用于控制氧的坩埚组件和相关方法
【专利说明】用于控制氧的坩埚组件和相关方法
[0001]交叉引用
[0002]本申请要求2013年3月15日提交的美国非临时申请系列号N0.13/837,092和2013年3月14日提交的非临时申请系列号N0.13/804，585的优先权，其公开内容全部通过引用结合在本文中。
技术领域
[0003]本发明大体上涉及用于生产半导体或太阳能材料的晶锭的系统和方法，更特别地涉及用于减少晶锭中的缺陷或位错的系统和方法。
【背景技术】
[0004]在通过提拉(CZ)法生长的单晶硅的生产中，多晶硅首先在拉晶装置的诸如石英坩祸的坩祸中熔化，以形成硅熔体。拉具然后使晶种下降到熔体中，并且使晶种从熔体缓慢地升出，从而使熔体在晶种上凝固。为了使用该方法生产高质量单晶，液态硅中来自连续溶解的石英熔体支承件(或石英坩祸)的诸如固体石英的杂质粒子的粒子密度在凝固的晶体附近必须非常低。用于实现该目标的已有系统没有完全令人满意。因此，需要更有效率和有效果的系统和方法来限制与晶锭直接相邻的固体石英粒子。
[0005]该【背景技术】章节意在向读者介绍可能与本发明的各方面相关的技术的各方面，这些方面在下文被描述和/或要求。相信该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，而不是作为对已有技术的认可。
【发明内容】
[0006]第一方面是一种用于从熔体生长晶锭的系统。该系统包括第一坩祸、第二坩祸和堰体。第一坩祸具有形成用于容纳熔体的第一腔室的第一基部和第一侧壁。第一基部具有顶面。第二坩祸设置在第一坩祸的第一腔室内且具有第二基部和第二侧壁。第二侧壁确定尺寸成用于安置在第一坩祸的第一腔室内。第二基部和第二侧壁形成第二腔室。第二基部具有成形为允许第二基部搁靠在第一基部的顶面上的底面。第二坩祸包括穿过其中以允许第一坩祸的第一腔室中的熔体运动到第二坩祸的第二腔室中的坩祸通道。堰体在第二侧壁内侧的位置处沿第二坩祸的第二基部设置，以抑制或控制熔体的从堰体外侧的位置向堰体内侧的位置的运动。
[0007]另一方面是一种用于从熔体生长晶锭的系统。该系统包括第一坩祸、第二坩祸、堰体和屏障。第一坩祸具有形成用于容纳熔体的第一腔室的第一基部和第一侧壁。第二坩祸设置在第一坩祸的第一腔室内且具有第二基部和第二侧壁。第二侧壁确定尺寸成用于安置在第一坩祸的第一腔室内。第二基部和第二侧壁形成第二腔室。第二坩祸包括穿过其中以允许第一坩祸的第一腔室中的熔体运动到第二坩祸的第二腔室中的坩祸通道。堰体设置在第二坩祸的第二腔室内，以抑制或控制熔体的从堰体外侧的位置经堰体通道向堰体内侧的位置的运动。屏障具有圆柱形支柱，该圆柱形支柱在第二坩祸的第二侧壁与堰体之间向下延伸，以在位于堰体内侧的内部区域与位于第二侧壁外侧的外部区域之间形成曲折的气体和粒子路径。
[0008]另一方面是一种安装在用于从熔体生长晶锭的系统中的屏障。该系统具有坩祸组件，该坩祸组件包括第一坩祸、第一柱体和第二柱体。第一坩祸具有形成用于容纳熔体的腔室的第一侧壁和第一基部。第一柱体在第一侧壁内侧的位置处设置在腔室中。第二柱体在第一柱体内侧设置在腔室中。第一柱体和第二柱体从熔体向上突出而形成位于第二柱体内侧的内区、位于第二柱体与第一柱体之间的中间区和位于第一柱体外侧的外区。屏障包括体部和第一圆柱形支柱。体部覆盖内区的至少一部分、中间区和外区的一部分。第一圆柱形支柱从体部向下延伸并且设置在第一柱体与第二柱体之间以中断从外区到内区的视线。
[0009]另一方面是一种用于从熔体生长晶锭的系统。该系统包括第一坩祸、第一柱体、第二柱体和屏障。第一坩祸具有形成用于容纳熔体的第一腔室的第一基部和第一侧壁。第一柱体设置在第一坩祸的第一腔室中。第二柱体在第一柱体内侧设置在第一腔室中。第一柱体和第二柱体从熔体向上延伸以形成位于第二柱体内侧的内区、位于第二柱体与第一柱体之间的中间区和位于第一柱体外侧的外区。屏障具有在第一柱体与第二柱体之间向下延伸的圆柱形支柱。
[0010]另一方面是一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法。该方法包括将确定尺寸成在熔体上方延伸的底部柱体安置在坩祸的腔室内以抑制熔体的从底部柱体外侧的位置向底部柱体内侧的位置的运动。顶部柱体被安置在底部柱体附近并与熔体间隔开。从邻近顶部柱体的熔体延伸的第二底部柱体和邻近底部柱体并与熔体间隔开的第二顶部柱体中的一者在系统中被安置成形成穿过其中的曲折气体路径。将原料材料放入位于底部柱体外侧的坩祸的腔室中。使原料材料熔化而形成熔体，从而允许熔体的从底部柱体外侧向底部柱体内侧的运动。
[0011]另一方面是一种用于在晶体生长系统中从熔体生长晶锭的方法，所述晶体生长系统包括坩祸，该坩祸具有基部以及从基部向上延伸的第一壁和第二壁。第二壁设置在第一壁内侧。第二壁具有允许熔体运动通过其中的通道。坩祸限定出位于第一壁与第二壁之间的第一腔室和位于第二壁内侧的第二腔室。
[0012]该方法包括:将堰体安置在第二腔室内以抑制熔体的从堰体外侧的位置向堰体内侧的位置的运动;将原料材料放入坩祸的第一腔室中；使原料材料熔化而形成熔体，以允许熔体的从第一腔室向第二腔室中且然后向堰体内侧的运动；以及利用石英设计在熔体上向上偏压氧气，使得可利用处于约15托到约70托之间的压力的氩气来限制堰体侵蚀。
[0013]存在对关于上述方面提出的特征的各种改善。其它特征同样也可以被结合在上述方面中。这些改善和附加的特征可以单独地或任意组合地存在。例如，下面关于所图示的实施例中任一种讨论的各特征可以单独地或任意组合地结合在上述方面的任一项中。
【附图说明】
[0014]图1是根据一个实施例的晶体生长系统的剖视图；
[0015]图2是图1的坩祸组件的放大剖视图；
[0016]图3是根据另一个实施例的晶体生长系统的局部剖视图；和
[0017]图4是根据另一个实施例的晶体生长系统的局部剖视图。
[0018]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】
[0019]参照图1，晶体生长系统被示意性地示出并大体上表示为100。注意，为了清楚省略了系统的多个部分，特别是炉或拉具封壳、隔热层和衬托器支承机构。晶体生长系统100可用来通过提拉法生产单晶锭。
[0020]如本文中讨论的，关于生产单晶锭的连续提拉法来描述系统，尽管可使用批量法。然而，本文中公开的系统还可用于例如通过定向凝固工艺来生产多晶锭。
[0021]晶体生长系统100包括支承坩祸组件200的坩祸支承件或衬托器150，所述坩祸组件200容纳硅熔体112，来自硅熔体112的晶锭114正由拉具134如缆绳提拉。在拉晶过程期间，晶种132被拉具134下降到熔体112中，然后缓慢地从熔体上升或提拉。随着晶种132缓慢地从熔体112上升，形成了单晶锭114。
[0022]另外参照图2，坩祸组件200包括具有第一基部212和第一侧壁214的第一坩祸210以及具有第二基部252和第二侧壁254的第二坩祸250。坩祸的相应侧壁大致是同心的。各侧壁214、254围绕相应基部212、252的圆周延伸。第一侧壁214和第一基部212形成第一环形腔室216。第二侧壁254和第二基部252形成第二环形腔室256。在一些实施例中，第一坩祸可具有32英寸的内半径且第二坩祸可具有24英寸的内半径，或这些尺寸可针对更低的含氧量更大或针对更低的成本更小。
[0023]至少一个坩祸通道260延伸穿过第二坩祸250，以允许熔体运动到第二坩祸的第二腔室256中。坩祸通道260可在最终熔体深度之下的高度处沿着侧壁254的下部设置，以允许第一腔室216与第二腔室256之间恒定的熔体液位。坩祸的最高侵蚀速率发生在自由熔体表面处，在此S1可蒸发成吹扫气体。在一些实施例中，第二坩祸侧壁具有均匀的厚度，且熔体深度处于将竖直侧壁与基部252平滑地连接的半径以内。在这些实施例中，坩祸在径向上较厚且因此具有较长侵蚀寿命。
[0024]第二坩祸250确定尺寸并成形为允许第二坩祸安置在第一坩祸210的第一腔室216内。第一基部212具有顶面218，且第二基部252具有互补的底面258，以允许第二基部252的底面258搁靠在第一基部212的顶面218上。在一些实施例中，第二基部的底面例如通过背面研磨或水力切割而被重塑成与第一基部的顶面匹配。在另一些实施例中，第二基部的底面通过由供应商进行的坩祸融合工艺而被制造成具有尺寸规格与第一基部的顶面匹配的轮廓。
[0025]在一些实施例中，第一坩祸和第二坩祸在运行设置之前非就地或在运行期间就地结合在一起以形成单个坩祸组件。第一坩祸和第二坩祸可被火焰抛光以提高结合可靠性。火焰抛光增加了石英的0H—含量、使其在高温下软化并且提高了更好的结合。然而，熔体流动控制不会导体外部结合失效，因为第二坩祸是装满、完整的坩祸。此实施例的坩祸组件具有单个基部和从该基部向上延伸的两个同心的侧壁。
[0026]圆柱形熔体流屏障或堰体300在第二侧壁254内侧的位置处沿着第二基部252设置在第二腔室256内，以抑制熔体112的从堰体外侧的位置向堰体内侧的位置的运动。堰体300包括延伸穿过其中以允许第二腔室256中的熔体向堰体内侧运动的至少一个堰体通道302。
[0027]在一些实施例中，堰体是20英寸石英柱体，其具有成形为与24英寸坩祸内部的接触点一致的底部边缘并被火焰抛光。在这些实施例中，堰体的高度提供了与屏障350的必要间隙。使用提供大的开