专利名称：边缘限定薄层供料生长法的设备所用湿尖导模的制作方法
技术领域：
本发明与由熔体用边缘限定薄层供料生长法(EFG)生长晶体的设备有关，具体有关这种设备的新颖导模。
在边缘限定薄层供料生长技术(即EFG法)中，原料的液膜在晶种上生长成管形晶体，例如圆形或多边形截面的空心晶体，利用毛细管作用，通过导模中的一个或多个毛细管，将原料从熔融硅的坩埚输送到导模的端面或上端表面。晶体的形状取决于导模最高表面或上端表面的外形或边缘形状。用EFG法生长的诸如九边形或八边形等的多边形空心体，在其角部处分割成若干平坦的用于制造太阳能伏打电池的基质。
在颁发给泰勒(Taylor)等人的美国专利第4，230，674号中叙述并解说的已知类型的EFG导模中，典型有一个上端面，至少一个与该上端表面相交的毛细管并和上端表面约以65°的角相交即与导模的垂直轴线约以25°的角相交的内外侧表面。
采用已知的EFG导模，至少因为两个理由难以引发晶体成长即难以在晶体生长设备引晶。首先，晶体生长必须在一个相当窄的导模温度范围内即在“生长窗口”内引发。其次，围绕导模的周边具有显著的温度变化的趋势。在某种程度上上面讨论的理由中的第一个理由会对上述的第二个理由产生影响。在低于生长窗口的温度下，不能发生晶体生长，即晶种会在导模上凝结。在高于晶体可能生长的窄幅导模温度的温度下试图生长晶体时，导模与晶种(或生长中的晶体)间的液膜会有断裂的倾向，即晶种会从液膜断开，其结果液态硅常溅射到膜内和/或外表面，或溢出导模的内和/或外表面。溢出的硅倾向于在导模的侧表面上进行反应而形成碳化硅沉积层。此外，在正常的晶体生长过程中，在导模的侧表面上会形成少许碳化硅。这些碳化硅沉积层和导模侧表面上所有的未反应的液态硅一起有改变导模的导热性和热辐射性的趋向。这种导热性和热辐射性的变化，将造成热耗率的局部变化，其结果使围绕导模周边的温度不均匀。
制造导模所用的石墨难免的孔隙度、密度和/或导电性等的错综复杂的变化对围绕导模周边的温度对称性有进一步不利的影响。石墨性能的这些变化产生热流的局部变化，并造成溢流的硅在导模表面渗入深度的变化，溢出硅渗入导模的表面的深度则转而影响导模的温度。
围绕导模周边温度对称性的变化，使生长中的晶体的厚度发生局部的变化。这种厚度的变化，倾向于减少可由空心多边形晶体制成的太阳能电池的数目，因为从晶体上切割的基质越薄，越倾向于破碎。此外，由于厚度变化，从晶体上切削的基质表面倾向于不平坦。这种不平坦性使太阳能电池的某种加工作业较难进行，诸如在基质表面放置电极等。
如前已述，在已知的EFG晶体生长设备中，当弯月面受破坏时，即当固/液界面消失时，液态硅有溢出导模的趋势，这种溢流可能在晶体生长设备邻近导模的某些部分造成某种淹没现象。如上所述这种熔融硅的淹没造成温度的不均匀性，当过度淹没时，可能通过一起熔融导模与生长设备附的邻近的机械部件而破坏生长机构，并可能污染坩埚中溶融的硅，不然可能造成晶体生长设备的损坏。
为避免生长弯月面受破坏或中断，操作人员操作生长设备时必须要高度细心并集中精力。但是要求操作者在全部时间中都保持高度细心是难以办到的，因而难免发生意外，结果由于不均匀的湿润和灾难性的淹没显著地减短EFG导模的平均使用寿命。
在已知的EFG导模中，晶体生长时，在导模顶上的生长弯月面与坩埚中的大量熔体之间有很大的温度或温度梯度差异，而大量熔体的温度比生长弯月面中的熔体的温度高得很多。生长弯月面本身需要有大的温度梯度，以保持晶体生长过程的稳定性。在已知的EFG导模中，由于热能连续地通过导模流入弯月面，及由于导模的高抗热性，生长弯月面中的大的温度梯度，造成在生长弯月面与坩埚中熔体之间的导模毛细管中有相似的大温度梯度。
在坩埚中所要求的高温度的一个不利效果，可能是有过量的坩埚材料熔解入熔体内。当熔体从坩埚经导模毛细管上升到导模顶部时熔体温度降低而变为过饱和，使得熔解并起反应的坩埚材料在导模毛细管内与导模尖部上沉积下来。这沉积物可能造成毛细管的堵塞，阻止熔体达到模顶，从而妨碍晶体进一步生长。沉积物还可能改变模顶及模顶边缘形状，从而不利地改变在模中生长的晶体的形状。
本发明的一个目的，是提出一种EFG晶体生长系统的改进的坩埚/导模组合件，其特征在于不因(1)导模与生长中的晶体间的液膜断裂及在导模表面熔融硅的总溢出量、或(2)晶体生长设备正常运转的结果而使导模的周边温度分布有很大变化。
本发明的另一目的，是提高导模温度变化的耐受性而不致使(1)晶体凝结在导模上及出现(2)晶体“空隙”即出现晶体从与导模连接的液膜断裂的现象。
本发明还有一个目的，是提出用于EFG晶体生长设备的一种坩埚/导模，其设计可在导模与生长晶体之间的弯月面断裂时，防止被释放的熔融硅淹没导模附近的设备区域。
本发明的又一目的，是提出一种易于引晶的EFG晶体生长设备。
本发明的另一目的，是提出一种EFG晶体生长设备，该设备具有一个坩埚导模，该坩埚导模则为取得上述各目的而设计。
本发明还有一个目的，是降低导模顶与坩埚中熔体之间的温差，并降低导模毛细管中熔体的温度梯度，以便降低熔体的过饱和程度，从而减少熔解的并反应坩埚材料在毛细管内与导模顶上的沉积作用。
本发明的另一目的，是提出一种用熔池中的熔体生长管形晶体新的改良方法。
本发明上述及其他目的通过提出一种用EFG方法生长管形晶体的设备来实现，该设备有上个新型的EFG导模和一个具有侧壁及底壁而形成容纳熔融硅供料的空间(熔体贮器)的坩埚。导模有直立的多边形截面的尖部，该尖部有顶端面和与导模顶端面相交的内、外侧表面。导模尖部有一个或多个输送毛细管，即毛细管尺寸级的管道，其特点为各有一个上端终止于导模的上端表面，一个下端与坩埚中的熔体相连通。导模还有同心的第一及第二(内、外)环形沟。内沟与导模尖部的内侧表面相邻，设计为容纳一定量的与导模尖部内侧表面接触的熔融硅。外沟与导模尖部的外侧表面相邻，设计为容纳一定量与模尖外侧表面接触的熔融硅。通过一个或多个具有毛细管尺寸级的通道，内、外沟与坩埚中的熔体相连通。作为可供选择的措施可提供以一个与第二(外)沟成围绕关系的第三沟道。导模设计使导模的总高度相当小(与已知的先有导模比较)，从而使导模尖部的温度与坩埚中熔体的温度间的差异较小。
熔融硅由毛强管作用引导从坩埚通过毛细管输送到导模尖部的上端表面。熔融硅由毛细管作用引导从坩埚通过毛细管道输送到内、外沟中。然后，内、外沟中的熔融硅由表面张力将其分别沿导模内、外表面向上拉。形成实质上作为整体覆盖那些表面的弯月面。这些“沟”的弯月面恰在其定形角缘的下方粘附在导模尖部的侧边上，而分别生长弯月面粘附在导模尖部的上端表面边缘上。当发生生长弯月面断裂时，或液态硅相对于导模外溢或内溢，此时将发生液态硅截获在内、外沟内，由此内、外沟该液态硅将反回到坩埚的熔体中，而截获在第三径向外沟中的液态硅则保留在其中。
本发明的其他特点及优点，将叙述在本发明的说明及文后权利要求书中并由该文件清晰说明。
为更加了解本发明的性质及目的，参阅下文结合附图详细叙述，其中
图1为传统EFG晶体生长炉设备局部剖面前视图，该图示出如何使用本发明的坩埚/毛细管导模组合件;
图2为先有技术之坩埚/毛细管导模件的剖视图;
图3为结合本发明的坩埚/毛细管导模件分解剖视示意图;
图4为图1，3及5至7所示坩埚/毛细管导模件的俯视图;
图5为沿图4中5-5线截取的剖视图;
图6为沿图4中6-6线截取的放大剖视图;
图7为沿图4中7-7线截取的放大剖视图，结合导模示出生长中的晶体、生长状态及沟弯月面。
在各图中，用相同号码表示相同元件。
图1及3至7示出本发明的一个理想实施方案，其中有坩埚/毛细管导模装置。图1示出安装在EFG晶体生长设备20中的按本发明制造的坩埚/毛细管导模件18。该设备与颁发给斯多尔蒙特(Stormont)等人的美国专利第4，544，528号中所示的生长设备相似。坩埚一毛细管导模件18设计成在全部生长过程中，保持导模尖部外表面湿润。
作为技术背景，设备20有一个用总号22标志的熔炉罩壳，其中放置坩埚/导模件18，和内、外空心后加热器26及28。坩埚/导模件有一个坩埚24，其形状为一个上端敞口的空心矮短正棱柱体或正圆柱体，放置在熔炉罩壳22内的中心位置上。坩埚24有一个直立的侧壁25和底壁27，形成容纳熔体29的空间。最好毛细管导模19与侧壁25的上端一体形成并附装在该上端上。
内后加热器26为空心体，形成一个内空间30。最好内后加热器26为有圆形或多边形横截面构形的管形件。内后加热器26有侧壁31与上端壁32。内后加热器26的下端开敞，从而内后加热器26的内部30与坩埚24的内部相连通。
坩埚24还另有一个中心孔36的中心毂35。毂35与坩埚底壁27一体连接，并从该底壁向上延伸。毂35延伸超出侧壁25以便伸出坩埚中熔体的上面。一般没来，有一根空心导管37(图1)与毂35连接。导管37与适当的熔体补给系统38连接，补给系统38用于通过毂35中的孔36将硅料的固体颗粒输送入坩埚上方的区域内，该硅颗粒从该区域落入熔体29中。举例而言，不构成本发明的部分的硅熔体补给系统38可采用颁发给辛克(Sink)等人的美国专利第4，661，324号中叙述的碎片推送器的形式。
设备20还另有示于图中晶种组合件40。晶种组合件40放置在熔炉罩壳22中，该组合件包括晶种支持器42和晶种44。晶种组合件40与一个提拉机构连接，用于使晶种支持器42在轴向上靠扰或离开导模18。
设备20还有一个热感受器47和一个在坩埚24附近围绕熔炉罩壳22的加热线圈48。热感受器47为一个矮短体，直接放在坩埚/导模件18的下方，作其支承。虽然图中表示，但应理解有一个支架安装在熔炉毂22内，该支架起着热感受器47与坩埚/导模件18的支承件的作用。热感受器47用石墨或其他的适当材料制造，通过感受加热线圈48产生的电磁能而被加热。热感受器47将热传送到坩埚24，使坩埚中的硅维持在熔融状态。
如从图2可见，过去在EFG生长设备中使用的传统一体坩埚/毛细管导模组合件类型，该组合件有一个有上端表面52的导模尖部50，空心晶体54从上端表面52上生长。导模尖部50与坩埚24的侧壁25的上端一体形成。导模尖部50有内部、外部外侧表面56及58，从上端表面52逐渐向下斜，相对于晶体54生长轴线形成锐角(最好约不超过30°)。导模表面52通过一条垂直毛细槽60与坩埚24中的熔体28连通，槽60从导模上端表面向下延伸到与坩埚内部连通的腔62。
现参看广义地限定本发明的图3至7，本发明包括EFG毛细管导模19，该导模设计成在整个生长过程中使导模尖部的外表面有液态硅覆盖。图3简示的导模，在图4至7中更详细地示出该导模的细节，该导模有一个与侧壁25的上端一体形成的直立的导模尖部100。该导模尖部100有多边形例如八边形或九边形的截面，虽然该截面也可以是圆形或直线形或其他构形。更具体而言，导模尖部100的内、外表面可各有多边形例如八边形或九边形的截面构形。从图3可清楚地看到导模尖部100有上端表面102，最好为平坦表面并平行于坩埚24中熔体表面伸展，有一个多边形构形的内部外侧表面104和一个相似多边形构形的外部外侧表面106。因此，如从图4可见，侧表面104实际为八面形的表面部分104a-104h。外侧表面106也有与表面部104a-104h对应的八面形的表面部分。外侧表面104及106垂直于上端表面102伸展并与之相交。导模尖部100还有一个中央槽108，该槽具毛细尺寸级的宽度，即径向线度，举例该宽度在约0.01英寸至约0.19英范围内，取决于材料和环境条件而定。
如下文结合示于图4至7中本发明的优先实施例的较详细的叙述，坩埚/导模件18构造成有两条位于导模尖部相对两侧的侧壁25的上端上的沟114及116。沟114及116一部分分别由外侧表面104及106定界。提供以图4至7中所示的装置以将液态硅从坩埚24中引导到毛细槽108的底部、并送入沟114及116中。由于毛细作用液态硅在槽108中上升到上端表面102，由表面张力的作用，将其沿外侧表面104及106拉入沟114及116内。由于表面张力的作用，在外侧表面104及106上形成内、外沟弯月面115和117。在晶体生长过程中这些弯月面被保持，从而在晶体生长的整个过程中保持导模尖部100的内、外侧表面104及106湿润。下文中将详细叙述沟弯月面115及117的形成。参看图3，在引发EFG晶体生长的过程中，在上端表面102与生长晶体112底部间形成具有内、外生长弯月面110A及110B为特征的生长膜110。
为保证可通过槽108将液态硅引导到上端表面102，并可利用表面张力将其提升到外侧表面104及106的上端缘，将坩埚24中的熔体的水平面高度保持在正确范围内是件很重要的事。假如熔体的水平面高度太低，则沟弯月面115及117不能形成，或不能升到外侧表面104及106的上缘。假如坩埚中熔体的水平面高度太高，则沟弯月面115及117可能变为生长弯月面110A及110B的延续，因而淹没导模尖部100的上端表面102，使晶体生长不再成为“边缘限定”，即生长晶体的形状不再取决于上端表面102的内、外缘的构形。
在这方面，参看图3，经测定，为防止使沟弯月面115及117变为生长弯月面110A及110B的延续，必须使沟弯月面115的、湿润角A(图3)生长弯月面110A的湿润角B(图3)与外侧表面104及上端表面102间的角C(图3)的和总是小于180°。弯月面117及110B的湿润角及角C的和也应有相同的要求。
应理解到上端表面102为平坦或角C为90°(虽然附图的理想实施例要求如此)。但是角C限制为角A+B+C小于180°，而角A及B分别大于或等熔体在导模材料上的平衡接触角(液态硅在石墨上的平衡接触角为30°)。
沟114及116的宽度，上端端面102超出坩埚24中熔体表面的高度，上端表面102的宽度和熔体在坩埚24中水平面高度都可变化，唯一限制为保持角A+B+C＜180°。
实施本发明时，可采用各种熔体补给系统，只要该系统是可控制的，以便在一定范围内保持坩埚24中熔体的水平面高度，使弯月面附着角符合上面讨论的公式。一种适当的熔体补给系统为美国专利4，661，324中所述的那一种。
在引发晶体生长前，保持坩埚24中的熔体的水平面高度使得液态硅可因毛细管作用而被引导到槽108的上端，并形成沟弯月面115及117，从而分别将导模尖部100的外侧表面104及106湿润，如图3所示。
参看图1及3，通过降低晶种支持器42直至晶种44与导模尖部100的上端表面102接触，并开始熔融，从而晶引发晶体的生长。保持晶种静止直至形成熔融的液态硅与槽108中的熔体连接。然后，将晶种44向上提拉，离开上端表面102以便在晶种与上端表面之间形成有内、外生长弯月面110A及110B的生长膜110。当把晶种提拉离开上端表面102时，生长膜110的最接近晶种的部分便结晶。当将晶种向上提拉更加远离导模时，新熔融的硅由毛细管作用被提拉上升到中央槽108，以便补给生长膜110，生长膜中现的额外的熔融硅又结晶，将附在晶种上的结晶硅增大，从而形成空心长晶体112，截面构形取决于上端表面102的边缘构形。
现参看图4至7，本发明的优先实施例中构成一体的坩埚/导模件18，其导模19处在坩埚24侧壁25上端面151(图6)上并从该上端面向上延伸。如上文结合图3所示导模19的示意图一样，本优先实施例中的导模19有一个竖立的导模尖部100，导模尖部有上端表面102、内部、外部外侧表面104及106及中央毛细槽108。
坩埚/导模件还有一个内沟114、一个外沟116和一个溢流沟170。内沟114由侧壁25上端面151上的槽152(图6)形成，与外侧表面104相邻而与之有距离。最好内沟114的形状如俯视图所示(见图4)，与导模尖部100对应。于是，举例而言，如导模尖部100为九边形的构形，则内沟114也有九边形的构形。
外沟116的构形与内沟114的沟形相似，例外之处为其位置与导模尖部100的外侧表面106相邻。沟116由侧壁152上端面151上的槽155形成。外沟116的俯视图构形，也与导模尖部100的构形对应。
溢流沟170围绕外沟116，但在径向上与之有一距离。沟170由侧壁25上端面上的一个空间157形成。最好沟170与沟116有一个距离，距离大小在约0.01英寸至0.25英寸范围内，并大约与外沟116一样深。最好沟114、116及170有矩形截面，如于图6中所见，但并非必须。溢流沟170的构形，最好如俯视图所示，也与导模尖部100的构形对应。
沟114与116的径向线度或宽度属毛细管尺寸级，而沟170的相应尺寸，可为毛细管尺寸级或较大。
导模18也有在坩埚24的侧壁25上形成的多个在圆周上相间隔的倾斜通道180。通道180最好与导模的水平轴线倾斜约30°(即与导模的垂直轴线或纵轴线倾斜约60°，但也并非必须。每一通道180有毛细尺寸级的截面，最好最大直径约0.20英寸。通道180放置成使之与(1)槽152的底棱、(2)中央槽108、(3)槽155及(4)侧壁25的内表面159相交。其结果是，倾斜通道180将内、外沟114及116和中央毛细槽108与坩埚24的内部连通，从而使液态硅可从坩埚24由毛细管作用引导而进入内、外沟及中央毛细槽，下文将对之进行讨论。
为使本发明的运转达到最佳程度，一件很重要的事是使导模尖部100的高度与宽度和毛细槽108的宽度限制在某一量度范围内。在这方面，图4至7中所示的导模尖部100最好制造成(a)使得上端表面102的位置比图2所示的传统EFG导模类型的上端表面的位置较接近坩埚24中的熔体表面，(b)使得在外侧表面104与106之间测量的上端表面102的总宽度大于图2所示的传统EFG导模的类型的上端表面的总宽度。
具体而言，最好导模尖部100制造成，使得导模上端表面102与沟114另一侧的相应上端面151A(或沟116上端的相应上端面151B)的距离H，约在0.05英寸至0.09英寸范围内，最好为0.07英寸。当然，上端表面102与坩埚中熔体29的表面间的距离，取决于坩埚24中熔体的水平面高度且稍大于距离H(图6)，因为熔体一般不填加到坩埚的上缘。但是，在坩埚与沟114及116中容许的熔体水平面高度之上的上端表面102的高度不应大于这样的高度，该高度可使毛细槽108及沟中的熔体沿外侧表面104及106直到上端表面102边缘的毛细上升达到导模尖部的整个高度，作为举例而非限制性，坩埚中熔体的水平面高度应保持在0.15至0.56英寸范围内，最好在0.26至0.34英寸范围内。在表面104与106之间测量出的上端表面102宽度在0.02至0.20英寸范围内为好，宽度0.08英寸为最好。
在导模19的优先实施例中，毛细槽108的宽度在0.01至0.19英寸范围内，以宽度约0.04英寸为好。
关于本发明优先实施例中导模18的作业的下列叙述，假定在生长过程开始前、并且持续地在生长过程中，通过适当补给熔体将坩埚中的液态硅的水平面高度保持在预定的限度内。
一旦坩埚24中盛装液态硅，便将液态硅以毛细管作用引导通过斜通道180进入内沟114、导模尖部100中的中央毛细槽108和外沟116内。在内、外沟中注以液态硅直至达到液态硅与内部外部及外侧表面104及106接触的水平面高度。
沟114及116中的液态硅因表面张力作用分别沿内部及外部外侧表面104及106上升，从而形成沟弯月面115及117(图7)。液态硅在外侧表面104及106上升起约达到外侧表面104及106与上端表面102的交接处，而生长弯月面110A及110B则在导模尖部100的上端表面102边缘和生长晶体之间伸展。
晶体生长过程的引发和维持基本与上文就本发明的一般叙述及图3所示相同。当将晶种提拉离开导模时，空心硅体在晶种上生长。晶体生长用的原料利用毛细管作用完全从液态硅中供给，通过槽108向上输送到上端表面102。在生长作业中，上端表面102和外则表面104及106保持用液态硅湿润。
偶尔，一般发生于生长过程的引发和结束阶段，生长晶体例如由于导模温过高或提拉速度过大可能与生长界面分离。由于这种分离，液态硅可能从导模尖部上溢出而进入内、外沟114及116。在某些情况下，一些液态硅的溢出超过内、外沟而进入坩埚24或溢流沟170。溢入内、外沟114及116的液态硅不影响生长过程，因这些沟中已含有液态硅。一般，溢入溢流沟170中的液态硅留在该沟内，生长过程完成后，随导模一起处理。
从上文可见，已知的例如美国专利US4，544，528号专利所示的EFG导模，倾向于受到一些问题的损害。首先，在传统的大尺寸EFG导模中，诸如在生长面宽4英长的八边形和九边形的导模中，有时难以引发或维持晶体的生长。其次，倾向于难以在围绕其周边生长厚度均匀的晶体。第三，结合晶体生长过程的引发和/或结束，并且在生长过程的其他时间，发生液态硅淹没导模和晶体生长设备的其他相邻部分的事情并不罕见。本发明的湿尖导模就是为减少或消灭这类问题而设计的。
更具体讲，按本发明设计的导模，可在一个比传统EFG导模更宽的温度范围内保证晶体生长顺利引发及维持。用按本发明设计的导模，相对于上端表面102坩埚中熔体的水平面高度比传统的EFG导模中熔体的水平面高度要高。此外，可使上端表面102比传统EFG导模的上端表面宽。由于导模尖部100构形的这些变化，其生长弯月面110A及110B与传统EFG导模相关的生长弯月面相比倾向于高于后者。由于生长弯月面110A与110B较高，上端表面102与生长中的晶体底部的熔体/固体界面间的温差大于传统EFG导模的相应温差。这种温差的增大，可提高生长中的晶体承受围绕导模周边的温度变化的能力而不致在导模上凝固或与弯月面分离。
现考虑本发明减少第二个问题的方式，导模18设计成使得在生长过程中温度、表面特征和导模尖部100构形边缘比用传统EFG导模的真实情况保持得更为均匀。在本发明中，在全部生长过程中，内部、外部外侧表面104及106和导模尖部100的上端表面102由液态硅保持湿润。在另一方面，在已知的EFG导模中，由于溢流或其他事故，导模尖部外表面的某些部分可能被液态硅所覆盖，而导模的其余部分则干燥，即不被熔体接触。由于液态硅的导热性约为石墨的两倍，而热辐射性约为石墨的一半，因此，溢流的液态硅便在传统EFG导模尖部的外侧表面上形成局部热点。如此，围绕传统EFG模具的温度便不均匀，其结果，用传统EFG导模生长的晶体，在围绕晶体的周边的壁厚也就不会均匀。这问题可用本发明加以避免，因为通过保持导模尖部100的全部外侧表面湿润，可避免由于分散的湿区和干区所造成的温度变化。
此外，关于第二个问题，由于在晶体生长过程中，导模尖部100的全部外表面由熔融硅保持湿润，在毛细槽108中和导模尖部外表面上形成的碳化硅大为减少，或至少使之较均匀，因大部分浸没在熔体中从而为害较少。如众所周知，碳化硅沉积层倾向于在已知的EFG导模尖部接触液态硅的部分上发展。由于碳化硅与石墨有不同的导热性和热辐射性，已知EFG导模的导模尖部上的局部温差是由碳化硅沉积层造成的。这些局部温差造成从沉积了碳化硅的导模上生长的晶体的周边厚度有变化。
除可影响导模的温度分布外，碳化硅沉积层还可改变导模尖部的表面特征和/或上端表面的边缘构形。结果，沉积的碳化硅可能影响生长晶体的构形。
由于碳化硅生长成多孔晶体结构，实际上形成可提拉和支持来自导模尖部的可渗透的结构，并以自生自存的方式堆积在毛细槽108中。碳化硅的堆积使导模的几何形状变化，造成晶体的厚度变化并可能阻止熔体流到生长膜110。
还是关于第二个问题，导模件18在已知的EFG导模包含例如石墨等固体结构的区域处有开孔、通道和其他腔穴。在晶体生长过程中由于导模18的这些腔穴中含液态硅而非石墨，由于液态硅的导热性比石墨大两倍以上从而使热传导得到改进。此外，由于液态硅的性质比石墨通为均匀，故在导模18中，围绕导模尖部100周边的温度倾向于比传统EFG导模更为均匀。
导模件18的设计使得确在发展的碳化硅沉积层可调节而在生长晶体的厚度中不造成相应的局部变化，或在生长晶体的厚度中仅造成最小的局部变化。具体而言，由于毛细槽108和导模上端表面102相当宽，故模顶的平坦部可累积相当大量的碳化硅而不改变生长弯月面的形状。
导模件18设计的另一方面导致围绕毛细管导模19周边的温度的均匀性增高，本身也使生长的晶体壁厚更为均匀。由于毛细管导模19的高度可约为美国专利第4，230，674号中的已知EFG导模类型的高度的三分之一，而宽度几乎为其宽度的两倍，又因为湿导模尖部区中大部分含液态硅而非石墨，故导模尖部100的垂直方向的热传导明显地提高。由于这种提高的结果，坩埚24中大量熔体和导模上端表面102之间的温度降差减小。结果，坩埚24中的液态硅或与毛细管通道180接触的液态硅的最高温度减小。与先有技术的坩埚/导模组合件比较，由于通道180对导模尖部100倾斜，故与石墨坩埚接触的熔体的最高温度进一步减低，因此大致与导模温度分布的等温线平行。在传统的EFG导模中，毛细管通道较垂直伸展，当其向下伸入导模/坩埚件(坩埚的最下面的外侧角棱)的最热区域中时便越过较多的等温线。由于经过通道180输送的液态硅平行通过等温线，在那些通道中与石墨接触的液态硅的最高温度降低，其结果，坩埚的熔解和在毛细槽108中及导模上端表面102上沉降的溶解的坩埚材料减少。这本身又因减少杂质的分离而倾向于提高生长晶体的均匀性。
应当看到通道180是通过从导模顶部向下钻孔形成的。该通道是倾斜的并通过导模尖部和坩埚的侧壁，与两沟104及106和导模供料毛细槽108相交。通道180的倾斜性质提供若干优点。首先，如从上文可见，通道180可消除或防止熔体进入温度相当高的导模结构区域内，从而有助于碳化硅的形成。易言之，倾斜通道倾向于降低从坩埚流向导模上表面的硅熔体所经区域中的石墨/硅界面的最高温度。
其次，通道180用以将熔体分配到两个溢流沟114及116和毛细槽108。第三，由于有倾斜角度，在通道180中流向毛细槽108的熔体，经历比先有技术EFG导模更少的侧向流动。第四，通道180和先有技术导模中从坩埚向导模毛细槽供给熔体的通道相比较易制造且廉宜。其结果，围绕导模轴线大量设置互相邻近的通道180，在经济上是可行而且是实际的。因此，通道180不仅可倾斜成更接近平行于导模中的等温线，而且由于通道180的数目可相当地多而间距相当窄，因此可减少熔体在毛细槽内及导模顶的横向流动的要求。熔体在导模中横向流动减少，有利于减少杂质的分离和沉降。
其结果，本发明的新颖的导模不仅可制造得较浅，而且更接近等温。概括言之，由上列因素造成的坩埚与毛细管通道中液态硅温度的降低，减少液态硅熔解石墨模中的碳的倾向。减少因与液态硅反应而沉降碳的倾向，则使在导模尖部100上碳化硅的沉积减少。这种减少有很大的优点，因如上所述，碳化硅沉积层造成温差并改变导模尖部的形状，导模尖部形状的改变本身也造成从导模尖部上生长的晶体的厚度的变化。这种减少另有很大优点，因为碳化硅沉积层可能堵塞传统设计的导模件的毛细通道，从而阻止熔体向生长弯月面流动，因此限制了导模的使用寿命，而结合着本发明的导模则使用寿命可以长得多。
还可以将毛细管导模19设计成可克服上面的第三个问题，即，克服液态硅淹没该导模及晶体生长设备的邻近区域的问题。通过设置与导模尖部100相邻的内、外沟114及116，可将来自生长弯月面110的大部分液态硅的溢流体获截在该沟中，将其再循环以作随后的晶体生长之用。如发生相当大量的溢流，则可将液态硅截获在最外的沟170中。这样已知EFG导模中与溢流的液态硅相关的各种问题可得以避免。
在上述装置中可作某些变化和修改而不脱离本发明专利的范围。因此，举例而言，导模尖部100的上端面视待生长的晶体的形状可有圆形、椭圆形、三角形、矩形或其他的构形。此外，导模/坩埚组合件的不同部分的相对尺寸可以变化。还可将第三沟省略，因对导模的顺利运作并非必须。但是，在发生溢流时有第三沟以截获熔体为好，因这样便可防止损坏生长区中的其他元件。坩埚/导模组合件的尺寸及设计也可变化而不脱离本发明的原理。因此，举例而言，坩埚与EFG导模可制成两个独立且相离异的部件，但可互相装配以便形成具有与附图中坩埚/导模装置的同等功能的装置。在这种替换的实施例中，通道180属于独立制成的导模的一部分。
对于熟悉本技术领域的普通技术人员而言，还有其他可能的修改，都是易于理解的，因此，上文所述及附图所示的全部内容，应理解为解说性质而无制约意义。
本文所用术语中，“管形”所指为空心长形体，其截面形状为环形，最好有多边形构形，例如八边形或九边形，但可作为替换可为圆形或其化构形。
权利要求
1.用EFG(边缘限定薄层供料生长)方法，生长选定材料的管形晶体的设备，所述设备包含(a)坩埚，所述坩埚具有底壁与侧壁，形成容纳所述选定材料的液态供料的内空间，(b)改进的毛细管导模，所述导模与所述侧壁一体成形；所述导模有尖部装置，用以支持液体/固体生长界面，并用以控制所述晶体的构形，所述尖部装置有一上端表面和与所述上端表面相交的内部、外部外侧表面；输送装置，用以(a)利用毛细管作用将所述选定材料以液体状态从所述坩埚送至所述尖部装置，从而在所述晶体的生长过程中，所述上端表面与所述内部、外部外侧表面经常由所述熔体湿润。
2.如权利要求1所述之设备，其特征为所述内部、外部外侧表面基本上垂直于所述上端表面的平面伸展。
3.如权利要求1所述之设备，其特征为所述输送装置至少有一个与所述上端表面相交的毛细管。
4.如权利要求1所述之设备，其特征在于所述设备有第一及第二沟装置用以保持第一及第二熔体池与所述内部、外部外侧表面接合。
5.如权利要求1所述之设备，其特征为所述输送装置包含第一沟装置，与所述尖部装置的所述内部外侧表面相邻，用以容纳所述熔体的第一池;第二沟装置，与所述尖部装置的所述外部外侧表面相邻，用以容纳所述熔体的第二池;
6.如权利要求5所述之设备，其特征为所述输送装置包含在所述尖部装置中与所述尖部装置的所述上端表面相交的第一毛细通道，及用以将在液态下的所述选定材料从所述坩埚向所述第一毛细通道输送的装置。
7.如权利要求5所述之设备，其特征为所述输送装置另外包含第三沟装置，设置在围绕所述第二沟装置并与之有间隔关系的位置上，用以容纳从所述尖部装置或所述第二沟装置溢流出的熔体。
8.如权利要求1所述之设备，其特征为从在所述内部和外部外表面与所述上端表面分别的相交点之间测量的所述上端表面的宽度，在0.02英寸至0.20英寸的范围内。
9.如权利要求1所述之设备，其特征为所述输送装置包含一个用以将熔体输送到所述上端表面的毛细槽;一个用以将所述坩埚内部与所述毛细槽连通的倾斜通道。
10.用EFG(边缘限定薄层供料生长)方法，生长选定材料的管形晶体的设备，所述设备包含坩埚，用以熔纳所述选定材料的熔体;所述坩埚的加热装置;由所述熔体生长所述选定材料的管形晶体的生长装置，所述生长装置中有(1)晶种支持装置，用以支承在其生长所述晶体的晶种，(2)提拉装置，用以提拉所述管形晶体及所述晶种支持装置离开所述坩埚;与所述坩埚一体成形的成形装置，所述成形装置包含用以支持在其上支持生长所述空心管形晶体的所述选定材料的膜、并用以确定所述晶体的截面构形的尖部装置，所述尖部装置包含一个上端表面和与所述上表面相交的内部、外部外侧表面;毛细槽装置，用以利用毛细管作用将在熔融状态下的所述选定材料从所述坩埚向所述上端表面输送;通道装置，用以将在熔融状态下的选定材料从所述坩埚输送到所述内部、外部外侧表面，从而在该晶体生长过程中，用所述选定材料湿润所述内部、外部外表面。
11.如权利要求10所述之设备，其特征为所述通道装置有多个从所述坩埚内部通向所述毛细槽装置的倾斜通道。
12.如权利要求11所述之设备，其特征为所述倾斜通道与水平面的倾斜角度约30度。
13.如权利要求12所述之设备，其特征为所述倾斜通道另外包括第一及第二沟，位于所述导模尖部的相对两侧，所述内部外侧表面形成所述第一沟的一部分，而所述外部外侧表面形成所述第二沟的一部分。
14.用(a)EFG导模和(b)坩埚生长选定材料的管形晶体的方法，所述坩埚容纳液态下的所述选定材料的供料，所述导模有上端表面，内部、外部外侧表面和至少一条用以将液态的所选定材料从所述坩埚送至所述上端表面的通道，其特征为所述方法包括在所述管形的晶体是从上端表面支承的所述选定材料液膜生长的情况下，保持所述内部、外部外侧表面与所述液态选定材料接触的步骤。
15.如权利要求14所述之方法，其特征为还包括保持所述上端表面与所述坩埚中的所述液态选定材料的高度差在0.15英寸至0.56英寸之间的步骤。
16.如权利要求14所述之方法，其特征为所述导模有第一及第二沟与所述内部、外部外侧表面相邻，另外在各所述沟中保持所述液态选定材料池而在所述第一及第二沟中的液态选定材料延伸至所述内部、外部外侧表面并与之分别形成弯月面的步骤。
全文摘要
EFC生长空心晶体的新颖毛细导模及晶体生长方法。内、外环形迁围绕导模尖部。熔体从坩埚通过通道输送到沟，空心晶体生长过程中，沟中熔体湿润并覆盖内部、外部外侧表面。新颖导模结构有较低的导模尖部和较短毛细槽。可保持围绕导模尖部周边的温度基本均匀，提高导模尖部上生长的管形晶体壁厚的均匀度。该沟可减少因导模被淹没而发生中断或影响晶体生长过程。发生生长弯月面断裂时，该沟载获液态硅，防止或减少发生淹没导模及相关生长设备的现象。
文档编号H01L21/208GK1058055SQ9110472
公开日1992年1月22日 申请日期1991年7月8日 优先权日1990年7月13日
发明者戴维·S·哈维, 布赖恩·H·麦金托什, 丹娜·L·温切斯特, 桑卡灵汉姆·拉金德兰 申请人:无比太阳能公司