸出信號(hào)，經(jīng)通信連接310激勵(lì)分配器或流控制器312，該控制器312控制釋放預(yù)定量的固態(tài)硅原料209進(jìn)入預(yù)熔化器208。水平控制器306包含微處理器，該微處理器用于測(cè)定基于生長(zhǎng)坩堝中熔體所需深度D的預(yù)熔化器輸出。根據(jù)本發(fā)明一方面，這是由下列關(guān)系式確定的:D = (W-Wt) / (31 R2r)其中W是包含熔體222的坩堝200的總重量；Wt是未裝載時(shí)測(cè)量的坩堝200的重量；R是坩堝的內(nèi)徑是液態(tài)硅的密度。以這種方式，可以控制預(yù)熔化器中硅的水平和熔體222的水平。應(yīng)該理解的是，上述系統(tǒng)提供預(yù)熔化器的最佳輸出能力并使得能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)熔化器和生長(zhǎng)坩堝的精密控制的最佳補(bǔ)充。通過(guò)利用遠(yuǎn)低于常規(guī)CZ方法中的熔體裝料來(lái)進(jìn)行晶體生長(zhǎng)，這有利地增加生產(chǎn)量，并且還有助于減少硅在坩堝中的停留時(shí)間以及附帶減少雜質(zhì)。通過(guò)晶體生長(zhǎng)和從預(yù)熔化器截流的組合，這還使得新晶體能夠在清空坩堝之后更快地開(kāi)始。本發(fā)明上述特征提供單晶硅生長(zhǎng)方法，該方法使進(jìn)入熔體中的沉淀氧最小化并且使熔體中雜質(zhì)和偏析最小化或被消除。由于這些因素使得產(chǎn)生載流子復(fù)合位置的雜質(zhì)水平和缺陷結(jié)構(gòu)最小化，因此本發(fā)明方法在硅中直接實(shí)現(xiàn)了增加的少數(shù)載流子壽命。由于簡(jiǎn)化的晶體生長(zhǎng)裝置，與現(xiàn)有可能的生長(zhǎng)速度和成本相比，可以以更高的生長(zhǎng)速度和更低的成本來(lái)實(shí)現(xiàn)這種具有增加的少數(shù)載流子壽命的硅。由根據(jù)本發(fā)明方法生產(chǎn)的硅在提供更高效、低成本高壽命太陽(yáng)能電池方面具有特別的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)適用性范圍雖然結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明并不限于上述公開(kāi)的實(shí)施方案和替代方案，相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種修改和等價(jià)布置。例如，可按照CZ方法生長(zhǎng)的其它材料可用作熔融材料，例如砷化鎵、磷化鎵、藍(lán)寶石以及各種金屬、氧化物和氮化物。而且，抵抗由熔融硅引起的破壞的其它材料例如陶瓷涂層或各種金屬、氧化物、氮化物以及它們的組合也可以用于坩堝的組成，或者作為坩堝內(nèi)壁上的涂層?？梢蕴峁﹩为?dú)的堰或隔板以保護(hù)晶體免受對(duì)流和熱擾動(dòng)?？梢蕴峁┒鄠€(gè)提拉室以連續(xù)提拉相繼的晶體，而不必在坩堝之上的適當(dāng)位置處旋轉(zhuǎn)。重要的是，一系列晶體提拉室相繼位于坩堝之上，以重復(fù)基本連續(xù)的晶體生長(zhǎng)，而不需要在每一個(gè)生長(zhǎng)循環(huán)之后移除坩堝。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，所有的這種等價(jià)布置和修改均包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。序列清單以下內(nèi)容對(duì)應(yīng)于母案申請(qǐng)中的原始權(quán)利要求書，現(xiàn)作為說(shuō)明書的一部分并入此處:1.一種用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括:
包括底部和側(cè)壁的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納與從熔融材料生長(zhǎng)錠的籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量熔融材料；預(yù)熔化器，用于為坩堝提供熔融晶體原料的基本連續(xù)源，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)；布置在坩堝底部之下的環(huán)形加熱裝置，用于橫跨熔體和在晶體熔體界面處為最佳晶體生長(zhǎng)提供均勻熱分布。2.如項(xiàng)I中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，其中環(huán)形加熱裝置包括以輻射狀模式布置的多個(gè)獨(dú)立控制的電阻加熱器，以建立橫跨熔體的相應(yīng)熱區(qū)，每一個(gè)熱區(qū)由各電阻加熱器的熱輸出控制，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。3.如項(xiàng)I中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括:一個(gè)或多個(gè)分別控制的側(cè)壁加熱器以及一個(gè)或多個(gè)用于監(jiān)測(cè)每一個(gè)熱區(qū)溫度和用于產(chǎn)生代表檢測(cè)溫度的信號(hào)的傳感器；對(duì)傳感器信號(hào)作出響應(yīng)的控制裝置，用于激活每一個(gè)側(cè)壁加熱器和環(huán)形加熱裝置，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。4.如項(xiàng)I中的改進(jìn)CZ生長(zhǎng)器，還包括多個(gè)相繼關(guān)于坩堝布置的晶體提拉室，每一個(gè)提拉室包括用于在熔體/晶體界面處定位籽晶和用于提拉生長(zhǎng)錠的裝置，使得當(dāng)?shù)谝诲V的生長(zhǎng)完成時(shí)第一提拉室將第一錠移離坩堝以冷卻，并且后續(xù)提拉室移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于坩堝中的熔體/晶體界面處。
5.如項(xiàng)I中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，其中坩堝的低長(zhǎng)寬比(直徑對(duì)高度)為4: 1-10: 1，優(yōu)選約8: I。6.如項(xiàng)I中的用于連續(xù)生長(zhǎng)單晶錠的系統(tǒng)，還包括用于將一定量的摻雜劑材料加入到預(yù)熔化器中使得整個(gè)錠中摻雜劑濃度周向和徑向基本均勻的裝置。7.如項(xiàng)I或5中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括:低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝具有涂覆有選自α或β燒結(jié)碳化硅、氮化鉭或類似陶瓷的材料的內(nèi)表面,用于容納熔融材料。8.如項(xiàng)I或5中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括:低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝包含選自α或β燒結(jié)碳化硅、氮化鉭或類似陶瓷的材料。

9.一種用于連續(xù)生長(zhǎng)單晶錠的系統(tǒng)，包括:包括底部的低長(zhǎng)寬比、大直徑坩堝，用于容納晶體材料的熔體；預(yù)熔化器，該預(yù)熔化器具有用于接收晶體材料供給的進(jìn)口、用于熔化所述材料的裝置和用于當(dāng)熔體被生長(zhǎng)晶體吸收時(shí)補(bǔ)充熔體的與坩堝連通的出口，使得坩堝中的熔體相對(duì)于晶體維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)；多個(gè)相繼關(guān)于坩堝布置的晶體提拉室，使得在生長(zhǎng)第一錠時(shí)第一提拉室將第一錠移離坩堝以冷卻，并且后續(xù)提拉室移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于坩堝中。分別可控的加熱裝置，靠近坩堝底部布置，用于橫跨熔體和在晶體熔體界面處為改進(jìn)晶體生長(zhǎng)提供最佳熱分布。10.如項(xiàng)9中的用于連續(xù)生長(zhǎng)單晶錠的系統(tǒng)，還包括布置在晶體/熔體界面和預(yù)熔化器出口之間的熔體中的堰；該堰包括在熔體上方延伸的頂表面，以阻止當(dāng)將預(yù)熔化器中的熔融材料分配到熔體中時(shí)在熔體中形成波紋或熱擾動(dòng)。11.一種用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括:低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納與從熔融材料生長(zhǎng)錠的籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量熔融材料；預(yù)熔化器，用于接收固態(tài)晶體原料和摻雜劑的源和為坩堝提供熔融摻雜晶體原料的基本連續(xù)源；分別可控的加熱裝置，圍繞坩堝側(cè)面和靠近坩堝底部布置，用于橫跨熔體和在晶體熔體界面處為改進(jìn)晶體生長(zhǎng)提供最佳熱分布。12.對(duì)用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的CZ系統(tǒng)的改進(jìn)，包括:用于容納熔融晶體原料的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝包含選自α或β燒結(jié)碳化硅或類似陶瓷的材料。13.對(duì)用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的CZ系統(tǒng)的改進(jìn)，包括:低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝具有涂覆有選自α或β燒結(jié)碳化硅、氮化鉭或類似陶瓷的材料的內(nèi)表面，用于容納熔融原料。14.一種用于從置于坩堝中生長(zhǎng)界面處的籽晶來(lái)生長(zhǎng)錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括用于使接收自源的固態(tài)晶體原料熔融和為坩堝提供熔融晶體原料輸出的預(yù)熔化器，該系統(tǒng)包括:測(cè)壓元件裝置，用于檢測(cè)坩堝中熔體的重量和產(chǎn)生代表該檢測(cè)重量的輸出信號(hào)；
水平控制器，包括對(duì)來(lái)自測(cè)壓元件的信號(hào)作出響應(yīng)的微處理器，用于確定基于生長(zhǎng)坩堝中熔體的所需深度D的預(yù)熔化器輸出；流控制裝置，與水平控制器通信連接并且布置在固態(tài)原料源和預(yù)熔化器之間，用于對(duì)來(lái)自水平控制器的信號(hào)響應(yīng)從而截取或分配來(lái)自源的原料至預(yù)熔化器，使得預(yù)熔化器輸出將坩堝中熔體水平維持在最佳晶體生長(zhǎng)的預(yù)定深度。15.一種從置于熔融材料中晶體/熔體界面處的籽晶來(lái)改進(jìn)單晶錠生長(zhǎng)的方法，包括:在低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝中容納熔融材料，以減少熔體中的對(duì)流和熱變化；在預(yù)熔化器中熔化固態(tài)晶體材料，為坩堝提供熔融材料的基本連續(xù)的補(bǔ)充，從而將坩堝中的晶體/熔體界面維持在所需水平；在坩堝下面提供多個(gè)加熱器，用于橫跨熔體建立相應(yīng)熱區(qū)；控制加熱器的熱輸出，用于橫跨熔體和在晶體/熔體界面處為改進(jìn)晶體生長(zhǎng)提供最佳熱分布。16.根據(jù)項(xiàng)15的方法， 其中為坩堝提供熔融材料的基本連續(xù)的補(bǔ)充從而將晶體/熔體界面維持在所需水平的步驟還包括:測(cè)定坩堝中未裝填和裝填所需深度的熔體時(shí)坩堝的重量；檢測(cè)晶體生長(zhǎng)期間生長(zhǎng)坩堝的實(shí)際重量；和基于晶體生長(zhǎng)期間坩堝和熔體的實(shí)際重量和含有所需深度熔體的坩堝的測(cè)定重量之間的差異，通過(guò)驅(qū)動(dòng)分配器以釋放預(yù)定量的固態(tài)晶體原料進(jìn)入預(yù)熔化器從而在坩堝中維持所需深度的熔體來(lái)控制預(yù)熔化器的輸出。17.一種改進(jìn)的單晶材料，其特征在于高的少數(shù)載流子壽命，該單晶材料通過(guò)包括下列步驟的方法制成:從籽晶生長(zhǎng)單晶材料，該籽晶容納在寬直徑、低長(zhǎng)寬比坩堝中的晶體熔體界面處，以防止形成對(duì)流和使熔體中的氧最少化；在預(yù)熔化器中熔化晶體原料，用于坩堝中熔體的無(wú)擾動(dòng)補(bǔ)充；橫跨熔體提供多個(gè)分別可控的熱區(qū)，使得橫跨熔體以及特別是在熔體晶體界面處產(chǎn)生最佳熱分布。18.對(duì)用于從置于熔融材料中晶體熔體界面處的晶體來(lái)生長(zhǎng)錠的系統(tǒng)的改進(jìn)，所述熔融材料容納在具有可控氣氛的坩堝中，所述改進(jìn)包括:布置在坩堝可控氣氛中的預(yù)熔化器，用于為坩堝提供熔融晶體原料的連續(xù)源，使得晶體熔體界面相對(duì)于生長(zhǎng)錠維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)；包括熔化室的預(yù)熔化器，所述熔化室包括具有接收固態(tài)晶體原料源的進(jìn)口的第一部分和包括出口的第二部分，所述出口具有基本布置在坩堝中熔體水平處的出口端，用于為坩堝提供熔融原料的無(wú)擾動(dòng)分布；和靠近熔化室提供的加熱器，用于熔化固態(tài)晶體原料；和布置在熔化室中的堰，用于限定第一和第二部分，使得從第一部分的底部向上來(lái)填充第二部分，由此防止任意未熔融的、固態(tài)晶體原料進(jìn)入坩堝。19.如項(xiàng)18中的系統(tǒng)，還包括:對(duì)坩堝中晶體熔體界面水平作出響應(yīng)的控制裝置，該裝置與固態(tài)晶體原料的源連接，以可控地將固態(tài)晶體原料分配到預(yù)熔化器中，使得坩堝中熔融材料的深度維持在最佳晶體生長(zhǎng)的所需水平；和其中熔化室的出口包括具有進(jìn)口和出口的第二堰，用于將熔融原料連續(xù)補(bǔ)充到坩堝中。20.如項(xiàng)19中的系統(tǒng)，其中第二堰包括特征在于具有足夠尺寸的內(nèi)徑的管，以克服表面張力的影響和/或使熱擾動(dòng)最小化，同時(shí)維持熔融原料向坩堝中的補(bǔ)充。21.預(yù)熔化器，用于為在其中的晶體熔體界面處生長(zhǎng)錠的坩堝提供熔融晶體原料的連續(xù)流，該預(yù)熔化器包括:具有接收固態(tài)晶體原料的進(jìn)口和出口的熔化室，所述出口具有基本布置在晶體熔體界面水平處的遠(yuǎn)端，用于為坩堝提供熔融晶體原料的基本連續(xù)的補(bǔ)充；靠近熔化室的加熱器，用于使熔融晶體原料熔融；堰，提供在進(jìn)口和出口之間的熔化室中，以引導(dǎo)熔融晶體原料在堰之下向下流并且向上流入出口，由此防止由于密度低于熔融原料而不需要的固態(tài)晶體原料經(jīng)過(guò)出口到達(dá)坩堝。 22.根據(jù)項(xiàng)21的裝置，還包括:用于檢測(cè)坩堝中熔融材料的重量的裝置，所述重量對(duì)應(yīng)于與錠的生長(zhǎng)相關(guān)的晶體熔體界面的最佳水平；控制裝置，具有對(duì)檢測(cè)裝置作出響應(yīng)的輸入和與固態(tài)晶體原料源連接的輸出引線，用于可控地將固態(tài)晶體原料分配到預(yù)熔化器中，使得在坩堝中維持最佳的錠生長(zhǎng)。23.一種用于在坩堝中基本均勻熔化晶體原料的裝料的改進(jìn)方法，所述裝料包括特征在于主要尺寸在小至1_或更小量級(jí)上的固體塊、棒或顆粒，所述改進(jìn)方法包括:在以低長(zhǎng)寬比和寬直徑底部為特征的坩堝中容納晶體原料；在坩堝底部下面提供多個(gè)獨(dú)立可控的加熱器，以橫跨坩堝建立多個(gè)可控?zé)釁^(qū)，這樣由于更大的接觸表面積以及進(jìn)入坩堝中裝料的更短熱通道，熱被均勻地驅(qū)入顆粒中；激活每一個(gè)加熱器，使得每一個(gè)加熱器的熱輸出提供通過(guò)裝料的最佳溫度分布，從而均勻并快速地熔化顆粒；通過(guò)測(cè)量每一個(gè)加熱器相對(duì)于快速實(shí)現(xiàn)均勻熔化顆粒所需時(shí)間的功率消耗，從而測(cè)定最佳溫度分布；和根據(jù)所測(cè)定的功率消耗，將功率施加到每一個(gè)加熱器，從而控制每一個(gè)加熱器。24.一種用于在坩堝中基本均勻熔化晶體原料的裝料的裝置，所述裝料包括特征在于主要尺寸在小至1_或更小量級(jí)上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括:低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝底，用于容納熔融晶體原料；提供在坩堝底部下面的多個(gè)獨(dú)立可控的加熱器，用于橫跨坩堝中熔融晶體原料建立相應(yīng)熱區(qū)，這樣由于更大的接觸表面積以及進(jìn)入坩堝中包括固體材料的裝料的更短熱通道，熱被均勻地驅(qū)入顆粒中；和用于施加功率的裝置，用于熱激活每一個(gè)加熱器以實(shí)現(xiàn)最佳溫度分布，使得熱區(qū)以所需的速度將熱均勻地驅(qū)入固體材料中。25.根據(jù)項(xiàng)24的裝置，還包括:控制裝置，用于監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)最佳溫度分布所需的每一個(gè)加熱器的功率消耗和用于根據(jù)所測(cè)定的功率消耗來(lái)施加功率以熱激活每一個(gè)加熱器，從而以所需速度實(shí)現(xiàn)顆粒均勻熔化的可重復(fù)狀態(tài)。26.根據(jù)項(xiàng)24的裝置，其中坩堝的直徑對(duì)高度的低長(zhǎng)寬比為4: 1-10: 1，優(yōu)選約 8: I。27.一種用于在坩堝中基本均勻熔化硅或多晶硅晶體材料的裝料的裝置，所述裝料包括下至主要尺寸在1_或更小量級(jí)上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括:低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納硅或多晶硅熔體；布置在坩堝之下的多個(gè)獨(dú)立可控的加熱器，用于建立穿過(guò)熔體的相應(yīng)熱區(qū)，這樣熱被均勻地驅(qū)入到更大的接觸表面積中以及通向坩堝中包括固體材料的裝料的更短熱通道中；用于熱激活每一個(gè)加熱器的裝置，以實(shí)現(xiàn)橫跨熔體的最佳熱分布，使得顆粒以所需速度均勻熔化；和控制裝置，用于通過(guò)監(jiān)測(cè)被每一個(gè)加熱器所消耗的功率來(lái)選擇性控制每一個(gè)加熱器的熱激活，以實(shí)現(xiàn)橫跨熔體的最佳熱分布。28.根據(jù)項(xiàng)27的裝置，其中坩堝的低長(zhǎng)寬比(直徑對(duì)高度)為4: 1-10: 1，最優(yōu)選約8: I。29.一種用于從熔融硅材料生長(zhǎng)單晶硅錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括:包括底部和側(cè)壁的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納與從熔融材料生長(zhǎng)錠的籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量熔融硅；預(yù)熔化器，用于 為坩堝提供熔融硅原料的連續(xù)源，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)；布置在坩堝底部之下的環(huán)形加熱裝置，用于橫跨熔體和在晶體熔體界面處為最佳晶體生長(zhǎng)提供均勻熱分布。30.如項(xiàng)29中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，其中環(huán)形加熱裝置包括以輻射狀模式布置的多個(gè)獨(dú)立控制的電阻加熱器，以建立橫跨熔體的相應(yīng)熱區(qū)，每一個(gè)熱區(qū)由各電阻加熱器的熱輸出控制，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。31.一種高純度單晶錠，其特征在于大量減少的位錯(cuò)缺陷以及軸向和徑向均勻的電阻率或電導(dǎo)率，該單晶錠通過(guò)包括下列步驟的方法制成:從籽晶生長(zhǎng)單晶錠，該籽晶容納在寬直徑、低長(zhǎng)寬比坩堝中的晶體熔體界面處，以防止形成對(duì)流和使熔體中的氧最少化；在與坩堝連通的預(yù)熔化器中熔化晶體原料并提供摻雜劑，以便維持坩堝中熔體無(wú)熱擾動(dòng)的補(bǔ)充；在坩堝之下提供多個(gè)獨(dú)立可控加熱器，以建立橫跨熔體以及特別是在晶體熔體界面處的可控?zé)釁^(qū)，使得橫跨生長(zhǎng)錠的半徑而維持均勻熱分布。
權(quán)利要求
1.一種用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括: 包括底部和側(cè)壁的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納與從熔融材料生長(zhǎng)錠的籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量熔融材料，其中所述坩鍋的低長(zhǎng)寬比，直徑對(duì)高度，為4: 1-10: I ； 預(yù)熔化器，用于為坩堝提供熔融晶體原料的基本連續(xù)源，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)； 包括以輻射狀模式布置在坩堝底部之下的獨(dú)立可控加熱元件的環(huán)形加熱裝置，對(duì)用于對(duì)每個(gè)加熱元件施加功率的控制器作出響應(yīng)，使得橫跨熔體和生長(zhǎng)晶體的半徑建立代表對(duì)于晶體生長(zhǎng)最佳的熱分布的相應(yīng)熱區(qū)。
2.如權(quán)利要求1中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，其中環(huán)形加熱裝置包括以輻射狀模式布置的多個(gè)獨(dú)立控制的電阻加熱器，以建立橫跨熔體的相應(yīng)熱區(qū)，每一個(gè)熱區(qū)由各電阻加熱器的熱輸出控制，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。
3.如權(quán)利要求1中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括: 一個(gè)或多個(gè)分別控制的側(cè)壁加熱器以及一個(gè)或多個(gè)用于監(jiān)測(cè)每一個(gè)熱區(qū)溫度和用于產(chǎn)生代表檢測(cè)溫度的信號(hào)的傳感器； 對(duì)傳感器信號(hào)作出響應(yīng)的控制裝置，用于激活每一個(gè)側(cè)壁加熱器和環(huán)形加熱裝置，使得橫跨熔體和在晶體熔體界面處建立最佳熱分布。
4.如權(quán)利要求1中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括多個(gè)相繼關(guān)于坩堝布置的晶體提拉室，每一個(gè)提拉室包括用于在熔體/晶體界面處定位籽晶和用于提拉生長(zhǎng)錠的裝置，使得當(dāng)?shù)谝诲V的生長(zhǎng)完成時(shí)第一提拉室將第一錠移離坩堝以冷卻，并且后續(xù)提拉室移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于坩堝中的熔體/晶體界面處。
5.如權(quán)利要求1中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，其中坩堝的低長(zhǎng)寬比為8: I。
6.如權(quán)利要求1中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括用于將一定量的摻雜劑材料加入到預(yù)熔化器中使得整個(gè)錠中摻雜劑濃度周向和徑向基本均勻的裝置。
7.如權(quán)利要求1或5中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括: 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝具有涂覆有選自α或β燒結(jié)碳化硅或氮化鉭的材料的內(nèi)表面，用于容納熔融材料。
8.如權(quán)利要求1或5中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，還包括: 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝包含選自α或β燒結(jié)碳化硅或氮化鉭的材料。
9.如權(quán)利要求1中的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，其中所述預(yù)熔化器用于使接收自源的固態(tài)晶體原料熔融和為坩堝提供熔融晶體原料輸出，該系統(tǒng)還包括: 測(cè)壓元件裝置，用于檢測(cè)坩堝中熔體的重量和產(chǎn)生代表該檢測(cè)重量的輸出信號(hào)； 水平控制器，包括對(duì)來(lái)自測(cè)壓元件的信號(hào)作出響應(yīng)的微處理器，并用于基于生長(zhǎng)坩堝中熔體的所需深度D確定預(yù)熔化器的輸出； 流控制裝置，與水平控制器通信連接并且布置在固態(tài)原料源和預(yù)熔化器之間，用于對(duì)來(lái)自水平控制器的信號(hào)響應(yīng)從而截取或分配來(lái)自源的原料至預(yù)熔化器，使得預(yù)熔化器輸出將坩堝中熔體水平維持在最佳晶體生長(zhǎng)的預(yù)定深度。
10.一種用于連續(xù)生長(zhǎng)單晶錠的系統(tǒng)，包括: 包括底部的低長(zhǎng)寬比、大直徑坩堝，用于容納晶體材料的熔體，其中所述坩鍋的低長(zhǎng)寬t匕，直徑對(duì)高度，為4: 1-10: I ； 預(yù)熔化器，該預(yù)熔化器具有用于接收晶體材料供給的進(jìn)口、用于熔化所述材料的裝置和用于當(dāng)熔體被生長(zhǎng)晶體吸收時(shí)補(bǔ)充熔體的與坩堝連通的出口，使得坩堝中的熔體相對(duì)于晶體維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)； 多個(gè)相繼關(guān)于坩堝布置的晶體提拉室，使得在生長(zhǎng)第一錠時(shí)第一提拉室將第一錠移離坩堝以冷卻，并且后續(xù)提拉室移動(dòng)來(lái)將新晶體定位于坩堝中； 分別可控的加熱裝置，靠近坩堝底部布置，對(duì)用于維持每個(gè)加熱裝置的熱輸出的控制器作出響應(yīng)，使得橫跨熔體和橫跨生長(zhǎng)晶體的半徑建立代表最佳熱分布的相應(yīng)熱區(qū)。
11.如權(quán)利要求10中的用于連續(xù)生長(zhǎng)單晶錠的系統(tǒng)，還包括布置在晶體/熔體界面和預(yù)熔化器出口之間的熔體中的堰；該堰包括在熔體上方延伸的頂表面，以阻止當(dāng)將預(yù)熔化器中的熔融材料分配到熔體中時(shí)在熔體中形成波紋或熱擾動(dòng)。
12.一種用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括: 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納與從熔融材料生長(zhǎng)錠的籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量熔融材料，其中所述坩鍋的低長(zhǎng)寬比，直徑對(duì)高度，為4: 1-10: I ； 預(yù)熔化器，用于接收固態(tài)晶體原料和摻雜劑的源和為坩堝提供熔融摻雜晶體原料的基本連續(xù)源； 分別可控的加熱裝置，圍繞坩堝側(cè)面和以輻射狀模式靠近坩堝底部布置，用于橫跨熔體和在晶體熔體界面處為改進(jìn)晶體生長(zhǎng)提供最佳熱分布。
13.如權(quán)利要求12的用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括: 用于容納熔融晶體原料的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝包含選自α或β燒結(jié)碳化硅的材料。
14.如權(quán)利要求12的用于從熔融晶體原料生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括: 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，該坩堝具有涂覆有選自α或β燒結(jié)碳化硅或氮化鉭的材料的內(nèi)表面，用于容納熔融原料。
15.一種從置于熔融材料中晶體/熔體界面處的籽晶來(lái)改進(jìn)單晶錠生長(zhǎng)的方法，包括: 在低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝中容納熔融材料，以減少熔體中的對(duì)流和熱變化，其中所述坩鍋的低長(zhǎng)寬比，直徑對(duì)高度，為4: 1-10: I ； 在預(yù)熔化器中熔化固態(tài)晶體材料，為坩堝提供熔融材料的基本連續(xù)的補(bǔ)充，從而將坩堝中的晶體/熔體界面維持在所需水平； 在坩堝下面以輻射狀模式提供分別可控的加熱器，用于橫跨熔體建立相應(yīng)熱區(qū)；控制加熱器的熱輸出，用于橫跨熔體和在晶體/熔體界面處為改進(jìn)晶體生長(zhǎng)提供最佳熱分布。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中為坩堝提供熔融材料的基本連續(xù)的補(bǔ)充從而將晶體/熔體界面維持在所需水平的步驟還包括: 測(cè)定坩堝中未裝填和裝填所需深度的熔體時(shí)坩堝的重量； 檢測(cè)晶體生長(zhǎng)期間生長(zhǎng)坩堝的實(shí)際重量；和基于晶體生長(zhǎng)期間坩堝和熔體的實(shí)際重量和含有所需深度熔體的坩堝的測(cè)定重量之間的差異，通過(guò)驅(qū)動(dòng)分配器以釋放預(yù)定量的固態(tài)晶體原料進(jìn)入預(yù)熔化器從而在坩堝中維持所需深度的熔體來(lái)控制預(yù)熔化器的輸出。
17.一種用于在坩堝中基本均勻熔化晶體原料的裝料的裝置，所述裝料包括特征在于主要尺寸在小至1_或更小量級(jí)上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括: 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納熔融晶體原料，其中所述坩鍋的低長(zhǎng)寬比，直徑對(duì)高度，為 4: 1-10: I ； 以輻射狀設(shè)置在坩堝底部下面的獨(dú)立可控的加熱器，用于橫跨坩堝中熔融晶體原料建立相應(yīng)熱區(qū)，這樣由于更大的接觸表面積以及進(jìn)入坩堝中包括固體材料的裝料的更短熱通道，熱被均勻地驅(qū)入顆粒中；和 用于施加功率的裝置，用于熱激活每一個(gè)加熱器以在相應(yīng)熱區(qū)中實(shí)現(xiàn)最佳溫度分布，使得熱區(qū)以所需的速度將熱均勻地驅(qū)入固體材料中。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，還包括: 控制裝置，用于監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)最佳溫度分布所需的每一個(gè)加熱器的功率消耗和用于根據(jù)所測(cè)定的功率消耗來(lái)施加功率以熱激活每一個(gè)加熱器，從而以所需速度實(shí)現(xiàn)顆粒均勻熔化的可重復(fù)狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其中坩堝的直徑對(duì)高度的低長(zhǎng)寬比為8: I。
20.一種用于在坩堝中基本均勻熔化硅或多晶硅晶體材料的裝料的裝置，所述裝料包括下至主要尺寸在1_或更小量級(jí)上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括: 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，用于容納硅或多晶硅熔體，其中所述坩鍋的低長(zhǎng)寬比，直徑對(duì)高度，為 4: 1-10: I ； 以輻射狀模式布置在坩堝之下的獨(dú)立可控的加熱器，用于建立穿過(guò)熔體的相應(yīng)熱區(qū)，這樣熱被均勻地驅(qū)入到更大的接觸表面 積中以及通向坩堝中包括固體材料的裝料的更短熱通道中； 用于熱激活每一個(gè)加熱器的裝置，以實(shí)現(xiàn)橫跨熔體的最佳熱分布，使得顆粒以所需速度均勻熔化；和 控制裝置，用于通過(guò)監(jiān)測(cè)被每一個(gè)加熱器所消耗的功率來(lái)選擇性控制每一個(gè)加熱器的熱激活，以實(shí)現(xiàn)橫跨熔體的最佳熱分布。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中坩堝的低長(zhǎng)寬比為8: I。
22.一種用于從布置在熔融材料中的晶體熔體界面處的晶體生長(zhǎng)錠的系統(tǒng)，所述熔融材料包含于具有控制氣氛的坩堝中，所述改進(jìn)包括:布置在坩堝的控制氣氛內(nèi)的預(yù)熔化器，用于為坩堝提供熔融晶體原料的連續(xù)源，使得熔體晶體界面相對(duì)于生長(zhǎng)中的錠維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)； 所述預(yù)熔化器包括熔化室，所述熔化室包括具有用于接收固態(tài)晶體原料的源的入口的第一部分和包括出口的第二部分，所述出口具有基本上位于坩堝中的熔體水平處的排出端，用于為坩堝提供熔融原料的無(wú)擾動(dòng)分布；以及 靠近熔化室提供的加熱器，用于熔化固態(tài)晶體原料； 布置在熔化室中的堰，用于限定所述的第一和第二部分，使得從第一部分的底部向上填充第二部分，從而防止任何未熔化的固態(tài)晶體原料穿過(guò)到達(dá)坩堝； 控制裝置，對(duì)坩堝中的晶體熔體界面水平作出響應(yīng)并且具有與固態(tài)晶體原料的源的連接，用于將固態(tài)晶體原料可控地分配到預(yù)熔化器中，使得熔融材料在坩堝中的深度維持在最佳晶體生長(zhǎng)的所需水平；以及 其中熔化室的出口包括具有入口和出口的第二堰，用于為坩堝提供熔融原料的連續(xù)補(bǔ)充。
23.一種用于從晶體生長(zhǎng)錠的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 用于為坩堝提供熔融晶體原料的連續(xù)流的預(yù)熔化器，用于在坩堝內(nèi)的晶體熔體界面處生長(zhǎng)錠，所述預(yù)熔化器包括:熔化室，所述熔化室具有用于接收固態(tài)晶體原料的源的入口和具有基本上位于晶體熔體界面水平處的遠(yuǎn)端的出口，用于為坩堝提供熔融晶體原料的基本連續(xù)補(bǔ)充； 靠近熔化室的加熱器，用于熔化熔融晶體原料；以及 提供在熔化室中的入口和出口之間的堰，用于引導(dǎo)熔融晶體原料向下流至所述堰之下并且向上流入出口，從而防止不希望的固態(tài)晶體原料由于密度比熔融原料的密度低而穿過(guò)出口到達(dá)坩堝； 測(cè)壓元件，感應(yīng)與關(guān)于錠生長(zhǎng)的晶體熔體界面的最佳水平相對(duì)應(yīng)的坩堝中熔融材料的重量；以及 控制裝置，具有對(duì)用于感應(yīng)的裝置作出響應(yīng)的輸入以及連接至固態(tài)晶體原料源的輸出，用于將固態(tài)晶體原料可控地分配到預(yù)熔化器，使得坩堝中維持最佳錠生長(zhǎng)。
24.一種用于引起硅或多晶硅晶體材料的裝料的基本均勻熔化的裝置，所述裝料包括特征在于主要尺寸為1_或更小量級(jí)上的固體塊、棒或顆粒，所述裝置包括: 底部； 低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，與底部固定結(jié)合并且具有淺的側(cè)壁，用于容納硅或多晶硅材料的裝料； 靠近坩堝連續(xù)布置的多個(gè)獨(dú)立控制的加熱器，用于建立穿過(guò)熔體的相應(yīng)熱區(qū)，這樣熱通過(guò)更大的接觸表面積和更短的熱通道被均勻地驅(qū)入到坩堝中包括固體塊、棒或顆粒的裝料中； 用于熱激活每一個(gè)加熱器以實(shí)現(xiàn)橫跨熔體的最佳熱分布的裝置，使得顆粒以所需速度均勻地熔化；和 控制裝置，用于通過(guò)監(jiān)測(cè)每一個(gè)加熱器所消耗的功率來(lái)選擇性控制每一個(gè)加熱器的熱輸出，以橫跨熔體維持最佳熱分布。
25.如權(quán)利要求24的裝置，還包括以同軸方式布置在坩堝中的堰，用于限定相對(duì)于坩堝的側(cè)壁在所述堰的外側(cè)的第一熔融區(qū)以及限定在所述堰的內(nèi)側(cè)的第二晶體生長(zhǎng)區(qū)以從熔融硅或多晶硅晶體材料提拉晶體。
26.如權(quán)利要求24的裝置，其中所述裝置不包括用于坩堝的垂直移動(dòng)的抬升機(jī)構(gòu)。
27.一種用于生長(zhǎng)單晶錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括: 生長(zhǎng)室; 與生長(zhǎng)室固定結(jié)合的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，包括底部和側(cè)壁，用于容納與籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量的熔融晶體材料，以從熔融材料提拉錠； 用于為坩堝提供晶體材料的基本連續(xù)源的裝置，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)；和 環(huán)形加熱裝置，包括靠近坩堝的底部在離坩堝的底部固定距離處連續(xù)提供的獨(dú)立可控加熱區(qū)，每一個(gè)加熱區(qū)將所需量的熱能傳遞到坩堝的相鄰部分，以為了最佳晶體生長(zhǎng)提供橫跨坩堝和在晶體/熔體界面處的可控?zé)岱植肌?br> 28.如權(quán)利要求27的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)不包括用于坩堝的垂直移動(dòng)的抬升機(jī)構(gòu)。
29.—種用于連續(xù)Czochralski晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng),包括: 低長(zhǎng)寬比、大直徑坩堝，用于容納一定量的熔融晶體材料，包括布置在晶體/熔體界面處的籽晶； 用于將從晶體/熔體界面處的籽晶提拉的錠包封的生長(zhǎng)室，坩堝與生長(zhǎng)室固定結(jié)合；相對(duì)于生長(zhǎng)室布置的多個(gè)提拉室，用于從熔體提拉錠，使得當(dāng)?shù)谝诲V完成時(shí)第一提拉室將完成的第一錠移離生長(zhǎng)室，并且后續(xù)提拉室來(lái)將后續(xù)籽晶定位于晶體/熔體界面處；水平控制器，用于在從熔體提拉錠時(shí)感應(yīng)并維持熔體的恒定水平；對(duì)水平控制器作出響應(yīng)的晶體材料源，用于在每一個(gè)錠被提拉時(shí)補(bǔ)充熔體；以及底部加熱器，包括固定地連續(xù)布置于坩堝之下并且對(duì)控制器作出響應(yīng)的一系列獨(dú)立可控加熱元件，使得每一個(gè)加熱元件的熱輸出建立基本上水平地橫跨熔體的相應(yīng)可控?zé)釁^(qū)。
30.如權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)不包括用于坩堝的垂直移動(dòng)的抬升機(jī)構(gòu)。
31.一種用于連續(xù)Czochralski晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng),包括: 低長(zhǎng)寬比、大直徑坩堝，用于容納一定量的熔融晶體材料而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)，所述坩堝包括固態(tài)晶體原料，包含特征在于所需水平的熔體； 位于晶體/熔體界面處的籽晶； 多個(gè)提拉室，用于從籽晶相繼提拉錠； 在坩堝中以晶體/熔體界面的外側(cè)限定的補(bǔ)充區(qū)，用于接收一定量的晶體原料以維持熔體在所需水平； 用于容納自晶體/熔體界面生長(zhǎng)的錠的生長(zhǎng)室，坩堝與生長(zhǎng)室固定結(jié)合； 用于將每一個(gè)最終錠相繼移離生長(zhǎng)室的裝置； 對(duì)水平控制器作出響應(yīng)的晶體材料源，用于在生長(zhǎng)每一個(gè)錠時(shí)補(bǔ)充堰的外側(cè)的熔體；以及 連續(xù)布置在坩堝之下的多個(gè)環(huán)形底部加熱器，每一個(gè)加熱器單獨(dú)地對(duì)控制器作出響應(yīng)，以設(shè)定熱輸出，使得基本上水平地橫跨熔體建立所需的熱區(qū)。
32.如權(quán)利要求31的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)不包括用于坩堝的垂直移動(dòng)的抬升機(jī)構(gòu)。
33.一種用于在連續(xù)晶體生長(zhǎng)裝置中控制晶體生長(zhǎng)的系統(tǒng)，在連續(xù)晶體生長(zhǎng)裝置中按照Czochralski過(guò)程生長(zhǎng)晶體錠，所述晶體生長(zhǎng)裝置包括:具有底部和側(cè)壁的熔體坩堝，所述坩堝包含熔體和自其提拉錠的晶體/熔體界面；在晶體/熔體界面上依次布置的多個(gè)提拉室，用于提拉錠；和提供到坩堝中的晶體原料的源，從而在生長(zhǎng)錠時(shí)補(bǔ)充熔體，所述系統(tǒng)包括: 生長(zhǎng)室; 低長(zhǎng)寬比、大直徑熔體坩堝，與生長(zhǎng)室固定結(jié)合；和 在側(cè)壁周圍位置固定并且以環(huán)形模式連續(xù)地橫跨坩堝底部的獨(dú)立可控加熱器元件，控制器，用于獨(dú)立激勵(lì)每一個(gè)加熱器元件的熱輸出至設(shè)定點(diǎn)以維持熔體中的相應(yīng)熱區(qū)，使得加熱器元件的組合熱輸出提供水平地橫跨熔體和在晶體/熔體界面處的基本恒定熱分布。
34.如權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)不包括用于坩堝的垂直移動(dòng)的抬升機(jī)構(gòu)。
35.一種用于熔化多晶硅的裝料的方法，所述方法包括:將固態(tài)多晶硅引入低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，所述坩堝在多晶硅熔化過(guò)程中在垂直軸上固定； 熱激活靠近坩堝連續(xù)布置的多個(gè)獨(dú)立控制的加熱器，以實(shí)現(xiàn)最佳熱分布；和通過(guò)監(jiān)測(cè)每一個(gè)加熱器所消耗的功率來(lái)選擇性控制每一個(gè)加熱器的熱輸出，以橫跨熔體維持最佳熱分布。
36.一種用于改進(jìn)從錠和熔體之間的晶體/熔體界面生長(zhǎng)單晶錠的方法，所述方法包括: 在預(yù)熔化器中熔化固態(tài)晶體材料； 從預(yù)熔化器將熔融材料連續(xù)輸出至低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，所述坩堝在錠生長(zhǎng)過(guò)程中在垂直軸上固定； 熱激活靠近坩堝連續(xù)布置的多個(gè)獨(dú)立控制的加熱器；以及 在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中控制每一個(gè)加熱器的熱輸出，以橫跨熔體和在晶體/熔體界面處為改進(jìn)晶體生長(zhǎng)提供最佳熱分布。
37.如權(quán)利要求36的方法，包括在多個(gè)晶體提拉室中自熔體生長(zhǎng)晶體。
38.一種用于從熔融硅材料生長(zhǎng)一種或更多種單晶硅錠的改進(jìn)CZ系統(tǒng)，包括: 固定的低長(zhǎng)寬比、寬直徑坩堝，所述坩堝包括底部和側(cè)壁，用于容納與用于從熔融材料生長(zhǎng)錠的籽晶相關(guān)的熔體/晶體界面處的一定量的熔融硅； 預(yù)熔化器，用于為坩堝提供熔融硅原料的連續(xù)源，使得熔體/晶體界面維持在所需水平而沒(méi)有坩堝的垂直移動(dòng)； 相對(duì)于坩堝可旋轉(zhuǎn)地布置的多個(gè)生長(zhǎng)室，用于提拉籽晶以形成錠，使得同一坩堝由預(yù)熔化器被重新裝料用于每一個(gè)生長(zhǎng)室； 在離坩堝底部固定距離處布置在坩堝底部之下的環(huán)形加熱裝置，用于橫跨坩堝和在晶體/熔體界面處為最佳晶體生長(zhǎng)提供均勻熱分布。
全文摘要
用于單晶錠連續(xù)生長(zhǎng)的基于Czochralski法的改進(jìn)系統(tǒng)，包括低長(zhǎng)寬比、大直徑以及基本平坦的坩堝，該坩堝包括圍繞晶體的任選堰。低長(zhǎng)寬比坩堝基本消除對(duì)流并減少最終單晶硅錠中的氧含量。獨(dú)立的水平可控硅預(yù)熔化室為生長(zhǎng)坩堝提供熔融硅的連續(xù)源，有利地消除了在晶體提拉過(guò)程中對(duì)垂直移動(dòng)以及坩堝抬升系統(tǒng)的需求。坩堝下面的多個(gè)加熱器建立橫跨熔體的相應(yīng)熱區(qū)。分別控制各加熱器的熱輸出以提供橫跨熔體以及在晶體/熔體界面處的最佳熱分布。提供多個(gè)晶體提拉室用于連續(xù)加工和高生產(chǎn)量。
文檔編號(hào)C30B1/00GK103205802SQ20131006660
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2005年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月27日
發(fā)明者大衛(wèi)·L·本德 申請(qǐng)人:索拉克斯有限公司