用于处理熔体的设备的制作方法

本申请案主张2014年5月12日的美国专利申请案第14/275,770号的优先权及权益，其全部内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明的实施例涉及从熔体(melt)生长结晶材料，且更确切地说，涉及从熔体形成单个结晶薄片(crystalline sheet)。

背景技术：

硅晶片或薄片可用于(例如)集成电路或太阳能电池工业中。对太阳能电池的需求随着对可再生能源的需求增大而持续增大。太阳能电池工业中的一个主要成本是用以制造太阳能电池的晶圆晶片或薄片。降低晶片或薄片的成本可以降低太阳能电池的成本，且使得此可再生能量技术更为流行。已经研究以降低用于太阳能电池的材料成本的一个有前景的方法是水平带材生长(horizontal ribbon growth，HRG)技术，其中沿着熔体的表面水平地牵拉出结晶薄片。在此方法中，将熔体表面的一部分冷却到足以借助于晶种在局部引发结晶，可接着沿着熔体表面牵引所述晶种以形成结晶薄片。可通过提供快速去除引发结晶处的熔体表面区域上的热的装置来实现局部冷却。在恰当条件下，可在此区域中建立结晶薄片的稳定的前边缘。

为了确保生长稳定性，控制在从熔体牵引出的结晶薄片的前边缘的区域中通过熔体的热流可能是有用的。然而，由于若干原因，实现硅熔体内的受控热流极具挑战性。首先，熔融的Si具有极高的热导率，以致在含有熔体的坩埚的底部引入的任何热在到达熔体表面之前就扩散出去。另外，熔融硅石由于其抵抗在高温下与硅的反应而常常用作用以容纳硅熔体的坩埚材料。然而，熔融硅石是良好的热绝缘体，其在大量热流从坩埚之外传导到硅熔体内时产生大的热梯度。这又使得被加热的熔融硅石坩埚的外部温度被维持在远高于熔体温度的温度。另外，在热从坩埚底部流动到熔体的表面时会招致温度下降，所述温度下降与坩埚内熔体的熔体深度成比例。在从硅熔体水平生长结晶薄片的情况下，通常使用在10mm到15mm的范围内的熔体厚度来实现稳定的处理条件。然而，熔融硅石在大于1880K软化到不可接受的程度，这限制了在仍维持在熔体表面处的所需熔体温度的同时可通过热源引入到坩埚底部的热流量。由现今的设备所提供的此有限热流可能不足以确保从熔体表面生长的结晶薄片的所需品质。

正是关于这些以及其它考量，需要进行本发明的改进。

技术实现要素：

提供此发明内容是为了以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。此发明内容并不意欲识别所主张标的物的关键或基本特征，也不意欲用于辅助确定所主张标的物的范围。

在一个实施例中，一种用于处理熔体的设备可包含经配置以容纳所述熔体的坩埚，其中所述熔体具有与所述坩埚的底部分开第一距离的暴露表面。所述设备可进一步包含浸没式加热器，所述浸没式加热器包括加热元件及安置于所述加热元件与所述熔体之间的壳体，其中所述加热元件不接触所述熔体。所述加热元件可安置在相对于所述熔体的所述暴露表面的第二距离处，所述第二距离小于所述第一距离。

在另一实施例中，一种用于控制熔体内的热流的系统可包含经配置以容纳所述熔体的坩埚，其中所述熔体具有与所述坩埚的底部分开第一距离的暴露表面。所述系统可进一步包含经配置以接触所述熔体的浸没式加热器。所述浸没式加热器可包含加热元件及安置于所述加热元件与所述熔体之间的壳体，其中所述熔体不接触所述加热元件。所述加热元件可安置在相对于所述熔体的第二距离处，所述第二距离小于所述第一距离，其中所述浸没式加热器经配置而以第一热流率将热提供到所述暴露表面的区域。所述系统还可包含结晶器，所述结晶器经配置而以大于所述第一热流率的第二热流率从所述暴露表面的所述区域去除热。

在另一实施例中，一种处理熔体的方法可包含：将所述熔体布置在坩埚中；所述熔体具有暴露表面以及与所述坩埚的底部接触的下表面，所述暴露表面与所述下表面分开第一距离；以及在将所述加热元件安置在距所述暴露表面小于所述第一距离的第二距离处时，将热流从浸没式加热器的加热元件引导到所述熔体的所述暴露表面的区域中，其中所述熔体不接触所述加热元件。

附图说明

图1A示出根据本发明的实施例的用于处理熔体的处理设备的横截面图。

图1B示出图1A的处理设备的操作的一个例子。

图1C示出图1B中所示的操作的特写。

图1D为图1A的处理设备的变体的横截面图。

图2A到图2C示出浸没式加热器的替代实施例的相应侧视图。

图3A示出浸没式加热器的另一实施例的顶部透视图。

图3B示出图3A的浸没式加热器的俯视图。

图4A示出浸没式加热器的另一实施例的顶部透视图。

图4B示出图4A的浸没式加热器的端视横截面图。

图4C示出图4A的浸没式加热器的加热元件的侧视横截面图。

图4D示出浸没式加热器的变体的端视横截面图，其示出加热元件的细节。

图5呈现根据各种实施例的随加热元件的浸没深度而变的热流型态的图形示出。

图6A呈现根据额外实施例的另一处理设备的实施例。

图6B呈现根据额外实施例的处理设备的另一实施例。

图6C呈现根据额外实施例的处理设备的再一实施例。

图7A示出根据另一实施例的额外处理设备。

图7B示出根据另一实施例的又一处理设备。

图8A示出处理设备的另一实施例。

图8B示出图8A的实施例的操作的一个实例。

图9A到图9C示出根据一个实施例的示范性过程中所涉及的各种操作。

具体实施方式

本发明的实施例提供用以控制例如硅熔体等熔体内的热流的设备。各种实施例提供用于处理熔体的设备，其包含经配置以容纳所述熔体的坩埚，其中所述熔体具有暴露表面。在用于处理硅熔体的实施例中，坩埚可由熔融硅石组成。如同常规设备，充当坩埚加热器的常规加热器可安置在与暴露表面对置的坩埚底部的至少一些部分下方。可使用此类坩埚加热器以便将流过坩埚的热供应到熔体以维持熔体至少处于其熔融温度。不同于常规设备，另外提供在本文中称为“浸没式加热器”的额外加热器，其可用以在熔体的暴露表面的目标区域处提供集中热流。可结合结晶器使用此浸没式加热器，所述结晶器从所述目标区域去除热以便在硅(从所述硅进行水平带材生长)的结晶薄片前产生稳定生长。

如下详述，本发明的实施例所提供的优势是浸没式加热器可在熔体的暴露表面处产生超过30W/cm²且在一些情况下超过50W/cm²的热流密度，使用常规设备不能实现这一水平。本发明人已认识到，与直觉不同，流入熔体的暴露表面的热的此种高热流密度水平可用于使水平生长设备(例如揭示于本文中的设备)中的结晶薄片的生长稳定化。换句话说，尽管从熔体表面的结晶薄片生长需要降低在前边缘发生结晶处的局部温度以实现较高品质的结晶薄片，但尽管如此，与通过常规熔体生长设备供应的热流相比，仍可能需要增大到前边缘的区域的热流速率。当然，可通过增大在形成前边缘的相同区域中从熔体的暴露表面的热去除来平衡到前边缘的区域的此增大的热流，以使得结晶可发生。

在本发明的实施例中，浸没式加热器可比在由一或多个常规加热器加热的设备定位更接近于熔体的暴露表面，所述加热器用以从坩埚底部之外加热熔体。明确地说，不管浸没式加热器的确切配置如何，浸没式加热器都可包含在本文中也被称作加热元件的加热组件，所述加热组件安置以比坩埚的底部更接近于熔体的暴露表面。本发明的实施例的浸没式加热器可包含安置于加热元件与熔体之间的壳体，使得所述熔体不接触所述加热元件。所述壳体可由例如熔融硅石等惰性材料组成。以此方式，加热元件可放置以接近于熔体的暴露表面，所述熔体为待引发结晶薄片的水平生长处，而不将加热元件暴露于可能具有腐蚀性或反应性的熔体。

图1A示出根据本发明的实施例的用于处理熔体的设备的横截面图。处理设备100包含容纳熔体104的坩埚102，所述熔体具有暴露表面108，结晶薄片的水平生长可在所述暴露表面处发生。坩埚102具有与暴露表面108对置的底部112。热可通过在底部112附近安置在坩埚102之外的一或多个常规加热器(未示出)提供到熔体104。此热可用以将熔体104维持在其熔融温度或高于其熔融温度。在此实施例以及其它实施例中，还提供示出为浸没式加热器106的浸没式加热器以产生对熔体104的额外加热。浸没式加热器106包含加热元件107，所述加热元件可将高热流提供到暴露表面108的区域114。区域114可包含熔体104的在暴露表面108正下方的部分，例如在暴露表面108下方一毫米到三毫米。

在将足够高的热流提供到区域114时，可发生例如硅结晶薄片等结晶薄片的稳定生长。明确地说，本发明人已认识到，可通过将高热流提供到前边缘而更好地使在硅薄片的平面内具有[100]定向的水平生长的硅薄片的前边缘处所形成的琢面的性质稳定化。明确地说，(111)琢面可形成于前边缘处，其相对于熔体的暴露表面可形成54.7度的角度。可通过提供超过常规设备(其中使用外部加热器来加热坩埚)所提供的热流的热流来更好地使此高角度琢面稳定化。

在本发明的实施例中且如图1A中所示，浸没式加热器106的至少一加热元件比坩埚102的底部112更接近于熔体104的暴露表面108而安置。如图1A中所说明，底部112沿着平行于所示出的笛卡耳坐标系中的Y轴的方向与暴露表面108分开距离h₁，而浸没式加热器106的加热元件107的顶部安置在沿着相同方向距暴露表面108距离h₂处，所述距离表示加热元件的浸没深度。在此实施例以及随后的其它实施例中，加热元件的顶部或顶部表面相对于熔体的暴露表面的距离可称为加热元件相对于暴露表面的距离。然而，将理解，除非另外指出，否则加热元件距顶部表面的距离是指加热元件的最接近部分距暴露表面的距离，所述最接近部分可称为加热元件的“顶部”。在这个以及其它实施例中，此距离h₂小于距离h₁且允许浸没式加热器106产生比安置在底部112下方的常规加热器所产生的热更接近于区域114的热。由此，浸没式加热器106可比常规加热器产生到区域114的更高热流。另外，可以更具选择性的方式产生较高热流，以使得在区域114之外的区域经历较低热流。这是合乎需要的，因为在例如生长的结晶薄片(未示出)的下方的其它区域处，过大热流可能会导致在生长结晶薄片后方的非所需的熔体。

应注意，可使用常规加热器提供到熔体的暴露表面的热的量可能不受可由加热元件产生的热流的限制，而是受用于常规晶体成长设备中的材料的性质限制。举例来说，熔融硅石用作用于熔融硅的坩埚材料，因为其不与熔融硅反应且不对从此类熔体生长的结晶薄片提供污染材料源。然而，由于其低热导率，大热梯度产生于熔融硅石坩埚外部的热源与坩埚内的硅熔体之间。为了使硅结晶薄片的前边缘稳定化，可能需要产生到熔体的暴露表面的可形成前边缘处的20W/cm²或更高的热流。此热流程度可在例如充当用以加热熔融硅石坩埚的坩埚加热器的常规外部加热器等热源处容易地产生。然而，当在熔融硅石坩埚(其热阻率可为0.05W/cm-K)上施加在20W/cm²范围内的热流时，跨越坩埚的厚度产生400K/cm的热梯度。对于4mm的可接受坩埚厚度，此导致跨越坩埚的160K的温度下降，即坩埚的受热侧上的温度至少比硅的熔融温度高160K，或为约1845K。另外，由于硅熔体自身的热阻率，在30K到50K的范围内的额外温度下降可能会发生于邻近外部加热器的熔体底部与发生结晶的暴露表面之间。对于上文所论述的实例熔融硅石厚度，这因此需要在熔融硅石坩埚的外侧面上供应在1875K到1895K的范围内的温度。然而，熔融硅石在1880K以上可能会软化到不可接受的程度。因此，使用常规设备供应超过20/cm²的热流可能并不可行。虽然可使用到熔体的较低热流将硅熔体维持在熔融状态，但此水平的热流可能因为到前边缘的热流过低而不足以产生高品质的硅结晶薄片。

本发明的实施例以多种方式解决这一问题。一种方式是，通过提供浸没式加热器，其中浸没式加热器的加热元件可极接近于暴露表面而放置，在热源与将发生结晶薄片生长的熔体暴露表面之间发生较少的热耗散。此举减小热源(加热元件)与熔体的暴露表面之间的温度下降，并且减小可提供到结晶薄片的前边缘的每单位面积热流。另外，在各种实施例中，包含加热元件的热源沿着Z轴的尺寸在沿着Z方向的大小上与熔体深度相比小例如1mm到数毫米。因此，增大的热流可主要在局部提供到目标区域，例如区域114，所述区域沿着Z方向的目标长度可为约1mm到2mm。最后，因为浸没式加热器可相对较小且如下文所论述具有相对较低的质量，因此用以保护浸没式加热器的熔融硅石壳体的厚度可比常规坩埚小得多，如下文所论述。如相对于图2A到图2C所详述，此特征允许对于从加热器到熔体的给定温度下降产生较高热流，因此在不损害熔融硅石的机械完整性的情况下提供较大热流。

出于各种原因，在暴露表面108处提供增大的热流以及将热流集中在区域114中的此能力可能不能通过常规设备来实现。举例来说，从下表面到暴露表面108的熔体104深度(等效于h₁)可在10mm与20mm之间。因此，在底部112下方产生的任何热于在区域114中到达暴露表面108之前可能会行进在10mm到20mm的范围内的距离。因此，由于硅的高热导率而可能难以提供到区域114的集中热流，所述硅在热到达暴露表面108之前可能会在平行于X-Z平面的侧向方向上使热流耗散。

在各种实施例中，浸没式加热器106的加热元件107可安置在距暴露表面108一毫米到三毫米的距离处，所述距离等效于图1A中所示的h₂。在如下文所进一步详述的一些实施例中，浸没式加热器可经配置以移动以便改变距离h₂，这可允许改变提供到暴露表面的热流量以及热流的型态。

图1B示出处理设备100的操作的一个例子。在此实例中，浸没式加热器106经啮合以产生集中在区域114中的热流120。同时，结晶器110设置于暴露表面108上方以提供从暴露表面去除热的冷却，所述热示出为热流122。在各种实施例中，结晶器110可为维持在低于熔体104的熔体温度的温度下的冷块。热流可从表面传导到结晶器110。在一个实例中，结晶器110可提供比熔体104的熔体温度冷的氦气射流，其促进从暴露表面108的热去除。在一些实例中，此可导致产生从暴露表面108朝向结晶器110向外的超过100W/cm²的热流的热去除。此热去除速率可有效地在局部冷却暴露表面，以使得可从区域沿着暴露表面108牵引出高品质的硅结晶薄片。举例来说，在晶体拉出器(未示出)沿着平行于Z轴的方向126移动时，可从熔体104牵引出结晶薄片124，如图所示。同时，热流120在区域114中可能超过50W/cm²，所述区域在不同实例中可为0.5mm到3mm宽。然而，实施例在此方面不受限制。到区域114的热流120的此高值可帮助使前边缘128稳定化，如图1C的特写图中所说明。

如所指出，为了调适到区域114的热流，一些实施例提供可移动浸没式加热器，其中所述浸没式加热器的位置可相对于熔体104的暴露表面108加以调整。图1D示出处理设备150的一个变体，其中浸没式加热器156至少可在一个方向上相对于暴露表面108移动。在一些实施例中，驱动器158耦合到固持器154，所述固持器又耦合到浸没式加热器156。在一些实施例中，驱动器158可经配置以沿着X轴、Y轴以及Z轴移动浸没式加热器156。在特定实施例中，举例来说，驱动器158可经配置以沿着可平行于X-Y平面的垂直方向，即平行于Y轴且正交于暴露表面108而移动浸没式加热器156。提供外部加热器以加热熔体104以将熔体104维持在其熔融温度以上。在操作中，例如加热器152A等外部加热器可产生热流160，而例如加热器152B等另一外部加热器产生热流162。同时，结晶器110提供冷却以产生从暴露表面108的一部分向外的热流122，所述热流促进形成如上文所描述的结晶薄片166。在一个例子中，安置于结晶薄片166之下的加热器152B产生小于热流160的热流162，这可将熔体104的邻近于坩埚102的底部112的区域维持在熔融形式而不使形成于暴露表面108的区域中的结晶薄片166熔融。另外，浸没式加热器156产生表面热流164，所述表面热流可大于热流160以及热流162。术语“表面热流”是指暴露表面108处的每单位面积热流，例如W/cm²。因此，因为浸没式加热器可定位在相对于暴露表面108的所需距离处，其中h₂为例如一毫米到三毫米，因此表面热流164在一些例子中可超过50W/cm²，其辅助使结晶薄片166的前边缘稳定化。

在各种实施例中，浸没式加热器可具有不同形状。浸没式加热器可具有圆形横截面、矩形横截面或其它形状。实施例在此方面不受限制。在用于处理硅熔体的实施例中，浸没式加热器可具有由熔融硅石组成的外表面。图2A到图2C呈现浸没式加热器的替代实施例的侧视横截面图。图2A示出具有圆形横截面的浸没式加热器200，其中加热元件204由壳体202围封，所述壳体可由熔融硅石组成。在一些实施方案中，本文中揭示的加热元件204以及其它加热元件可为电阻加热元件，包含石墨加热元件或如此项技术中已知的其它电阻加热元件。浸没式加热器200的示范性直径可为2mm到1cm，但实施例在此方面不受限制。图2B提供另一浸没式加热器210，其具有由壳体212围封的加热元件214。如同浸没式加热器200，浸没式加热器210可具有石墨材料作为加热元件214，且壳体212可由熔融硅石组成。浸没式加热器210的横截面尺寸可类似于浸没式加热器200的横截面尺寸，但横截面可给出如所说明的矩形形状。

在特定实施例中，例如加热元件214的加热元件可由涂布有碳化硅(SiC)以便提供更稳健加热元件的石墨组成。本发明人已发现，未经涂布的石墨加热元件在高温下的操作可引起与熔融硅石壳体的反应，从而引起从熔融硅石壳体形成白硅石结晶材料，这可能会导致壳体以及加热器的性能劣化。因此，SiC层可设置于石墨与熔融硅石壳体之间以防止形成白硅石且延长加热元件的寿命。

图2C呈现浸没式加热器220的另一实施例，其具有大体上圆形横截面，其中壳体222围绕加热元件224，只是薄化部分226形成于外表面228平坦而非圆形的区域中。此实施例提供以下优势：可产生到邻近于薄化部分226的区域的在浸没式加热器220外部的较高热流，如下文相对于额外实施例所详述。

在一个实施方案中，在图2A到图2C的所有实施例中，给定浸没式加热器的壳体的厚度可小于从外部加热器接收热的常规熔融硅石坩埚壁的厚度。如上文所指出，熔融硅石坩埚的厚度可为4mm，其可为提供坩埚的机械完整性所需的最小厚度，尤其是于在硅熔体温度1685K或更高的温度下操作时。相比之下，由于可能会放置在图2A到图2C的实施例的浸没式加热器上的小负载，也可由熔融硅石组成的浸没式加热器壳体的厚度可在1mm的范围内。此极大地减小从与加热元件接触的熔融硅石侧到与硅熔体接触侧的温度下降。举例来说，假定如上文针对熔融硅石所论述的相同的热特性，为在1mm厚的熔融硅石壳体上供应20W/cm²，温度下降为40K。假定浸没式加热器的外表面上的熔体温度处于最小1685K，则此仅将熔融硅石壳体的内表面上的温度设定在1725K，这远低于不可接受的软化的温度。此外，在其它情况下，浸没式加热器可经设定以产生80W/cm²的热流而没有浸没式加热器壳体的不可接受软化，因为此后热流将跨越1mm厚熔融硅石壳体产生160K的温度下降。在此情况下，熔融硅石壳体的内表面将经受至少1845K(1685+160)的温度，这仍在不出现熔融硅石的不可接受软化的可接受温度范围内。此外，因为浸没式加热器可极接近于熔体的暴露表面而定位，因此由浸没式加热器产生的热流的大部分可提供到暴露表面。

图3A示出浸没式加热器300的一个实施例的顶部透视图。图3A示出在处理设备320中的浸没式加热器300，其示出处理设备320的部分，一些组件为了清楚起见而被省略。浸没式加热器300包含耦合到加热器部分304的固持器部分302。所述固持器部分可包含柱形部分306以及臂部分308，如图所示。如本文所使用，术语“加热器部分”是指加热元件以及围绕或围封加热元件的结构或壳体。术语“加热元件”在本文中使用时是指产生热的主动组件，例如电阻性或电感性加热器，且可另外指将热从主动元件传导到浸没式加热器的壳体的导热元件。因此，在一个实例中，加热元件可包含通过使电流通过加热器组件而加热的电阻性加热器组件以及将热从电阻性加热器组件传导但自身不被电阻性加热的石墨组件。当然，电阻性加热器组件可由石墨自身组成。下文中描述揭示这些变体的不同方面的实施例。

如图3A中所示，固持器部分302还可耦合到驱动器310，所述驱动器可使固持器部分沿着X方向、Y轴以及Z轴相对于结晶器110以及暴露表面108而移动。此促进将加热器部分304相对于例如结晶器110定位在所需位置处。如所说明，加热器部分304在X轴上伸长。在此实例中，加热器部分304具有杆形状，且可包含在加热器部分304内的杆状加热元件。固持器部分302以及加热器部分304两者都可由石墨或适用作电阻性加热器的其它材料组成。固持器部分302以及加热器部分304两者都可包含由熔融硅石组成的外部结构，如下文所论述。

在操作中，加热器部分可对沿着暴露表面108的表面区域伸长的加热区提供局部加热。图3B示出加热器部分304以及结晶器110的俯视图，其说明可由加热器部分304在暴露表面108处产生的加热区314。如所说明，加热区314沿着X轴伸长，且可具有相同或类似于加热器部分304沿着X轴的加热器宽度的宽度。还如图3B中所示，结晶器110可产生冷却区316，所述冷却区产生结晶薄片330的结晶所发生的区域。冷却区316也可沿着X轴伸长。可通过在正交于X轴的方向，即方向126上拉动来牵引出结晶薄片330。结晶器110可经配置以在拉动沿着方向126进行时沿着X轴形成结晶薄片330的前边缘340。加热区314可与冷却区316重叠。加热区314可提供足够热以使前边缘340稳定化。在各种实施例中，加热区314的宽度(可类似或相同于冷却区316的宽度)可在150mm或200mm或300mm之间的范围以便产生具有相同相应宽度的结晶薄片。

图4A示出浸没式加热器300的变体的细节。在此变体中，浸没式加热器400的一部分示出为包含固持器406以及加热器部分408的一侧。固持器406包含内部结构402以及围绕内部结构402的壳体404。内部结构402可为石墨或其它导电材料。壳体404可由熔融硅石组成，且可至少沿着高度H围封内部结构402，所述高度H经设计以在操作期间高于熔体的暴露表面108。加热器部分408也可由围封在熔融硅石中的石墨或其它导电材料组成。

图4B描绘示出图4A的区域C的浸没式加热器400的一部分的端视图。如所说明，加热器部分408由围封加热元件410的壳体412组成。加热元件410可以机械方式附接到内部结构402或可由与内部结构402相同的材料整体地形成。以此方式，加热元件410可电耦合到内部结构402。

图4C示出在图4B中所示的平面A-A处的浸没式加热器400的侧视横截面图。在操作中，使电流通过内部结构402以及加热元件410，从而引起在加热元件410内的电阻性加热。内部结构402的横截面积C₁与加热元件410的横截面积C₂的相对比率可经布置而使得加热元件410产生在1800K或更高的温度而不会过多地加热内部结构402。因此，由浸没式加热器400产生的加热可集中在紧邻加热器部分408的区域中。在一些实施例中，加热器部分408的直径D₁可小于5mm，且在一个实例中，可为3mm。在一个实例中，加热元件410的直径D₂可为1mm，使得壳体412的厚度也可为1mm。在其中壳体412由熔融硅石组成的实例中，此厚度允许热通过壳体412传输而没有过大的温度下降，如上文所论述。在一个实例中，如图4B所示，固持器406的壳体404的尺寸D₃为5mm，内部结构402的尺寸D₄为3mm。然而，实施例在此方面不受限制。图4D示出加热器部分420的另一实施例的端视横截面图。在此实施例中，加热器部分包含围封加热元件424的壳体422，所述加热元件具有在中间区域中的薄化区段426。由于薄化区段426的横截面积较小，因此加热可集中在薄化区段426内。

在各种实施例中，浸没式加热器可经布置以在熔体的暴露表面处提供超过30W/cm²的热流。图5示出随浸没式加热器相对于熔体的暴露表面的位置而变的到暴露表面的热通量的CFD计算的结果。曲线530以及曲线522到528是热流型态，其示出在熔体的暴露表面处的随沿着平行于熔体表面的方向的位置而变的热流(通量)。曲线530表示浸没式加热器定位在暴露表面下方5mm处时的热流。位置X＝0表示在浸没式加热器的中心正上方的位置。因此，暗示在X＝0的左方的对称热流曲线(为曲线530的镜像)。如图所示，在X＝0处产生33W/cm²的最大热流，所述热流在X＝6mm处减小到低于20W/cm²。曲线528表示浸没式加热器定位在暴露表面下方4mm处时的热流。如图所示，在X＝0处产生40W/cm²的最大热流。随着在浸没式加热器的暴露表面下方的深度减小，热流的峰值增大，如曲线526(3mm)、曲线524(2mm)以及曲线522(1mm)所展现。在1mm深度的情况下，实现90W/cm²的峰值热流。另外，峰值半高全宽(full width at half maximum，FWHM)的值从对于5mm深度的大于7mm减小到对于1mm深度的5mm FWHM值。

尽管前述实施例示出其中浸没式加热器的加热器部分由熔体完全围绕的设备，但在其它实施例中，加热器部分的一部分可延伸到熔体的暴露表面以上。图6A示出处理设备600的另一实施例，其中浸没式加热器602仅部分地浸没在暴露表面108下方，以使得加热器部分的至少一部分处于暴露表面108以上。值得注意的是，为了清楚起见，未示出浸没式加热器602的固持器部分，且仅加热器部分可见，所述加热器部分可具有圆柱形形状，如上文相对于图3以及图4A到图4D所论述。图6B示出处理设备620的另一实施例，其中具有矩形横截面的浸没式加热器622仅部分地浸没在暴露表面108下方。在图6A以及图6B的实施例中，浸没式加热器可由加热元件以及熔融硅石壳体组成，如对于先前所揭示实施例所论述。图6C示出处理设备630的另一实施例，其中浸没式加热器632附接到坩埚634。在一个实例中，浸没式加热器632具有在壳体638内偏移的加热元件636，所述壳体可由熔融硅石组成。加热元件636经偏移以便更靠近较接近于结晶器110的表面640。因此，在图6C的视图中，来自浸没式加热器632的热流在浸没式加热器632右方可比在左方大得多。此可允许热流集中在结晶器下方的区域(可在此处形成结晶薄片的前边缘，如上文所论述)中。举例来说，表面热流可在紧挨表面640右方的位置处急剧地成峰状。在需要将高热流限定在邻近于结晶薄片的前边缘的窄处理区时，此类型的峰状热流型态可为有用的。

图6A、图6B以及图6C的实施例的优势为，相应浸没式加热器可附接在单个位置，且可因此不涉及使用用以提供在不同位置处的浸没式加热器相对于暴露表面108以及结晶器110的移动的任何致动器或复合固持器。图6A到图6C的实施例的浸没式加热器的操作也不涉及如下文相对于图9A以及图9B所论述确保其上表面被硅熔体润湿的任何程序。

图7A示出处理设备700包含与处理设备700的坩埚702一体成形的浸没式加热器704的另一实施例。浸没式加热器704由上部区域706组成，所述上部区域形成坩埚702的坩埚壁710的部分。坩埚壁710如图所示而凹入以使得上部区域706比坩埚的下部区域712更接近于暴露表面108。此允许浸没式加热器704的加热元件708邻近于或接触上部区域706而放置，其放置方式使得加热元件708处于不与熔体104接触的坩埚侧上。坩埚壁710的处于浸没式加热器的上部区域706中的部分因此充当保护加热元件的壳体。以此方式，加热元件708的顶部可安全地位于使加热元件708与暴露表面108分开的距离h₂处，所述距离h₂远小于所述暴露表面与坩埚702的下部区域712之间的距离h₁。

图7B示出处理设备720包含浸没式加热器724的另一实施例，其中所述浸没式加热器也具有形成坩埚722的坩埚壁710的部分的上部区域730。然而，在此实施例中，加热元件732由两个部分组成：有源加热器组件726以及导体部分728。有源加热器组件726位于坩埚702的下部区域712处或其下方，且经配置以产生热，所述热通过导体部分728传导到熔体104。导体部分728可为高度导热材料，例如石墨。此允许导体部分728的上部区域获得类似于或相同于有源加热器组件726的温度。从熔体104的角度来说，加热元件732的上部区域730看似为热源，其上表面安置在使加热元件732的顶部733与暴露表面108分开的距离h₂处。此实施例的优势为，由加热元件732产生的热源可位于较接近于暴露表面108处，而无需将有源加热器组件726放置在上部区域730内。

在其它实施例中，可移动浸没式加热器可包含由坩埚的坩埚壁以及包含加热元件的可移动部分形成的静止部分。图8A示出包含可移动浸没式加热器(示出为浸没式加热器804)的处理设备800的一个实施例的侧视横截面图。浸没式加热器804包含可移动盖结构，所述可移动盖结构包含可移动部分812以及固定部分810。固定部分810可形成坩埚802的坩埚壁814的部分。固定部分810的壁相对于暴露表面108以例如90度的角度延伸。固定部分810经布置以容纳可移动部分812，以使得可移动部分812至少可沿着Y轴相对于固定部分810滑动。如图8A中进一步所示，可移动部分812可包含由熔融硅石以及加热元件806组成的惰性部分808。加热元件806可附接到惰性部分808，以使得热从加热元件806高效地传递到熔体104。

图8B说明处理设备800的操作的一个例子。在此实例中，可移动部分812比图8A的情形中更接近于暴露表面108而安置。在各种实施例中，可移动部分812可经配置以改变使加热元件806的顶部与暴露表面108分开的距离h₂。举例来说，在一些情况下，可移动部分812可经配置以提供在5mm与1mm之间的h₂范围(Rh₂)。在图8B的实例中，可移动部分812可放置在距离h₂处，其中加热元件能够提供至少50W/cm²的热流826。在将足以使暴露表面108处的材料结晶的冷却提供到暴露表面108时，到暴露表面108的热流826的此热流率可用以产生具有改进的性质的结晶薄片824，这是由于提供到结晶薄片824的前边缘(见图1C)的热流的高速率以及来自暴露表面108的冷却的快速速率。

也如图8A以及图8B中所说明，浸没式加热器804经配置以使得与熔体104接触的浸没式加热器的接触表面818可完全由例如熔融硅石等惰性材料组成。举例来说，随着可移动部分812相对于固定部分810向上移动，在图8A中不暴露的固定部分810的壁可能会暴露于熔体104。然而，因为固定部分810的壁形成坩埚的部分，因此所述壁也可由熔融硅石组成。尽管间隙可存在于固定部分810与可移动部分812之间以适应可移动部分812的移动，但熔体104的熔融材料由于熔融硅与熔融硅石的表面能差而不可渗透间隙830。此表面能差引起高接触角形成于熔融硅与熔融硅石之间。因此，几十毫米的间隙830可设置于浸没式加热器804中而不会使熔体104渗透到浸没式加热器804的外表面820。以此方式，可附接到外表面820的加热元件806保持受保护，即使在可移动部分812向上延伸时也是如此。

由于熔融硅与熔融硅石的前述表面能差，在各种实施例中，具有由熔融硅石组成的壳体的浸没式加热器可足够接近于硅熔体的暴露表面而放置以便于浸没式加热器被硅熔体的去湿而使表面分裂。鉴于此，在一些实施例中，处理设备可在引发硅结晶薄片的水平生长之前进行一系列操作。图9A示出处理设备700在结晶薄片生长之前的初始操作阶段。在图9A中所示的例子中，熔体922形成于坩埚702中。熔体922可为在将硅引入到坩埚702中且通过外部加热器(未示出，例如图1D中所示出的加热器152A以及加热器152B)提供热时所形成的硅熔体。在一些实施方案中，从浸没式加热器704的顶部到暴露表面900的水平部分或暴露表面902的距离h₃可小达1mm或更小。由此，熔体922可使可由熔融硅石组成的表面740去湿，因此形成暴露表面902以及暴露表面900的弯曲形状，如所说明。尽管图9A的去湿情形是针对浸没式加热器704而示出，但在前述浸没式加热器中的任一者的顶部表面接近于熔体的暴露表面而定位时，可发生浸没式加热器顶部表面的类似去湿。为了重新润湿例如浸没式加热器704等浸没式加热器的顶部表面，可将硅固体片牵引到熔体922的顶部区域上方。图9B示出其中将硅片906沿着平行于图9B的视图中的Z轴的方向908从浸没式加热器704的右侧朝向左方牵引到浸没式加热器704上方的后续阶段。熔体922润湿硅片906的下侧，从而形成表面904，且因此与硅片906一同被牵引到左方，直到熔体922完全覆盖浸没式加热器704。随后，在图9C中所示的阶段，在通过浸没式加热器704供应表面热流164以及通过结晶器110供应冷却(如上文所描述)时，可将硅晶种924沿着与方向908相反的方向910向后牵引，且可牵引出结晶薄片912。

本发明不限于由本文所描述的具体实施例界定的范围。实际上，所属领域的一般技术人员根据以上描述和附图将了解(除本文所描述的那些实施例和修改外)本发明的其它各种实施例和对本发明的修改。因此，此类其他实施例和修改意欲属于本发明的范围。此外，尽管已出于特定目的在特定环境下在特定实施方案的上下文中描述了本发明，但所属领域的一般技术人员将认识到其有用性并不限于此，并且出于任何数目的目的，本发明可以有利地在任何数目的环境中实施。因此，应鉴于如本文所描述的本发明的全部广度和精神来解释下文阐述的权利要求书。