包括坩埚和屏障的拉晶系统和方法与流程

本公开总体上涉及用于由熔体形成半导体或太阳能材料的晶锭的单晶拉制系统，并且更具体地涉及包括坩埚和限制熔体内的运动的屏障的系统和方法。

背景技术：

在通过提拉(cz)法生长的单晶硅的生产中，将多晶硅在拉晶装置的诸如为石英坩埚的坩埚中熔化，以形成硅熔体。拉晶器将籽晶下降到熔体中，并且缓慢地将籽晶从熔体中提升出来，从而使熔体在籽晶上凝固以形成晶锭。在连续cz法中，在将籽晶从熔体中提升出来的同时，将多晶硅添加到熔体中。多晶硅的添加可能影响熔体的温度，并且可能沿熔体表面产生干扰。然而，必须维持紧邻晶锭的熔体表面的温度和稳定性基本恒定，以生产高品质的单晶。另外，紧邻晶锭的熔体必须保持不含固体原料。而且，必须严格控制熔体的特性，例如含氧量。用于实现这些目标的现有系统还不能完全令人满意。因此，需要一种更有效和高效的系统和方法来控制紧邻晶锭的熔体的特性。

此“背景技术”部分意在向读者介绍可能与下文所描述和/或要求保护的本发明的各方面相关的技术的各个方面。相信此讨论有助于为读者提供背景信息，以帮助更好地理解本发明的各方面。因此，应当理解的是，这些叙述应当从这个角度阅读，而不是认可为已有技术。

技术实现要素：

在一个方面，一种用于由熔体形成晶锭的系统包括限定用于接纳熔体的凹腔的第一坩埚和在凹腔中的第二坩埚。第二坩埚将外部区域与内部区域分隔开。第二坩埚包括穿过其中的通道，以允许位于外部区域内的熔体移动到内部区域中。内部区域限定用于晶锭的生长区域。该系统还包括位于外部区域内的屏障，以限制熔体移动通过外部区域。屏障包括布置成限定用于熔体流动的迷宫的构件。

在另一方面，一种用于由熔体形成晶锭的系统包括限定用于接纳熔体的凹腔的坩埚和连接到该坩埚的堰体。堰体位于凹腔中，以限制熔体从堰体的外侧向堰体的内侧移动。坩埚和堰体形成外部区域和内部区域。堰体包括一通道，以允许位于外部区域内的熔体移动到内部区域中。该系统还包括在外部区域内的屏障，以限制熔体移动通过外部区域。屏障包括布置成限定用于熔体流动的间隙的迷宫的构件。

在另一方面，描述了一种用于在拉晶系统中由熔体拉制晶锭的方法。该系统包括限定凹腔的坩埚。该方法包括将第一屏障放置在凹腔内以限制熔体从第一屏障外侧的位置向第一屏障内侧的位置的运动。该方法还包括将第二屏障放置在凹腔内的第一屏障与坩埚之间。第二屏障限定了用于供熔体流过的间隙的迷宫。该方法还包括将原料放入凹腔中并使原料在第二屏障上方熔化以形成熔体。熔体移动通过第二屏障中的间隙。

存在对关于上述各方面提及的特征的各种改进。其它特征也可以结合在上述各方面中。这些改进和附加的特征可以单独地或以任意组合存在。例如，下面关于图示的任意实施例所讨论的各种特征可以单独地或以任意组合结合在任一上述方面中。

附图说明

图1是拉晶系统的示意图。

图2是图1所示的拉晶系统的一部分的示意图。

图3是包括堰体的拉晶系统的一部分的示意图。

图4是包括屏障环的拉晶系统的一部分的示意图。

图5是图4所示的拉晶系统的另一构型的示意图。

图6是包括屏障环的拉晶系统的示意图。

在全部附图的多个视图中，对应的附图标记表示对应的部件。

具体实施方式

参照图1，其示意性示出了拉晶系统，总体上以100表示。拉晶系统100可用于通过提拉法来生产晶锭。

图示的拉晶系统100包括支承坩埚组件104的基座102，该坩埚组件104容纳半导体或太阳能级材料(例如，硅)的熔体106。可以通过加热固体原料111来形成熔体106。在系统100运转期间，由拉晶器110将籽晶112下降到熔体106中，然后从熔体106缓慢地提起。当籽晶112被从熔体106中缓慢地提起时，来自熔体106的硅原子自身与籽晶112对准并附着于其上以形成晶锭108。图示的系统100还包括热屏障114，以屏蔽晶锭108免受来自熔体106的辐射热并允许晶锭108固化。

坩埚组件104包括第一坩埚116和第二坩埚118。在其它实施例中，除了第一坩埚116和第二坩埚118中的任一者之外或代替第一坩埚116和第二坩埚118中的任一者，系统100还可以包括一个或多个堰体。在合适的实施例中，坩埚组件104可以由使系统100能够如所描述的那样操作的任何合适的材料构造而成。例如，在一些实施例中，坩埚组件104可以由石英构成。

第一坩埚116包括第一基部120和第一侧壁122。第二坩埚118包括第二基部124和第二侧壁126。在图示的实施例中，第一侧壁122围绕第一基部120的圆周延伸且第二侧壁126围绕第二基部124的圆周延伸。凹腔132由第一坩埚116的第一基部120和第一侧壁122的内表面形成。在其它实施例中，坩埚组件104可以包括使系统100能够如描述的那样操作的任何坩埚。

在此实施例中，第一坩埚116和第二坩埚118的尺寸和形状设置成允许将第二坩埚118放置在第一坩埚116的凹腔132内。在一些实施例中，第一坩埚116可以具有40、36、32、28或24英寸的外径，而第二坩埚118可以具有36、32、28、24、22或20英寸的外径。在其它实施例中，第一坩埚116和第二坩埚118中的每一者可以具有使系统100能够如所描述的那样操作的任何合适的直径。例如，在一些实施例中，第一坩埚116可具有32英寸的外径，而第二坩埚118可具有22英寸的外径。

第一坩埚116和第二坩埚118形成外部区域134和内部区域136。外部区域134在凹腔132中形成于第一侧壁122的内表面与第二侧壁126的外表面之间。内部区域136形成在第二坩埚118内。外部区域134和内部区域136的尺寸由第一坩埚116和第二坩埚118的尺寸决定。例如，内部区域136的直径等于第二坩埚118的内径。在一些实施例中，内部区域136具有大约19英寸的直径。此外，在此实施例中，内部区域136基本上没有屏障和障碍物。结果，与一些已知系统相比，晶锭108的生长区域可以增加，并且从生长区域到任何屏障例如侧壁126的内表面的距离可以增大。而且，与具有较小生长区域的系统相比，内部区域136为熔体106提供了更大的自由表面区域，并允许更好的氧释放。

第二坩埚118形成第一屏障，其限制熔体106从外部区域134流入内部区域136。坩埚通道138延伸穿过第二坩埚118的侧壁126，以便熔体106从外部区域134移动到内部区域136中。坩埚通道138可以沿着第二基部124定位，以增大熔体106移动到内部区域136中所行进的距离。虽然在图1中示出了一个通道138，但是在合适的实施例中，第二坩埚118可包括任何合适数量的通道138。

在图示的实施例中，屏障140在外部区域134中位于第一侧壁122的内表面与第二侧壁126的外表面之间。屏障140限制熔体106和固体原料111穿过外部区域134向内部区域136的移动。因此，屏障140形成第二屏障，该第二屏障限制熔体106和固体原料111从外部区域134流入内部区域136。屏障140包括构件或主体142以及在构件142之间限定的间隙144。在操作中，熔体106可流过间隙144。在此实施例中，构件142随机地布置在外部区域134内，并且间隙144形成供熔体106流过的迷宫或迂回路径。因此，屏障140可以约束熔体106的移动并防止固体原料111移动通过外部区域134。在其它实施例中，构件142可以以使拉晶系统100能够如所描述的那样操作的任何方式布置。

在合适的实施例中，构件142可以定位在外部区域134中的任何位置。在此实施例中，构件142定位在第一侧壁122的内表面与第二侧壁126的外表面之间并邻近熔体106的表面。而且，在此实施例中，构件142没有位于内部区域136内。在系统100的组装期间可以不要求构件142的精确对准和定位，因为构件142可以随机地布置。另外，构件142的位置在系统100的操作期间可以发生移位。

在合适的实施例中，构件142可以是有浮力的并且漂浮在熔体106的表面附近。而且，如图2所示，构件142可以相堆叠，使得屏障140在熔体106的表面的上方和/或下方延伸。在合适的实施例中，构件142可以延伸到并且超过固体原料111的熔体线。在其它实施例中，构件142可以占据使系统100能够如所描述的那样操作的系统100的任何部分。例如，在一些实施例中，构件142可以充填外部区域134。

在此实施例中，构件142可以自由移动。换句话说，构件142没有彼此连接或与坩埚组件104连接。结果，可以降低组装系统100的成本。而且，由于省略了在系统100操作期间可能失效的结合/连结，系统100的可靠性得以提高。在其它实施例中，至少一些构件142可以连接到第一坩埚116、第二坩埚118和/或其它构件142。

屏障140可以包括使屏障140能够如所描述的那样起作用的任何构件142。构件142形成网络，以防止固体原料111以及从第一坩埚116和第二坩埚118掉落到熔体106中的坩埚颗粒向内部区域136移动。如图2所示，屏障140包括由石英制成的构件142。结果，构件142可以防止对熔体106的污染。另外，在一些实施例中，构件142具有统一的形状和尺寸，以提供对屏障140的特性如溶解速率和网络整体性的精确控制。在其它实施例中，至少一些构件142可以具有不同的形状和尺寸。例如，在合适的实施例中，构件142可以是不规则的并且具有独特的形状。在其它实施例中，构件142可以是长方体形、圆锥形、圆柱形、球形、棱柱形、棱锥形和任何其它合适的形状。

构件142可以在任何合适的时间放置在系统100中。例如，可以在固体原料111熔化之前将构件142放置在系统100中。在其它实施例中，可以在固体原料111熔化之后添加构件142。

在系统100操作期间，屏障140的构件142可能被熔体106消耗，并且可能需要补充屏障140的构件142。因此，可以在系统100操作期间连续或间断地添加构件142。在合适的实施例中，可以以与构件142的消耗速率大致相等的速率将构件142添加到屏障140。在一些实施例中，系统100可以包括诸如进料器系统之类的自动化装置以用于添加构件142。在其它实施例中，可以将构件142手动添加到系统100。在一些实施例中，屏障140可以包括不需要补充的构件142。在又一些实施例中，屏障140可包括额外的构件142，以解决系统100操作期间的任何消耗。

进一步参考图1，拉晶系统100包括在坩埚组件104附近延伸的热屏蔽114。热屏蔽114覆盖内部区域136的一部分和外部区域134的全部，以防止在添加固体原料111期间视线内的多晶硅喷射物到达内部熔体表面。在其它实施例中，拉晶系统100可包括使拉晶系统100能够如所描述的那样操作的任何合适的热屏蔽114。

可以将固体原料111从进料器150经进料管152放置或供应到外部区域134中。进料管152邻近第一坩埚116设置，以用于在第二坩埚118外侧的位置处将原料111供应到第一坩埚116。原料111的温度可以比周围的熔体106低得多。因此，随着固体原料111的温度升高并且固体原料111在外部区域134中液化而形成外熔体部分，原料111从熔体106吸热。随着固体原料111(有时称为“冷原料”)从熔体106吸收能量，周围熔体106的温度与被吸收的能量成比例地下降。在一些实施例中，随着固体原料111熔化，熔体106可移动通过屏障140。结果，屏障140使固体原料111能够在外部区域内、更具体地在屏障140上方的外部区域内完全熔化，并且提高了内部区域中的熔体106的均匀性。

当将固体原料111添加到熔体106中时，熔体106的表面可能受到干扰。屏障140和第二侧壁126防止对熔体106的干扰向内传播。特别地，当固体原料111被输送到外部区域中时，屏障140可接触固体原料111。结果，屏障140可以限制来自固体原料111的表面干扰物如飞溅物添加到熔体106。而且，屏障140减慢了固体原料111的运动以促进固体原料111在外部区域内完全熔化。

通过设置在坩埚组件104周围的合适位置的加热器156和158向坩埚组件104提供热量。来自加热器156和158的热量首先熔化固体原料111，然后将熔体106保持在液化状态。加热器156大体为圆柱形，并向坩埚组件104的侧面提供热量。加热器158向坩埚组件104的底部提供热量。在一些实施例中，加热器158的形状大体为环形。在其它实施例中，系统100可以包括使系统100能够如所描述的那样操作的任何加热器。

在合适的实施例中，加热器156和158可以是联接到控制器154的电阻式加热器，控制器154可控地向加热器施加电流以改变其温度。可以单独地和独立地选择由控制器154供应给加热器156和158中的每一者的电流量，以优化熔体106的热特性。

如上所述，籽晶112附接到位于熔体106上方的拉晶器110的一部分上。拉晶器110提供籽晶112在垂直于熔体106的表面的方向上的运动，并允许籽晶112朝向熔体106下降或下降到熔体106中，以及从熔体106上升或离开熔体106。为了生产高品质的晶锭108，必须将与籽晶112/晶锭108相邻的区域保持在基本恒定的温度，并且必须使对于熔体106和固体原料111的表面破坏最小。

在此实施例中，通过限制熔体106从外部区域134到生长区域中的移动，屏障140和第二坩埚118限制了表面扰动、温度波动和紧邻籽晶112/晶锭108的区域中的固体颗粒物的数量。生长区域在第二坩埚118的内侧并邻近籽晶112/晶锭108。

如图2所示，屏障140和通道138为熔体106从外部区域134向内部区域136中的移动提供了曲折路径。特别地，当熔体106移动通过外部区域134时，熔体106移动通过屏障140中的间隙144。而且，熔体106必须移动通过第二坩埚118中的通道138以移动到内部区域136中。结果，屏障140和第二坩埚118限制了外部区域134中的熔体106朝内部区域136的移动。另外，熔体106从外部区域134向内部区域136的任何移动都与熔体106的顶部(在此处提拉晶锭108)间隔开，因为通道138沿着坩埚组件104的底部定位。因此，通道138的位置进一步限制了表面破坏、温度波动以及固体颗粒物到达熔体106的生长区域。

由于熔体106受控移动通过外部区域134以及外部区域134与内部区域136之间，从而在原料111通过外部区域134时允许外部区域134中的原料111加热到一定温度，其大约等于生长区域的温度。因此，固体颗粒物在屏障140上方的外部区域134中熔化，并且不会进入生长区域。而且，系统100可具有更大的生长区域并产生更大的单晶晶锭，因为熔体106的移动在外部区域134中受控并且内部区域136中没有任何屏障。

图3是包括堰体302的拉晶系统300的一部分的示意图。拉晶系统300包括用于容纳熔体308的坩埚306和支承坩埚306的基座301。坩埚306包括限定凹腔314的侧壁312和基部310。堰体302位于坩埚306的凹腔314中，并围成内部区域316。另外，堰体302和坩埚306在它们之间限定了外部区域318。

在操作中，拉晶系统300通过在内部区域316的生长区域中降低和升高籽晶而由熔体308形成晶锭。限定了穿过堰体302的通道320，以供熔体308从外部区域318移动到内部区域316中。因此，堰体302控制熔体308在外部区域318与内部区域316之间的移动。

系统300进一步包括定位在外部区域318中的屏障322，以用于限制熔体308通过外部区域318的移动。在此实施例中，屏障322包括堆叠在侧壁312的内表面与堰体302的外表面之间的构件324。构件324在外部区域318中松散地布置成多个层。而且，构件324可以是有浮力的，使得构件324漂浮在熔体308的表面附近。屏障322进一步包括在构件324之间限定的间隙326，以供熔体308从外部区域318流入内部区域316。在其它实施例中，系统300可以包括位于外部区域318中任何位置的任何合适的屏障322，其使得系统300能够如所描述的那样操作。

图4是包括屏障环402的拉晶系统400的一部分的示意图。拉晶系统400还包括基座401、第一坩埚406和第二坩埚408。拉晶系统400可用于由容纳在第一坩埚406和第二坩埚408中的熔体410形成晶锭。第二坩埚408位于第一坩埚406的凹腔中，使得第一坩埚406和第二坩埚408在其间形成外部区域404。屏障环402围绕第二坩埚408延伸穿过外部区域404。在其它实施例中，拉晶系统400可包括使拉晶系统400能够如所描述的那样操作的任何屏障环402。例如，在一些实施例中，屏障环402可以围绕堰体延伸并连接到堰体。

随着熔体410被加热，熔体410从外部区域404朝向其中形成晶锭的内部区域412移动。屏障环402邻近第二坩埚408的基部延伸，以限制熔体410从外部区域404向内部区域412中的移动。屏障环402和第二坩埚408包括相应的通道414、416，以供熔体410从外部区域404流入内部区域412。适当地，屏障环402中的通道414与第一坩埚406中的通道416相偏离，使得熔体410从外部区域404经迂回路径流入内部区域412。在此实施例中，屏障环402和第二坩埚408中的通道414、416偏离约180°，以使熔体410行进的距离最大化。在其它实施例中，屏障环402和第二坩埚408可包括使系统400能够如所描述的那样操作的任何合适的通道。例如，在一些实施例中，通道414、416可以对准。在又一些实施例中，通道414、416可具有在0°至180°范围内的任何偏离。

在此实施例中，系统400在外部区域404中包括屏障418，以限制熔体410经外部区域404流向内部区域412。屏障418包括布置为形成间隙422的构件420。在所示实施例中，构件420漂浮在熔体410的表面附近。在其它实施例中，屏障418可包括使屏障418能够如所描述的那样起作用的任何构件420。在一些实施例中，可以省略屏障418。

在合适的实施例中，屏障418和屏障环402可以由使系统400能够如所描述的那样操作的任何材料构成。在此实施例中，屏障环402和屏障418由石英构成。

图5示出了系统400的一种构型，其中屏障418延伸到熔体410的熔体线。特别地，构件420堆叠成多层，并且至少一个层延伸到熔体线。结果，固体原料可以在熔化之前接触屏障418。在固体原料熔化之后，至少一部分熔体410流过屏障418并被屏障418减慢。

在合适的实施例中，屏障418可以定位在使系统400能够如所描述的那样操作的系统400中的任何位置。在此实施例中，屏障418和屏障环402位于外部区域404中以控制熔体410的运动。结果，内部区域412可以不被任何屏障占据。因此，内部区域412包括增大的自由表面区域，以允许更有效地降低熔体410的含氧量和获得更大的生长区域。

图6是包括至少一个屏障环502的拉晶系统500的示意图。拉晶系统500还包括第一坩埚504和第二坩埚506。拉晶系统500可用于由容纳在第一坩埚504和第二坩埚506中的熔体形成晶锭。第二坩埚506和屏障环502位于第一坩埚504的凹腔中，使得第一坩埚504、第二坩埚506和外部屏障环502在其间形成外部区域510。另外，第一坩埚504、第二坩埚506和屏障环502形成过渡区域511。在此实施例中，拉晶系统500包括形成三个过渡区域511的三个屏障环502。具体地，屏障环502包括外部屏障环502、中间屏障环502和内部屏障环502，其形成外部过渡区域511、中间过渡区域511和内部过渡区域511。这些屏障环502以直径递减的顺序相互嵌套。在其它实施例中，拉晶系统500可包括形成任何过渡区域511的任何数量的屏障环502，其使得拉晶系统500能够如所描述的那样操作。

随着熔体被加热，熔体从外部区域510经过渡区域511移向内部区域512，晶锭在此处形成。屏障环502邻近第二坩埚506的基部延伸，以抑制熔体从外部区域510向内部区域512中移动。屏障环502和第二坩埚506包括相应的通道514，以供熔体从外部区域510经过渡区域511流入内部区域512。适当地，屏障环502和第二坩埚506中的通道514是偏离的，使得熔体从外部区域510经迂回路径流入内部区域512。在其它实施例中，系统500可以包括使系统500能够如所描述的那样操作的任何合适的通道。

在此实施例中，系统500还包括设置在外部区域510和过渡区域511中的构件518。在此实施例中，构件518定位在外部屏障环502附近和内部以及外部过渡区域511中。因此，可以减少在系统500中使用的构件518的数量，因为构件518仅位于邻近通道514的凹腔部分中。另外，减少了在系统500的操作期间构件518的消耗。在其它实施例中，系统500可以包括使系统500能够如所描述的那样操作的任何构件518。

在合适的实施例中，构件518和屏障环502可以由使系统500能够如所描述的那样操作的任何材料构成。在此实施例中，屏障环502和构件518由石英构成，以减少对熔体的污染。

与已知的系统和方法相比，根据上述示例的系统和方法实现了更佳的结果。所公开的系统和方法减少了晶锭的生长区域中的固体颗粒物。另外，降低了熔体和晶体中的含氧量。而且，一种示例性系统为单晶硅提供了更大的生长区域，同时最大限度地减少了系统的成本。结果，与一些已知系统相比，可以增加由该系统形成的单晶硅的尺寸。

此外，上述系统和方法包括可以减少组装和运行系统的成本的屏障。另外，由于与一些已知系统相比屏障降低了故障风险，因此系统可具有更好的可靠性和更长的使用寿命。

当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意味着存在一个或多个元件。术语“包含”、“包括”和“具有”意在是包含性的，意味着除了所列出的元件之外还可能存在额外的元件。使用表示特定取向的术语(例如“顶部”、“底部”、“侧面”等)是为了便于描述，而不是要求所描述的对象的任何特定取向。

可以对上述构造和方法进行各种改变而不会脱离本发明的范围，以上说明书中包含的和附图中示出的所有内容应理解为示例性的，而不是限制性的。