本申请要求于2017年3月31日提交的美国临时申请No.62/479,907的权益。以上引用的申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及使用包括硅的材料铸造近净形锭。
背景技术：
这里提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的背景的目的。在该背景技术部分以及在提交时不会以其他方式认为是现有技术的描述的方面中描述的程度上，目前署名的发明人的工作既不明确地也不隐含地被承认为针对本公开的现有技术。
多晶锭的定向凝固用于生长正方形或圆形的硅材料。然后将锭成型为环形坯料并进一步加工以制成零件。例如，这些零件可以用作在衬底处理系统内的用于衬底(例如半导体晶片)的沉积、蚀刻或其他处理的部件。
目前的技术存在几个问题。例如，最无效率地使用硅材料。生长的锭的形状通常与要加工的零件的形状不同。因此，需要对多余材料进行重要的加工。其他问题包括去除方形锭上的外部材料以及从圆形或方形锭去除中心芯。被移除的材料被浪费。
坩埚涂层可用于防止粘附并用于允许从坩埚释放锭。但是，涂层是污染源。一个典型的工艺包括在相同的热区/坩埚中依次熔化、稳定化、冻结和退火。复杂性降低了吞吐量。尽管目前用于锭生长的工艺可用于生产固体锭，但它们通常不允许生产近净形锭(near net shapeingot)。
技术实现要素：
系统包括布置在基座上的硅籽晶，其中硅籽晶是环形的并且被配置成以进料速率接收熔化的硅以形成锭，并且其中基座被配置成以旋转速度旋转。控制器被配置成当硅籽晶接收熔化的硅时并且在形成锭时：接收关于锭的直径以及关于锭的弯月面(meniscus)的角度的反馈，并且基于反馈控制基座的旋转速度和熔化的硅的进料速率以控制锭的直径和锭的弯月面的角度。
在其他特征中，硅籽晶从位于硅籽晶上方并远离硅籽晶中心的进料系统接收熔化的硅。
在其他特征中，控制器从指向锭的弯月面的摄像头接收反馈。
在其他特征中，该系统还包括：配置成接收固体硅片(pieces of solid silicon)的坩埚，该坩埚布置在硅籽晶上方并远离硅籽晶的中心；以及与坩埚相关联的加热器，其被配置成熔化固体硅片。控制器基于反馈输出控制信号，以在硅籽晶从坩埚接收熔化的硅并且锭正在形成的同时以一定速度从坩埚和加热器向下移动基座。基座从坩埚和加热器向下移动的速度控制锭的直径和锭的弯月面的角度。
在其他特征中，所述系统还包括与坩埚的下部相关联的加热器，所述坩埚的下部被配置为将熔化的硅供给到硅籽晶。控制器基于反馈控制供应给加热器的功率以控制锭的直径。
在其他特征中，该系统进一步包括喷雾器，以在固体硅片供入坩埚之前至少间歇地用掺杂剂喷射固体硅片。
在其他特征中，该系统还包括与硅籽晶的外径相关联的石英管，以控制锭的外径。控制器通过基于反馈控制基座的旋转速度来控制锭的内径。
在其他特征中，该系统还包括与硅籽晶的外径和内径相关联以控制锭的外径和内径的外石英管和内石英管。
在其他特征中，内石英管包括应力消除部件，该应力消除部件设计成在锭冷却时使内石英管屈服(yield)或破裂；或者内石英管是锥形的。
在其他特征中，该系统还包括与硅籽晶的外径和内径相关联以控制锭的外径和内径的外石英管和内管，其中所述内管由不同于石英的材料制成。
在其他特征中，该系统还包括布置成直接熔化到锭的弯月面中的掺杂剂的实心棒。
在其他特征中，一种方法包括：以进料速率向设置在基座上的硅籽晶进给熔化的硅以形成锭，所述硅籽晶是环形的，并且所述基座配置成以旋转速度旋转。该方法进一步包括，在所述硅籽晶接收所述熔化的硅的同时并且在所述锭正在形成的同时：从指向所述锭的弯月面的摄像头接收关于所述锭的直径和关于所述锭的所述弯月面的角度的反馈，以及基于所述反馈控制所述基座的所述旋转速度和所述熔化的硅的所述进料速率，以控制所述锭的所述直径和所述锭的所述弯月面的所述角度。
在其他特征中，该方法还包：将进料系统定位在所述硅籽晶上方并远离所述硅籽晶的中心；以及以进料速率将来自进料系统的熔化的硅供应给硅籽晶。
在其他特征中，该方法进一步包括：将坩埚布置在硅籽晶上方并远离硅籽晶的中心；向坩埚中供应固体硅片，同时在将所述固体硅片进给到坩埚中之前选择性地用掺杂剂喷射所述固体硅片；以及使用与坩埚相关的加热器熔化固体硅片。该方法进一步包括：在所述环形的硅籽晶从所述坩埚接收所述熔化的硅并且所述锭正在形成的同时以一定速度从所述坩埚和所述加热器向下移动所述基座；以及基于所述反馈控制所述基座从所述坩埚和所述加热器向下移动的所述速度，以控制所述锭的所述直径和所述锭的所述弯月面的所述角度。
在其它特征中，所述方法进一步包括将加热器布置成接近坩埚的下部，所述加热器配置成将熔化的硅供给到硅籽晶；以及基于反馈控制供应给加热器的功率以控制锭的直径。
在其他特征中，所述方法还包括：将加热器布置成接近所述坩埚的下部，所述下部被配置为将所述熔化的硅供给到所述硅籽晶；以及基于所述反馈控制提供给所述加热器的功率以控制所述锭的所述直径。
在其他特征中，该方法还包括通过将外石英管和内石英管布置成接近硅籽晶的外径和内径来控制锭的外径和内径。
在其他特征中，内石英管包括应力消除部件，该应力消除部件设计成在锭冷却时使内石英管屈服或破裂；或者内石英管是锥形的。
在其他特征中，该方法进一步包括通过将外石英管和内管布置成接近硅籽晶的外径和内径来控制锭的外径和内径，其中内管由除石英之外的其他材料制成。
在其他特征中，该方法进一步包括布置掺杂剂的实心棒以直接熔化到锭的弯月面中。
具体而言，本发明的一些方面可以阐述如下：
1.一种系统，其包括：
设置在基座上的硅籽晶，其中所述硅籽晶是环形的并且被配置为以进料速率接收熔化的硅以形成锭，并且其中所述基座被配置成以旋转速度旋转；和
控制器，所述控制器被配置成在所述硅籽晶接收所述熔化的硅的同时并且在所述锭正在形成的同时：
接收关于所述锭的直径和关于所述锭的弯月面的角度的反馈，以及
基于所述反馈控制所述基座的所述旋转速度和所述熔化的硅的所述进料速率，以控制所述锭的所述直径和所述锭的所述弯月面的所述角度。
2.根据条款1所述的系统，其中所述硅籽晶从位于所述硅籽晶上方且远离所述硅籽晶的中心的进料系统接收所述熔化的硅。
3.根据条款1所述的系统，其中所述控制器从指向所述锭的所述弯月面的摄像头接收所述反馈。
4.根据条款1所述的系统，其还包括：
坩埚，其被配置成接收固体硅片，所述坩埚布置在所述硅籽晶上方并且远离所述硅籽晶的中心；和
与所述坩埚相关联的加热器，其构造成熔化所述固体硅片，
其中所述控制器基于所述反馈输出控制信号，以在所述硅籽晶从所述坩埚接收所述熔化的硅的同时并且在所述锭正在形成的同时以一定速度从所述坩埚和所述加热器向下移动所述基座，以及
其中所述基座从所述坩埚和所述加热器向下移动的所述速度控制所述锭的所述直径和所述锭的所述弯月面的所述角度。
5.根据条款4所述的系统，其还包括：
与所述坩埚的下部相关联的加热器，所述下部被配置成将所述熔化的硅进给到所述硅籽晶，
其中所述控制器基于所述反馈来控制供应给所述加热器的功率以控制所述锭的所述直径。
6.根据条款4所述的系统，其还包括喷雾器，以在将所述固体硅片进给到所述坩埚中之前至少间歇地用掺杂剂喷射所述固体硅片。
7.根据条款1所述的系统，其还包括：
石英管，其与所述硅籽晶的外径相关联以控制所述锭的外径，
其中所述控制器通过基于所述反馈控制所述基座的所述旋转速度来控制所述锭的内径。
8.根据条款1所述的系统，其还包括外石英管和内石英管，所述外石英管和内石英管与所述硅籽晶的外径和内径相关联以控制所述锭的外径和内径。
9.根据条款8所述的系统，其中：
所述内石英管包括应力消除部件，该应力消除部件设计成当所述锭冷却时使所述内石英管屈服或破裂；或者
所述内石英管的形状是锥形的。
10.根据条款1所述的系统，其还包括外石英管和内石英管，所述外石英管和内石英管与所述硅籽晶的外径和内径相关联以控制所述锭的外径和内径，其中所述内石英管由不同于石英的材料制成。
11.根据条款1所述的系统，其还包括布置成直接熔化到所述锭的所述弯月面中的掺杂剂的实心棒。
12.一种方法，其包括：
以进料速率向设置在基座上的硅籽晶进给熔化的硅以形成锭，所述硅籽晶是环形的，并且所述基座配置成以旋转速度旋转；以及
在所述硅籽晶接收所述熔化的硅的同时并且在所述锭正在形成的同时：
从指向所述锭的弯月面的摄像头接收关于所述锭的直径和关于所述锭的所述弯月面的角度的反馈，以及
基于所述反馈控制所述基座的所述旋转速度和所述熔化的硅的所述进料速率，以控制所述锭的所述直径和所述锭的所述弯月面的所述角度。
13.根据条款12所述的方法，其还包括：
将进料系统定位在所述硅籽晶上方并远离所述硅籽晶的中心；以及
以所述进料速率将来自所述进料系统的所述熔化的硅提供给所述硅籽晶。
14.根据条款12所述的方法，其还包括：
将坩埚布置在所述硅籽晶上方并远离所述硅籽晶的中心；
向所述坩埚中供应固体硅片，同时在将所述固体硅片进给到坩埚中之前选择性地用掺杂剂喷射所述固体硅片；
使用与所述坩埚相关联的加热器熔化所述固体硅片；
在所述环形的硅籽晶从所述坩埚接收所述熔化的硅的同时并且在所述锭正在形成的同时以一定速度从所述坩埚和所述加热器向下移动所述基座；以及
基于所述反馈控制所述基座从所述坩埚和所述加热器向下移动的所述速度，以控制所述锭的所述直径和所述锭的所述弯月面的所述角度。
15.根据条款14所述的方法，其还包括：
将加热器布置成接近所述坩埚的下部，所述下部被配置为将所述熔化的硅供给到所述硅籽晶；以及
基于所述反馈控制提供给所述加热器的功率以控制所述锭的所述直径。
16.根据条款12所述的方法，其还包括：
通过将石英管布置成接近所述硅籽晶的外径来控制所述锭的外径；以及
通过基于所述反馈控制所述基座的所述旋转速度来控制所述锭的内径。
17.根据条款12所述的方法，其进一步包括通过将外石英管和内石英管布置成接近所述硅籽晶的外径和内径来控制所述锭的外径和内径。
18.根据条款17所述的方法，其中：
所述内石英管包括应力消除部件，所述应力消除部件被设计成当所述锭冷却时使所述内石英管屈服或破裂；或者
所述内石英管是锥形的。
19.根据条款12所述的方法，其还包括通过将外石英管和内管布置成接近所述硅籽晶的外径和内径来控制所述锭的外径和内径，其中所述内管由不同于石英的材料制成。
20.根据条款12所述的方法，其还包括将掺杂剂的实心棒布置成直接熔化到所述锭的所述弯月面中。
根据详细描述、权利要求和附图，本公开的其他应用领域将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并不意图限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图，本公开将变得更充分地被理解，其中：
图1A-3是根据本公开的用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统的示例的功能框图；
图4A-4D是内管壁和外管壁的侧面剖视图；
图5和图6是根据本公开的用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统的示例的功能框图；和
图7是根据本公开的用于从包含硅的材料铸造近净形锭的方法的实例的流程图。
在附图中，附图标记可以被重复使用以识别相似和/或相同的元件。
具体实施方式
根据本公开的系统和方法从包括硅的材料生产近净形锭。本文描述了几种变型，其具有用于控制锭的几何形状(例如直径)和/或控制锭中的掺杂水平的不同解决方案。
在一个示例中，锭生长在没有内坩埚壁或外坩埚壁的籽晶上。可以通过以下方式实现锭的直径控制：使用内径和外径上的差异热量添加/去除(加热器)、锭的添加速度和拉动速度来控制液-固界面(弯月面)高度/角度、坩埚的旋转速率以调节弯月面上的离心力、和/或控制弯月面角度。对直径的反馈可以由对内径和外径以及弯月面角度进行成像的摄像头提供。
为了以均匀的方式向晶体提供正确量的掺杂剂，可以设想几种解决方案。在一些示例中，存在供应到熔化坩埚的两个材料流(参见例如图1A-3)，该两个材料流包括一个未掺杂(原始)多晶硅块流和第二个掺杂材料流。
现在参考图1A，示出了用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统100-1，其中液态硅被供给到硅籽晶上。系统100-1包括基座102、硅籽晶(或晶种)104、熔化坩埚106、用于将固体原料供给到熔化坩埚106的进料器108、用于将掺杂剂供给到熔化坩埚106的进料管110、熔化加热器112、内和外加热器114和115、用于内径和外径(ID/OD)控制的摄像头116-1和116-2(统称为摄像头116)以及控制器118(在图1B中示出)。
熔化加热器112熔化在熔化坩埚106中的固体原料和掺杂剂的混合物以形成液态硅120。液态硅120被供给到硅籽晶104上。摄像头116监测内径和外径(ID/OD)和弯月面角度。
在图1B中，控制器118从摄像头116接收反馈122。控制器118还可以从合适的传感器(例如，传感器140-1、104-2和140-3)接收关于液态硅120的进料速率以及关于基座102的旋转速率126和拉动速度128的反馈122。例如，液态硅120的进料速率(即液态硅被供应到硅籽晶104的速率)可以取决于在熔化坩埚106中熔化的固体硅的量，熔化的固体硅的量又可以取决于由进料器108供应到熔化坩埚106的固体硅的量并且还取决于供应到熔化加热器112的功率的量。控制器118基于反馈122输出控制信号124以控制弯月面角度和弯月面高度。控制信号124被输入到加热器112、114和115以及驱动器142-1和142-2，在将液态硅供应给硅籽晶104的同时并且在形成锭的同时，所述驱动器142-1和142-2旋转并拉动基座102。控制信号124通过基于反馈控制提供给加热器112、114和115的功率、基座102的转速126和拉动速度128以及液态硅120的进料速率来控制弯月面角度和弯月面高度。热量以130所示的方向流动。
晶体几何形状可以通过以下方式来控制：使用差分加热器功率(内和外加热器114和115)来控制弯月面角度(内径和外径)，使用旋转速度来控制内弯月面角度和外弯月面角度，或者使用液态硅的进料速度来控制弯月面高度和弯月面角度。
现在参考图2，示出了用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统100-2，其中液态硅120被供给到成形籽晶104上，其中在外径上使用石英管150以控制晶体的直径。在这个示例中，内径(ID)可以通过基座/晶体的旋转速度来控制。较高的速度使得液体弯月面的离心力越大并且内径增大。较低的转速会导致内径减小。摄像头(例如116-1)用于ID控制。虽然未示出，但系统100-2使用图1B中所示的系统100-1的控制器118。
现在参照图3，示出了用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统100-3，其中液态硅120被供给到成形籽晶104上，其中在内径和外径上使用石英管152和150来控制晶体的形状。虽然未示出，但系统100-3使用图1B中所示的系统100-1的控制器118。
使用控制器118控制进料速率，使得掺杂材料与未掺杂材料的比率提供正确量的掺杂剂(例如硼)以实现锭的期望的掺杂水平。掺杂材料可以包括元素硼、硅化硼、“母合金”(即掺杂至高水平(>1020at/cm3)的硅)和/或具有表面处理的硅原料。
另外，可以将石英管150和152添加到籽晶104的外径、籽晶104的内径或籽晶104的内径和外径两者以限定锭的几何形状(例如，内径和外径)。
现在参照图4A至图4D，内石英管限定锭的形状，并且对设计进行修改以避免由于石英和硅热膨胀系数之间的不匹配而导致的残余应力累积。在图4A中，内坩埚壁152和外坩埚壁150限定锭160的形状。在图4B中，内管152具有在170处示出的应力释放过程，例如应力提升器、裂缝或设计成在锭160中产生不可接受的应力水平之前引起内壁在冷却期间屈服/破裂的其他特征。在图4C中，示出了具有倾斜内壁152的锥形内管。以促进坩埚和锭之间的相对运动(例如，内壁可以在冷却过程中向上移动，使得它不限制锭的收缩)的方式限定坩埚几何形状。在图4D中，坩埚的内壁152可以由具有优选特性的不同材料(即，不同于石英)制成。示例包括氮化硅、碳化硅、二氧化硅、或用硼或其他掺杂剂掺杂以降低屈服强度或降低高温下的粘度的石英。
如果将石英管用于内径几何控制(如图4A所示)，则由于硅和石英的不同热膨胀系数(CTE)可能会出现问题。特别是，石英的CTE比硅低。随着硅从熔化温度冷却到室温，内径将比内石英管的直径减小得更快。这可能导致硅锭内部的拉伸应力和内石英管内的压应力的条件，这可能导致破裂。为了防止应力的积累，使用了几种可能的解决方案。将一个或多个“应力提升器”添加到内石英管中以允许该管比未修改的管在更低的应力下破裂(例如，如图4B所示)。内管可成形为具有锥形设计(例如，如图4C所示)，从而允许管在锭冷却时相对于锭沿垂直方向移动。
内管的材料性质(例如通过向用于制造管的材料添加掺杂剂)可以被修改以降低高温下的粘度/刚度以允许塑性变形或“流动”，从而避免在锭上施加应力(例如，如图4D所示)。改变内管的材料特性(例如，通过向用于制造管的材料添加掺杂剂)可以被用来增加CTE或使CTE与硅的CTE匹配(例如，如图4D所示)。示例包括由硼硅酸盐玻璃、氮化硅、碳化硅或石墨制造内管，所有这些都具有与硅相似或比硅更大的CTE。
如果使用石英或其他材料的坩埚来控制锭的几何形状(内径、外径或两者)，则涂覆坩埚壁(内壁、外壁或两者)可能是有利的。涂层防止锭粘附到坩埚材料上，并且促进锭冷却后的释放。这可以允许坩埚针对多个锭重复使用。涂层还可以控制材料的成核和晶粒尺寸、传热和结晶速率、和/或来自坩埚材料的杂质掺入。
涂层可以包括氮化硅粉末或与直接接触液态硅相容的另一合适材料。粉末涂层可以施加或不施加粘合剂材料以提高涂层性能。在使用坩埚之前，在后续的涂层加热过程中可以除去粘合剂材料。该涂层可以通过喷涂工艺或另一种用于施加粉末涂层的合适工艺施加。施加后，粉末涂层可以被加热以引起部分烧结或硬化，或者可以在没有进一步热处理的情况下使用。
现在参考图5，示出了用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统100-4，其中液态硅120被供给到成形籽晶上，其中掺杂剂的实心棒(例如，硼“母合金”)直接熔化到液体弯月面中，以向晶体提供均匀的掺杂。在这个示例中，可以将掺杂剂材料180的实心棒直接引入液体弯月面中并在界面处熔化(例如，如下面图5所示)，从而提供掺杂剂的可控源。虽然未示出，但系统100-4使用图1B所示的系统100-1的控制器118。
在另一种实现方式中，可以在原料被装载到炉的进料系统(料斗)之前对原料进行掺杂。例如，硅原料的表面用含硼溶液(例如硼酸、氧化硼、含硼旋涂玻璃或旋涂掺杂剂等)涂覆或喷涂，或通过使用含有适当浓度的硼的原料(例如，通过引入硼的熔融和结晶过程产生的硅)涂覆或喷涂。
现在参考图6，示出了用于从包括硅的材料铸造近净形锭的系统100-5。显示了系统100-5通过施加喷涂的含硼溶剂进行原位掺杂。系统100-5仅部分示出。尽管没有示出系统100-5的其余部分，但应该理解，系统100-5包括图1A-5中的一个或多个所示的其他元件。系统100-5包括用于供给固体原料的料斗190和在将原料供应到熔化坩埚106之前在原料上喷射掺杂剂(在194处示出)的喷雾器192。控制器118(图1B中所示)可以控制喷雾器192以连续地或间歇地将掺杂剂喷射到原料上以实现期望的掺杂水平。
例如，将硼(硼酸、硼旋涂掺杂剂或类似物)的溶液连续地或间歇地施加到原料上以实现期望的掺杂水平。任选地，加热器或干燥器(未示出)可以被用来在将原料供入熔化坩埚之前蒸发溶剂。在该实施例中，硅原料可以通过在熔化之前在它们从料斗190转移到进料系统中时通过用含硼溶液(例如，硼酸、氧化硼、含硼旋涂玻璃或旋涂掺杂剂等)喷射它们的表面来处理(例如，如图6所示)。该预处理可以在全部或部分原料上进行。因此，掺杂和未掺杂的硅块(在196和198处示出)的混合物被进给到熔化坩埚106中。
对于上述技术中的任一种，除硼以外的其他掺杂剂物质(例如，磷、镓、砷、锑)可以以类似的方式施加。共掺杂(即，包括多于一种类型的掺杂剂)也可以以所描述的方式施加。
上述技术可用于通过改变供应给补给系统的掺杂与未掺杂硅的比率来生产具有宽范围电阻率的材料。原则上，可以生产电阻率从非常高(>1000Ω-cm)到非常低(<0.005Ω-cm)的锭。
本文所述的系统和方法更有效地使用硅材料。由所提出的技术生长的锭与要加工的最终部件的尺寸紧密匹配，因此需要最小限度地去除材料。这导致更高的材料利用率和更低的成本。
本文所述的系统和方法产生较少的污染。锭直接生长在硅籽晶上，不需要坩埚来成型锭。这降低了污染水平，因为在锭生长时没有外来(非硅)材料与锭接触。预期的结果是较低的氧气、氮气和金属杂质浓度以及较少的氮化硅和碳化硅夹杂物。
这里描述的系统和方法具有更高的吞吐量。由于硅是在一个单独的坩埚中从锭生长区域熔化的，它可以与锭的生长平行进行，从而缩短了循环时间。由于锭的环形形状的表面积/体积增加，预期拉动速度也高于定向凝固系统(DSS)铸造固体锭的速度。这将导致整个处理时间缩短，并增加处理的产量。
本文所述的系统和方法公开了将液态硅进给到环形籽晶上以限定锭的形状，包括偏离中心的进料系统和旋转晶体。锭的生长环能够接近净室部分的形状，以获得最佳的材料利用率和最小的浪费，从而降低成本。部分或完全消除对坩埚的需求，从而降低污染水平(金属和氧气)并改善材料质量。
本文所述的系统和方法还通过将熔化和冻结处理分离到处理设备的不同区域来减少循环时间并增加每台机器的材料输出，从而提高产量(例如，如图1A-3所示)。该系统和方法使用各种机制来控制锭的几何形状(内径和外径)。基于摄像头的反馈可以用在锭的内径和外径上。内部和外部加热器区域用于控制内弯月面角度和外弯月面角度的形状(内径和外径)。旋转速度用于控制内弯月面角度和外弯月面角度、ID/OD。液态硅进料速率用于控制内弯月面角度和外弯月面角度、ID/OD。
公开了掺杂晶体的各种方式。在一些实例中，使用两个固体原料流。一个流包括未掺杂的多晶硅，另一个流包括几种形式之一的硼(例如元素硼、硼硅合金、具有含硼物质涂层的硅、将硼硅“母合金”棒直接熔化到液体弯月面中)。
在其他实例中，所述系统和方法在原料进给到补给系统之前或在原料进给到补给系统时使用溶剂基硼源来喷射原料。含有掺杂剂的原料在先前的熔化/冻结过程中被赋予。
现在参考图7，示出了用于从包括硅的材料铸造近净形锭的方法200。在方法200中描述的控制可以由图1B中示出的控制器118和图1A和图2-6中示出的系统中的一个或多个执行。以下描述中的术语控制指示存储在控制器118的存储器中并由控制器118的处理器执行以执行所述功能的代码。
在202，将环形硅籽晶(例如，硅籽晶104)布置在基座(例如基座102)上。在204，将坩埚(例如，熔化坩埚106)布置在硅籽晶上方、偏离硅籽晶的中心。在206，将加热器(例如，加热器112、114、115)布置在坩埚周围并靠近坩埚的下部部分，熔化的硅通过该下部从坩埚供应到硅籽晶。在208，如图2-4D所示，外/内管(例如，元件150、152)被布置为与硅籽晶的OD/ID相邻。在210，内管(例如，元件152)可以由与输出管不同的材料制成，或者其形状可以是如参考图4A-4D所述的锥形状。
在212，将大块固体硅从布置在坩埚上方的进料系统供给到坩埚中。可以使用图1A-6中所示的添加掺杂剂的任何一种方式添加掺杂剂。在214处，使用围绕坩埚的加热器(例如加热器112)将固体硅和掺杂剂在坩埚中熔化。在216，将熔化的硅以进料速率从坩埚供应给硅籽晶。
在218处，当熔化的硅被供应到硅籽晶时并且在锭形成时，控制器(例如，控制器118)接收关于锭的直径和弯月面角度的反馈。反馈是从图1B所示的各种来源接收的。在220，在将熔化的硅供应给硅籽晶的同时并且在锭形成的同时，基于反馈调节进料速率、加热器(112、114、115)的功率供应以及基座的旋转速度和拉动速度，以控制锭的几何形状(ID/OD)。
因此，上面描述的本公开的系统和方法通过首先熔化硅然后将液态硅供给到限定生长的锭的形状的区域中来产生具有“环形”形状的硅锭(即空心圆柱体)。形状限定可以通过几种技术来提供，几种技术包括籽晶的形状、内壁、外壁、内壁和外壁或具有期望的锭形状的坩埚。
一种方法包括使用与期望的锭具有相同的横截面面积/形状的环形硅籽晶开始锭的生长(参见图1A)。籽晶首先部分融化(从顶部)。然后籽晶沿向下的方向远离加热器移动，而液态硅通过液体补给系统被添加到籽晶的顶部。远离加热器移动会导致液态硅冻结并伸长(生长)籽晶顶部的锭。同时在加热器的热区中向生长的锭的顶部连续添加液体熔体保持具有液-固界面的液体区。
另一种方法包括使用与所需锭具有相同横截面面积/形状的环形硅籽晶，石英管具有相同或相似外径，这约束添加的液态硅并限定生长的锭的外径(见图2)。
另一种方法包括使用与所需锭具有相同横截面面积/形状的环形硅籽晶，其中石英与籽晶的内径和外径相匹配，这约束了所添加的液态硅并且限定了生长的锭的内径和外径(见图3和4A)。在一个实施方式中，内石英管可以以降低其机械强度的方式改变，以允许在较低的应力水平下破裂(参见图4B)。这可以防止在冷却过程中锭中残余应力形成，否则残余应力形成会由于硅相对于石英的相对高的热膨胀系数而发生。
前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方式在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方式描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其它实施方式中实现和/或与任何其它实施方式的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式彼此的置换保持在本公开的范围内。
使用各种术语来描述元件之间(例如，模块之间、电路元件之间、半导体层之间等)的空间和功能关系，各种术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨”、“在...顶部”、“在...上面”、“在...下面”和“设置”。除非将第一和第二元件之间的关系明确地描述为“直接”，否则在上述公开中描述这种关系时，该关系可以是直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但是也可以是间接关系，其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在包括以下定义的本申请中，术语“模块”或术语“控制器”可以用术语“电路”代替。术语“模块”可以指，作为以下的一部分或包括以下：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合的模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享、专用或组)；存储由处理器电路执行的代码的存储器电路(共享、专用或组)；提供所述功能的其他合适的硬件组件；或者上述中的一些或全部的组合，例如在片上系统中。
模块可以包括一个或多个接口电路。在一些示例中，接口电路可以包括连接到局域网(LAN)、因特网、广域网(WAN)或其组合的有线或无线接口。本公开的任何给定模块的功能可以分布在经由接口电路连接的多个模块中。例如，多个模块可能允许负载平衡。在进一步的示例中，服务器(也称为远程或云)模块可代表客户端模块完成某些功能。
如上所使用的术语代码可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指程序、例程、函数、类、数据结构和/或对象。术语共享处理器电路包含执行来自多个模块的一些或全部代码的单个处理器电路。术语组处理器电路包含处理器电路，该处理器电路与附加处理器电路组合执行来自一个或多个模块的一些或全部代码。对多个处理器电路的引用包括分立管芯上的多个处理器电路、单个管芯上的多个处理器电路、单个处理器电路的多个核心、单个处理器电路的多个线程或上述的组合。术语共享存储器电路包含存储来自多个模块的一些或全部代码的单个存储器电路。术语组存储器电路包括存储器电路，该存储器电路与附加存储器结合存储来自一个或多个模块的一些或全部代码。
术语存储器电路是术语计算机可读介质的子集。这里使用的术语计算机可读介质不包含通过介质(例如在载波上)传播的瞬态电信号或电磁信号；术语计算机可读介质因此可以被认为是有形的和非瞬态的。非瞬态有形计算机可读介质的非限制性示例是：非易失性存储器电路(诸如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩模只读存储器电路)、易失性存储器电路(诸如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)以及光存储介质(诸如CD、DVD或蓝光光盘)。
本申请中描述的装置和方法可以通过配置通用计算机来执行具体实现在计算机程序中的一个或多个特定功能而创建的专用计算机来部分或全部实现。以上描述的功能块、流程图组件和其他元件用作软件规格，其可以通过熟练技术人员或程序员的日常工作转化成计算机程序。
计算机程序包括存储在至少一个非瞬态有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)，与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、背景应用程序等。
计算机程序可以包括：(i)要被解析的描述性文本，诸如HTML(超文本标记语言)、XML(可扩展标记语言)或JSON(JavaScript对象表示法)；(ii)汇编代码；(iii)由编译器从源代码生成的目标代码，(iv)由解释器执行的源代码，(v)由即时编译器编译和执行的源代码等。仅作为示例，可以使用包括以下的语言的语法来写入源代码：C、C++、C#、Objective-C、Swift、Haskell、Go、SQL、R、Lisp、Fortran、Perl、Pascal、Curl、OCaml、HTML5(超文本标记语言第5版)、Ada、ASP(动态服务器网页)、PHP(PHP：超文本预处理器)、Scala、Eiffel、Smalltalk、Erlang、Ruby、VisualLua、MATLAB、SIMULINK和