DE112007002987T5

DE112007002987T5 - System und Verfahren zur Ausbildung eines Kristalls

Info

Publication number: DE112007002987T5
Application number: DE112007002987T
Authority: DE
Inventors: Weidong Acton Huang; David Westforn Harvey; Richard Acton Wallace; Emanuel Newton Sachs; Leo Franklin Van Glabbeek
Original assignee: Evergreen Solar Inc
Current assignee: Evergreen Solar Inc
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2010-02-04
Also published as: KR20090086567A; CA2671483A1; JP2010512295A; US20080134964A1; WO2008070458A1; MX2009006097A

Abstract

System zur Herstellung eines aus einem Material mit Verunreinigungen gebildeten Kristalls, wobei das System umfasst:
einen Tiegel zum Halten des Materials, welcher einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Materials und einen Entnahmebereich zur Entfernung eines Teils des Materials aufweist,
wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er einen allgemein unidirektionalen Fluss des Materials in flüssiger Form vom Einführbereich zum Entnahmebereich hin erzeugt, wobei der allgemein unidirektionale Fluss bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration von Verunreinigungen aufweist als der Einführbereich.

Description

PRIORITÄT
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/873,177, eingereicht am 6. Dezember 2006 mit dem Titel „UTILIZING LOWER PURITY FEEDSTOCK IN SEMICONDUCTOR RIBBON GROWTH”, unter Benennung von David Harvey, Emanuel Michael Sachs, Richard Lee Wallace Jr. und Weidong Huang als Erfinder, wobei die Offenbarung dieser Anmeldung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingegliedert wird.
Diese Patentanmeldung beansprucht auch die Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 60/922,355, eingereicht am 6. April 2007 mit dem Titel „UTILIZING LOWER PURITY FEEDSTOCK IN SEMICONDUCTOR RIBBON GROWTH”, unter Benennung von David Harvey, Emanuel Michael Sachs, Richard Lee Wallace Jr. und Weidong Huang als Erfinder, wobei die Offenbarung dieser Anmeldung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingegliedert wird.
Diese Patentanmeldung beansprucht auch die Priorität aus der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 11/741,372, eingereicht am 27. April 2007 mit dem Titel „SYSTEM AND METHOD OF FORMING A CRYSTAL”, unter Benennung von David Harvey, Emanuel Michael Sachs, Richard Lee Wallace Jr., Leo van Glabeek und Weidong Huang als Erfinder, wobei die Offenbarung dieser Anmeldung hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingegliedert wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein das Kristallwachstum (Kristallzüchtung), und insbesondere betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren zur Förderung des Kristallwachstumsvorgangs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Siliziumwafer bilden die Bausteine einer großen Vielfalt von Halbleitervorrichtungen, wie z. B. Solarzellen, integrierte Schaltkreise und MEMS-Vorrichtungen. Diese Vorrichtungen besitzen häufig unterschiedliche Trägerlebensdauern, was einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung hat. Z. B. kann eine Silizium-basierte Solarzelle mit einer höheren Trägerlebensdauer die Sonnenenergie mit einem höheren Wirkungsgrad effektiver in elektrische Energie umwandeln als eine Silizium-basierte Solarzelle mit einer geringeren Trägerlebensdauer. Die Trägerlebensdauer einer Vorrichtung ist im Allgemeinen eine Funktion der Konzentration der Verunreinigungen in den Silizium-Wafern, aus welchen die Vorrichtung hergestellt wurde. Vorrichtungen mit höherem Wirkungsgrad werden daher häufig aus Silizium-Wafern mit geringeren Konzentrationen von Verunreinigungen hergestellt.
Die Konzentration der Verunreinigungen (Störstellendichte) eines Silizium-Wafers hängt im Allgemeinen jedoch von der Konzentration der Verunreinigungen im Silizium-Ausgangsmaterial ab, aus welchem er hergestellt wurde. Unerwünschterweise ist ein Silizium-Ausgangsmaterial mit einer geringeren Konzentration an Verunreinigungen typischerweise teurer als ein Siliziumausgangsmaterial mit einer höheren Konzentration an Verunreinigungen. Fachleute sind daher nicht in der Lage, Vorrichtungen mit höherem Wirkungsgrad herzustellen, ohne dabei die Herstellungskosten zu erhöhen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung besitzt ein System zur Herstellung eines aus einem Material mit Verunreinigungen gebildeten Kristalls einen Tiegel zur Aufnahme des Materials. Der Tiegel besitzt unter anderem einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Materials und einen Entnahmebereich zur Entnahme eines Teils des Materials. Der Tiegel ist so ausgestaltet, dass er einen allgemein unidirektionalen Materialstrom (in flüssiger Form) aus dem Einführbereich zum Entnahmebereich erzeugt. Diese allgemein unidirektionale Strömung bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration an Verunreinigungen besitzt als der Einführbereich.
Einige Ausführungsformen des Tiegels besitzen einen sich verengenden Endabschnitt, der zumindest einen Teil des Entnahmebereichs enthält. Andere Ausführungsformen des Tiegels besitzen eine längliche Form mit einer Längsabmessung und einer Breitenabmessung. Der Kristallbereich kann zwischen dem Einführbereich und dem Entnahmebereich entlang der Längsabmessung positioniert sein. Zusätzlich kann die Längsabmessung mindestens dreimal größer als die Breitenabmessung sein. Darüber hinaus ist der Tiegel beispielhaft so ausgestaltet, dass er den Materialstrom allgemein in eine Richtung zum Entnahmebereich in der Längsrichtung lenkt.
Der Entnahmebereich kann eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Wege zur Entnahme des Materials einsetzen. Z. B. kann der Entnahmebereich eine Entnahmeöffnung aufweisen, welche vom Kristallbereich beabstandet ist, um einen Teil des Materials zu entnehmen. Das System kann somit eine Druckquelle aufweisen, um das Material durch die Entnahmeöffnung zu drängen, oder sich einer Schwerkraft bedingten Speisung bedienen. Um das entfernte Material aufzunehmen, kann das System auch einen Behälter aufweisen, der mit der Entnahmeöffnung gekoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das System einen den Entnahmebereich durchquerenden Docht zur Entnahme des Materials aufweisen.
Der Tiegel kann so ausgestaltet sein, dass er bewirkt, dass das Material vom Einführungsbereich zum Entnahmebereich eine allgemein zunehmende Menge an Verunreinigungen aufweist. Z. B. kann der allgemein unidirektionale Strom bewirken, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration an Verunreinigungen besitzt als die durchschnittliche Konzentration an Verunreinigungen im Kristallbereich.
In einigen Ausführungsformen ist der Tiegel im Wesentlichen eben und enthält das Material durch Oberflächenspannung. Darüber hinaus kann der Tiegel so ausgestaltet sein, dass er im Wesentlichen keine Drehströmung (rotierende Strömung) des Materials im Kristallbereich oder in dessen unmittelbarer Nähe bewirkt. Es wird auch vorhergesehen, dass verschiedene Ausführungsformen verwendet werden können, um eine Vielzahl von Kristallen zu züchten. In diesem Fall umfasst der Kristallbereich eine Vielzahl von Kristall-Unterbereichen zum Züchten einer Vielzahl von Kristallen.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung fügt ein Verfahren zur Ausbildung eines Kristalls Material an einem Einführbereich eines Tiegels hinzu. Auf ähnliche Weise wie beim oben besprochenen Tiegel besitzt auch dieser Tiegel einen Kristallbereich und einen Entnahmebereich. Das Verfahren bewirkt dann, dass das Material auf eine im Wesentlichen unidirektionale Weise in der Richtung des Entnahmebereichs fließt. Zumindest einige Verunreinigungen fließen mit dem unidirektionalen Strom zum Entnahmebereich. Das Verfahren entfernt auch einen Teil des Materials aus dem Entnahmebereich.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Bandziehsystem zur Erzeugung eines aus Silizium mit Verunreinigungen gebildeten Bandkristalls einen Tiegel zur Aufnahme von flüssigem Silizium. Auf eine den oben besprochenen Ausführungsformen ähnliche Art besitzt der Tiegel einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Siliziums und einen Entnahmebereich zur Entfernung eines Teils des Siliziums in flüssiger Form. Der Tiegel ist so ausgestaltet, dass er einen allgemein unidirektionalen Strom des Siliziums (in flüssiger Form) vom Einführbereich zum Entnahmebereich erzeugt. Dieser allgemein unidirektionale Strom bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration an Verunreinigungen besitzt als der Einführbereich.
In Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besitzt ein System zur Herstellung eines aus einem Material mit Verunreinigungen gebildeten Bandkristalls einen Tiegel zur Aufnahme des Materials. Dieser Tiegel besitzt ebenfalls einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Materials und einen Entnahmebereich zur Entnahme eines Teils des Materials. Der Tiegel ist so ausgestaltet, dass er einen wesentlichen Großteil des Materials veranlasst, allgemein direkt aus dem Einführbereich zum Entnahmebereich zu fließen. Dieser Strom bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration an Verunreinigungen aufweist als der Einführbereich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Fachmann sollte die Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung aus der folgenden „Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen” besser verstehen können, welche mit Bezug auf die unmittelbar anschließend zusammengefassten Zeichnungen diskutiert werden.
1 zeigt schematisch einen Ofen zur Züchtung von Silizium-Bandkristallen, der beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung verwenden kann.
2 zeigt schematisch eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des in 1 gezeigten Kristallzüchtungssofens.
3A zeigt schematisch einen in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ausgestalteten Tiegel.
3B zeigt schematisch eine Ausführungsform des Tiegels, welcher flüssiges Silizium enthält und in dem eine Vielzahl von Siliziumbandwafern gezüchtet werden.
4 zeigt graphisch ein Beispiel für Konzentrationen der Verunreinigungen in dem Schmelzmaterial des Tiegels.
5 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Tiegels, der in 3B gezeigt ist.
6 zeigt schematisch eine perspektivische Längsschnittansicht eines Abschnitts des in 3A gezeigten Tiegels.
7A zeigt schematisch eine teilweise Schnittansicht einer Auslassöffnung des Tiegels, sowie eine Vorrichtung zur Förderung des Schmelzenablasses in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung.
7B zeigt schematisch eine teilweise Schnittansicht einer Auslassöffnung des Tiegels, sowie eine Vorrichtung zur Förderung des Schmelzen-Ablasses in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
7C zeigt schematisch eine teilweise Schnittansicht einer Auslassöffnung des Tiegels, sowie eine Vorrichtung zur Förderung des Schmelzenablasses in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
7D und 7E zeigen schematisch eine Vorrichtung zur Förderung des Schmelzenablasses in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
8 zeigt ein Verfahren des Schmelzenablasses in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung.
9 zeigt schematische eine Draufsicht eines Tiegels mit einem sich verengenden Endabschnitt in Übereinstimmung mit alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
10A, 10B und 10C zeigen schematisch Draufsichten von drei zusätzlichen alternativen Ausführungsformen des Tiegels.
BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In beispielhaften Ausführungsformen besitzt ein Kristallwachstumssystem (Kristallzuchtsystem) einen Tiegel, der ausgestaltet ist, um Kristalle höherer Qualität aus einem Ausgangsmaterial niedrigerer Qualität herzustellen. Dementsprechend sollte das System die Kristallherstellungskosten verringern und somit die Kosten der aus diesen Kristallen hergestellten Vorrichtungen verringern.
Zu diesem Zweck besitzt der Tiegel einen Entnahmebereich zum selektiven Entnehmen von geschmolzenem Material mit höherer Konzentration an Verunreinigungen, welches durch einen allgemein unidirektionalen Strom dorthin gespült wurde. Genauer gesagt bewirkt dieser Strom, dass viele der Verunreinigungen im Material (mit dem Materialstrom) von einem stromaufwärts gelegenen Bereich des Tiegels zum Entnahmebereich fließen. Tests unter Verwendung einer Siliziumschmelze haben gezeigt, dass diese Strömung bewirkt, dass sich die Verunreinigungen im Entnahmebereich ansammeln.
Die Entnahme des Materials aus dem Entnahmebereich besitzt den Nettoeffekt, dass Verunreinigungen aus dem Tiegel entfernt werden und dementsprechend das System in die Lage versetzt wird, Kristalle mit geringerer Verunreinigungskonzentration herzustellen. Details der beispielhaften Ausführungsformen werden im Folgenden besprochen.
1 zeigt schematisch einen Ofen 10 zur Züchtung von Siliziumbandkristallen, der beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung einsetzen kann. Der Ofen 10 besitzt unter anderem ein Gehäuse 12, das einen abgedichteten Innenraum ausbildet, welcher im Wesentlichen frei von Sauerstoff ist (um eine Entzündung zu verhindern). Anstatt von Sauserstoff weist der Innenraum eine gewisse Konzentration eines anderen Gases, wie z. B. Argon, oder einer Kombination von Gasen auf. Das Gehäuseinnere enthält unter anderem auch einen Tiegel 14 und weitere Komponenten (von denen einige im Folgenden besprochen werden), um im Wesentlichen gleichzeitig vier Siliziumbandkristalle 32 zu züchten. Die Bandkristalle 32 können zu einer großen Vielfalt von Kristallarten gehören, wie z. B. mehrkristallin, einkristallin, polykristallin, mikrokristallin oder halbkristallin. Ein Speisungseinlass 18 im Gehäuse 12 stellt ein Mittel zur Einleitung des Siliziumausgangsmaterials zum inneren Tiegel 14 bereit, während ein optionales Fenster 16 die Inspektion der Innenkomponenten erlaubt. Es sollte bemerkt werden, dass die Diskussion von Siliziumbandkristallen 32 beispielhaft ist und nicht dazu gedacht ist, sämtliche Ausführungsformen der Erfindung einzuschränken. Z. B. können die Kristalle aus einem von Silizium verschiedenen Material gebildet werden, oder einer Kombination von Silizium und irgendeinem anderen Material. Als weiteres Beispiel können beispielhafte Ausführungsformen nicht bandförmige Kristalle bilden.
2 zeigt schematisch eine teilweise aufgeschnittene Ansicht des in 1 gezeigten Kristallzüchtungsofens 10. Diese Ansicht zeigt unter anderem den oben genannten Tiegel 14, welcher auf einer inneren Plattform 20 im Gehäuse 12 gelagert ist und eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche besitzt. Wie in 3A gezeigt ist, besitzt diese Ausführungsform des Tiegels 14 eine längliche Form mit einem Bereich zum Züchten der Siliziumbandkristalle 32 in einer entlang seiner Länge nebeneinander liegenden Anordnung.
In beispielhaften Ausführungsformen ist der Tiegel 14 aus Graphit gebildet und wird durch Widerstandserhitzung auf eine Temperatur erhitzt, die in der Lage ist, das Silizium oberhalb seines Schmelzpunkts zu halten. Um die Ergebnisse zu verbessern, besitzt der Tiegel 14 eine Länge, die viel größer als seine Breite ist. Z. B. kann die Länge des Tiegels 14 drei- oder mehrmals größer als seine Breite sein. Natürlich ist in gewissen Ausführungsformen der Tiegel 14 nicht auf diese Weise länglich ausgebildet. Z. B. kann der Tiegel 14 eine etwas quadratische Form oder eine nicht rechteckige Form aufweisen. Der Einfachheit halber werden alle Ausführungsformen des Tiegels mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet.
Der Tiegel 14 kann als drei separate, jedoch angrenzende Bereiche umfassend angesehen werden; nämlich erstens einen Einführbereich 22 zur Aufnahme des Siliziumausgangsmaterials aus dem Speisungseinlass 18 des Gehäuses, zweitens einen Kristallbereich 24 zum Züchten von vier Bandkristallen 32, und drittens einen Entnahmebereich 26 zum Entnehmen eines Teils des geschmolzenen Siliziums, das vom Tiegel 14 gehalten wird (d. h., um einen Ablassvorgang durchzuführen). In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Entnahmebereich 26 eine Öffnung 34 zur Erleichterung der Siliziumentnahme. Wie detailliert im Folgenden besprochen wird, besitzen andere Ausführungsformen jedoch eine solche Öffnung 34 nicht.
Der Kristallbereich 24 kann als vier separate Kristall-Unterbereiche bildend angesehen werden, die jeweils ein einzelnes Bandkristall 32 züchten. Zu diesem Zweck besitzt jeder Kristall-Unterbereich ein Paar Drahtlöcher 28 zur jeweiligen Aufnahme von zwei Hochtemperaturdrähten, die schließlich den Randbereich eines wachsenden Siliziumbandkristalls 32 bilden. Darüber hinaus kann jeder Unterbereich auch als von einem Paar optionaler Flusssteuerungskanten(-leisten) definiert angesehen werden. Dementsprechend besitzt jeder Unterbereich ein Paar von Leisten 30, das seine Grenze bildet, und ein Paar von Drahtlöchern 28 zur Aufnahme von Drähten. Wie in den Figuren gezeigt ist, teilen sich die mittleren Kristall-Unterbereiche die Leisten 30 mit benachbarten Kristall-Unterbereichen. Zusätzlich zur Unterteilung der Kristall-Unterbereiche weisen die Leisten 30 auch einen gewissen Grad an Strömungswiderstand gegenüber der Strömung des geschmolzenen Siliziums auf, wodurch Mittel zur Steuerung der Fluidströmung entlang des Tiegels 14 bereitgestellt werden.
Auf eine den anderen Aspekten der Erfindung ähnliche Weise ist die Diskussion von vier Kristall-Unterbereichen lediglich eine Ausführungsform. Verschiedene Aspekte der Erfindung können auf Tiegel 14 mit weniger als vier Kristall-Unterbereichen (z. B. einem, zwei oder drei Unterbereichen) oder mehr als vier Kristall-Unterbereichen angewendet werden. Dementsprechend dient die Diskussion eines Kristall-Unterbereichs lediglich darstellerischen Zwecken und ist nicht dazu gedacht, alle Ausführungsformen zu beschränken. Auf ähnliche Weise betrifft die Diskussion mehrerer Bandkristalle 32 eine Ausführungsform. Einige Ausführungsformen gelten für Systeme, die lediglich ein einziges Bandkristall 32 züchten.
3B zeigt schematisch eine Ausführungsform des Tiegels 14 mit niedrigen Umfangswänden 31. Zusätzlich zeigt diese Figur eine Ausführungsform des Tiegels 14, welcher flüssiges Silizium enthält und vier Silizium-Bandkristalle 32 züchtet. Wie gezeigt, züchtet der Kristall-Unterbereich, der dem Einführbereich 22 am nächsten liegt und als erster Unterbereich bezeichnet wird, das „Band 3” während ein zweiter Unterbereich das „Band 2” züchtet. Ein dritter Unterbereich züchtet das „Band 1”, und ein vierter Unterbereich, der dem Entnahmebereich 26 am nächsten liegt, züchtet das „Band 0”. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann ein durchgehendes Silizium-Bandkristallwachstum durchgeführt werden, indem zwei Drähte aus Hochtemperaturmaterial durch die Drahtlöcher 28 in den Tiegel 14 eingeführt werden. Die Drähte stabilisieren die Kanten des wachsenden Bandkristalls 32 und formen, wie oben erwähnt, letztlich den Kantenbereich eines wachsenden Silizium-Bandkristalls 32.
Wie in 3B gezeigt ist, integriert sich das nach oben gezogene geschmolzene Silizium mit dem Draht und existierenden eingefrorenen Bandkristallen 32 gerade oberhalb der Oberflächen des geschmolzenen Siliziums. Es ist an dieser Stelle (die als „Grenzfläche” bezeichnet wird), an der der feste Bandkristall 32 typischerweise einen Teil der Verunreinigungen aus seiner Kristallstruktur ausstößt. Unter anderem können solche Verunreinigungen Eisen, Kohlenstoff, Wolfram und Eisen umfassen. Die Verunreinigungen werden somit in das geschmolzene Silizium ausgeschieden, wodurch dementsprechend die Konzentration der Verunreinigungen im Kristallbereich 24 erhöht wird. Während dieses Verfahrens wird jedes Bandkristall 32 bevorzugt aus dem geschmolzenen Silizium mit einer sehr geringen Rate herausgezogen. Z. B. kann jedes Bandkristall 32 aus dem geschmolzenen Silizium mit einer Rate von ungefähr einem Zoll (2,54 cm) pro Minute gezogen werden.
In Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist der Tiegel 14 so ausgestaltet, dass er das geschmolzene Silizium veranlasst mit einer sehr geringen Rate aus dem Einführbereich 22 zum Entnahmebereich 26 zu fließen. Wenn diese Strömungsrate zu hoch wäre, könnten die wachsenden Kristalle auf eine unerwünschte Weise wachsen und somit weniger nützlich sein. Es ist diese geringe Strömung, die bewirkt, dass ein Teil der Verunreinigungen im geschmolzenen Silizium, inklusive jener, die von den wachsenden Kristallen ausgeschieden wurden, aus dem Kristallbereich 24 zum Entnahmebereich 26 fließt.
Mehrere Faktoren tragen zu der Strömungsrate des geschmolzenen Siliziums zum Entnahmebereich 26 bei. Jeder dieser Faktoren betrifft das Hinzufügen oder Entnehmen von Silizium zu und aus dem Tiegel 14. Insbesondere ist ein erster dieser Faktoren einfach die Entfernung des Siliziums, die durch die physikalische Nach-Oben-Bewegung der Drähte durch die Schmelze bewirkt wird. Z. B. entfernt die Entnahme von vier Bandkristallen 32 mit einer Rate von einem Zoll (2,54 cm) pro Minute, bei der jedes Bandkristall 32 eine Breite von ungefähr drei Zoll (7,62 cm) und eine Dicke im Bereich zwischen 190 Mikron und 300 Mikron aufweist, ungefähr drei Gramm geschmolzenes Silizium pro Minute. Ein zweiter dieser Faktoren, der die Strömungsrate beeinflusst, ist die selektive Entnahme/Ablass des geschmolzenen Siliziums aus dem Entnahmebereich 26.
Um dementsprechend eine im Wesentlichen konstante Schmelzenhöhe beizubehalten, fügt das System neues Siliziumausgangsmaterial als Funktion der gewünschten Schmelzenhöhe im Tiegel 14 hinzu. Zu diesem Zweck kann das System unter anderem Änderungen im elektrischen Widerstand des Tiegels 14 erfassen, welcher eine Funktion der Schmelze ist, die er enthält. Dementsprechend kann das System nach Bedarf neues Siliziumausgangsmaterial zum Tiegel 14 hinzufügen, basierend auf dem Widerstand des Tiegels 14. Z. B. kann in einigen Ausführungen die Schmelzenhöhe im Allgemeinen dadurch beibehalten werden, dass ein allgemein kugelförmiger Siliziumklumpen mit einem Durchmesser von ungefähr einigen Millimetern etwa jede Sekunde hinzugefügt wird. Man siehe beispielsweise die folgenden US-Patente (deren Offenbarungen hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingegliedert werden), um zusätzliche Informationen in Bezug auf das Hinzufügen von Siliziumausgangsmaterial zum Tiegel 14 und die Aufrechterhaltung der Schmelzenhöhe zu erhalten:

Die Strömungsrate des geschmolzenen Siliziums im Tiegel 14 ist daher durch dieses allgemein kontinuierliche/intermittente Hinzufügen und Entfernen von Silizium zu und aus dem Tiegel 14 bewirkt. Es wird vorhergesehen, dass bei geeignet geringen Strömungsraten die Geometrie und die Form der verschiedenen Ausführungsformen des Tiegels 14 das geschmolzene Silizium veranlassen sollte, mithilfe einer allgemein unidirektionalen Strömung zum Entnahmebereich 26 zu fließen. Indem man diese allgemein unidirektionale Strömung hat, fließt ein wesentlicher Großteil des geschmolzenen Siliziums (im Wesentlichen das gesamte geschmolzene Silizium) direkt zum Entnahmebereich 26.
Während es auf diese Weise fließt, wird ein Teil des geschmolzenen Siliziums die sehr dünne Seite eines wachsenden Bandkristalls 32 berühren. Wie oben erwähnt, kann in beispielhaften Ausführungsformen diese dünne Seite des Bandkristalls 32 zwischen ungefähr 190 und 300 Mikron betragen. In einigen Ausführungsformen kann das Bandkristall 32 Abschnitte besitzen, die bis zu ungefähr 60 Mikron dünn sind. Dementsprechend sollte der Strömungswiderstand, der von der Seite des Bandkristalls 32 bewirkt wird, im Wesentlichen zum Fluss des Siliziums zum Entnahmebereich 26 hin im Wesentlichen vernachlässigbar sein. Dieser Widerstand kann jedoch einige sehr geringe, vernachlässigbare und lokalisierte Strömungen des geschmolzenen Siliziums in einer Richtung bewirken, die nicht zum Entnahmebereich 26 gerichtet ist.
Es wird dennoch vorhergesehen, dass das geschmolzene Silizium an diesen Punkten glatt vorbeifließen sollte und keine wesentliche Bewegung von Verunreinigungen in irgendeiner Richtung bewirken sollte außer zum Entnahmebereich 26 hin. Tatsächlich können die wachsenden Bandkristalle 32 aufgrund ihres dünnen Profils als wie Finnen funktionierend angesehen werden, um einen im Wesentlichen unidirektional Fluidstrom zum Entnahmebereich 26 hin sicherzustellen/zu fördern.
Wie oben erwähnt, kann der Tiegel 14 andere Mittel zur Erzeugung eines Widerstands gegen die Strömung des geschmolzenen Siliziums umfassen; in der gezeigten Ausführungsform nämlich die Vielzahl der Leisten 30, die die verschiedenen Unterbereiche des Kristallbereichs 24 trennen. Wie bei den Seiten der wachsenden Bandkristalle 32 erwartet man, dass auch diese Leisten 30 eine vernachlässigbare, lokalisierte Strömung des geschmolzenen Siliziums in einer Richtung bewirken, die nicht zum Entnahmebereich 26 gerichtet ist. In anderen Worten können diese Leisten 30 auf eine den Seiten der wachsenden Wandkristalle 32 ähnliche Weise im Wesentlichen vernachlässigbare, lokalisierte Strömungen erzeugen, die allgemein senkrecht zur Richtung der Fluidströmung insgesamt sind. Trotzdem fließt aufgrund der niedrigen Strömungsrate die große Vielzahl des Siliziums immer noch auf eine im Wesentlichen unidirektionale Weise – in dieser Ausführungsform zum Entnahmebereich 26 hin und allgemein parallel zur Längsachse des Tiegels 14. Dieses Phänomen kann durch die sich erhöhende Konzentration der Verunreinigungen am Entnahmebereich 26 belegt werden, insbesondere im Vergleich zur Konzentration der Verunreinigungen im Kristallbereich 24 und dem Einführungsbereich 22.
In anderen Worten besitzt die Strömung des geschmolzenen Siliziums über die obere Fläche gewisser Ausführungsformen des Tiegels 14 eine im Wesentlichen unidirektionale Fluidströmung zum Entnahmebereich 26 hin, trotz gewisser vernachlässigbarer, lokalisierter Fluidturbulenz. Dies ist im Kontrast zu Systemen des Stands der Technik, die einen Großteil des geschmolzenen Siliziums veranlassen, in einer im Wesentlichen kreisförmigen oder anderen rotationalen Bewegung im Kristallbereich 24 oder in dessen unmittelbarer Nähe zu zirkulieren. Anders als diese Systeme des Stands der Technik sollten die vernachlässigbaren, lokalisierten Siliziumströme in den oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen keinen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten haben und somit die Natur der allgemein unidirektionalen Fluidströmung zum Entnahmebereich 26 nicht ändern.
Als Ergebnis dieser im Wesentlichen undirektionalen Strömung nimmt die Konzentration der Verunreinigungen im geschmolzenen Silizium zwischen dem Einführbereich 22 und dem Entnahmebereich 26 im Allgemeinen zu. Diese Zunahme kann in einigen Bereichen höher sein als in anderen. 4 zeigt graphisch ein Beispiel dieses Verhältnisses. Insbesondere im Einführbereich 22 ist die Konzentration der Verunreinigungen im Wesentlichen konstant. Die Konzentration der Verunreinigungen nimmt im Kristallbereich 24 aufgrund der oben erwähnten Ausscheidung der Verunreinigungen an der Kristallwachstumsgrenzfläche zu. Diese Ausscheidung ist im Stand der Technik auch als „Segregation” bekannt. Die Konzentration erreicht im Allgemeinen im Entnahmebereich 26 ein Plateau auf einer höheren, im Wesentlichen konstanten Konzentration. Es wird angenommen, dass diese höhere Konzentration im Entnahmebereich 26 größer als der Durchschnitt der Konzentration im Kristallbereich 24 ist. Zusätzlich nimmt man an, dass auch diese höhere Konzentration größer als die Konzentration in irgendeinem Teil des Einführbereichs 22 ist.
Wie gezeigt, ändert sich die Konzentration der Verunreinigungen lediglich im Kristallbereich 24. Dementsprechend besitzt das im Allgemeinen stromabwärts liegende Ende des Kristallbereichs 24 (aus der Perspektive des Fluidstroms) eine Konzentration an Verunreinigungen, die im Wesentlichen dieselbe ist, wie jene des Entnahmebereichs 26. Auf ähnliche Weise besitzt das allgemein stromaufwärts liegende Ende des Kristallbereichs 24 eine Konzentration an Verunreinigungen, die im Wesentlichen dieselbe ist, wie jene des Einführbereichs 22. Diese Darstellung ist jedoch lediglich eine verallgemeinerte idealisierte Darstellung einer Ausführungsform. In der Praxis können die tatsächlichen Konzentrationen der Verunreinigungen zu einem gewissen Ausmaß in allen Bereichen variieren.
Die variierende Konzentration der Verunreinigungen des Kristallbereichs 24 beeinflusst die Konzentration der Verunreinigungen jedes der vier wachsenden Bandkristalle 32. Es wird angenommen, dass insbesondere die Bandkristalle 32, die dem Einführbereich 22 am nächsten liegen, weniger Verunreinigungen besitzen als jene näher am Entnahmebereich 26. Tatsächlich kann die Konzentration der Verunreinigungen eines einzigen Bandkristalls 32 aufgrund dieser Verteilung variieren. Einige Ausführungsformen können tatsächlich ein Bandkristall 32 durch die Entnahmeregion 26 wachsen lassen, um viele der Verunreinigungen zu entfernen. Solche Ausführungsformen können die Entnahmeöffnung 34 verwenden, müssen es aber nicht.
Der Tiegel 14 kann das geschmolzene Silizium auf einer Vielzahl unterschiedlicher Weisen enthalten. In den beispielhaften Ausführungsformen ist die obere Oberfläche des Tiegels 14 im Wesentlichen eben ohne Seitenwände 31 (z. B. 3A). Dementsprechend bewirkt im Wesentlichen die Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliziums, dass der Tiegel 14 das Silizium enthält. 5 veranschaulicht dies durch Darstellen einer Querschnittsansicht des Tiegels 14 entlang der Breite des Tiegels 14. Diese Zeichnung zeigt auch die Seite eines wachsenden Bandkristalls 32. Es sollte bemerkt werden, dass auch ähnliche Weise, wie bei den anderen Figuren, 5 schematisch ist und somit deren Abmessungen nicht maßstabsgetreu sind.
Weitere Ausführungsformen des Tiegels 14 können jedoch Umfangswände 31 verschiedener Höhen aufweisen (siehe z. B. 3B). Dementsprechend dient die Diskussion eines im Wesentlichen ebenen oder flachen Tiegels 14 oder eines mit Wänden 31, lediglich veranschaulichenden Zwecken und ist somit nicht dazu gedacht eine Anzahl weiterer Ausführungsformen der Erfindung zu beschränken.
Um verschiedene Details der beispielhaften Ausführungsformen zu veranschaulichen, zeigt 6 schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils der Länge des Tiegels 14 der 3A vom Entnahmebereich 26 zu einem Punkt gerade hinter einem ersten Drahtloch 28. In dieser Ausführungsform besitzt der Tiegel 14 eine Entnahmeöffnung 34 mit einer relativ großen inneren Abmessung in der Ebene der oberen Oberfläche des Tiegels 14. Diese innere Abmessung konvergiert jedoch auf allgemein kegelstumpfförmige Weise zu einem Durchtritt mit einer sehr kleinen inneren Abmessung. Diese Form wirkt effektiv als Trichter zur Entnahme des geschmolzenen, abzulassenden Siliziums.
Die Unterseite der Entnahmeöffnung 34 besitzt beispielsweise ein kapillares Retentionsmerkmal (Rückhaltemerkmal) 36, das bewirkt, dass die Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliziums sich mit der Schwerkraft die Waage hält. Wie detaillierter im Folgenden besprochen wird, kann das geschmolzene Silizium unter Verwendung eines Vakuums, eines Differenzdrucks oder gewisser anderer Mittel aus der Entnahmeöffnung 34 gedrängt werden. In einigen Ausführungsformen kann das geschmolzene Silizium jedoch abhängig von der Größe der Öffnung, der Strömung und anderen Merkmalen ohne Hilfe aus der Öffnung 34 austreten. Alternativ kann die innere Abmessung der Entnahmeöffnung 34 groß genug sein, um die Schwerkraft in die Lage zu versetzen, das geschmolzene Silizium ebenfalls ohne Hilfe (z. B. ohne Vakuum) zu entfernen. Z. B. kann in einem Schwerkraft betätigten Entnahmesystem das geschmolzene Silizium ein Tröpfchen bilden, das sich von der Entnahmeöffnung 34 trennt, nachdem es eine kritische Größe/Masse erreicht. Die Größe dieses Tröpfchens kann basierend auf der Art des in der Schmelze verwendeten Materials und der Größe der Entnahmeöffnung 34 gesteuert werden.
6 zeigt eine Anzahl weiterer Merkmale des Tiegels 14 in größerem Detail, wie z. B. die Leiste 30, die geringfügig über die Oberfläche des Tiegels 14 hinausragt, sowie das genannte Drahtloch 28. Auf ähnliche Weise wie bei der Entnahmeöffnung 34 besitzt das Drahtloch 28 eine innere Abmessung und stellt auch ähnliche kapillare Rückhaltemerkmale 36 bereit, wodurch es als effektive Abdichtung wirkt. Zusätzlich besitzt der in 6 gezeigte Tiegel 14 auch eine Stiftbohrung 38, die bei der Regelung der Temperatur des Tiegels 14 hilft. Zu diesem Zweck kann der Stiftbohrung 38 abhängig von der gewünschten Temperatur eine Isolierung hinzugefügt und/oder aus ihr entfernt werden.
Beispielhafte Ausführungsformen können eine Anzahl unterschiedlicher Techniken zur Entfernung des geschmolzenen Siliziums aus dem Entnahmebereich 26 verwenden. Eine solche Technik, die oben beschrieben wurde, umfasst das Züchten eines Opferbandkristalls 32 durch den Entnahmebereich 26. 7A bis 7E zeigen schematisch verschiedene weitere Techniken, die verwendet werden können, um geschmolzenes Silizium hoher Verunreinigung aus dem Entnahmebereich 26 zu entfernen. Jede dieser Techniken kann alleine oder in Kombination mit anderen Techniken eingesetzt werden. Es sollte bemerkt werden, dass die Diskussion dieser Techniken nicht dazu gedacht ist, zu implizieren, dass keine weiteren Techniken verwendet werden können, um das geschmolzene Silizium zu entfernen. Tatsächlich können verschiedene Ausführungsformen der Erfindung andere Techniken zur Entnahme des Siliziums aus dem Entnahmebereich 26 einsetzen.
7A zeigt schematisch eine Vorrichtung, die einer geringen Überdruck auf die Oberseite der Entnahmeöffnung 34 bereitstellt, um geschmolzenes Silizium aus dem Entnahmebereich 26 zu entfernen. Zu diesem Zweck besitzt die Vorrichtung einen Kragen 40 mit einem offenen Ende, das über die Oberseite der Entnahmeöffnung 34 positioniert ist und ein abgedichtetes gegenüberliegendes Ende. Das abgedichtete Ende besitzt ein Rohr 42 zur Aufnahme von Druckgas, wie z. B. Argongas, um dem Überdruck zur Entnahmeöffnung 34 zuzuführen. Diese Vorrichtung kann beweglich oder stationär sein.
Das System besitzt auch einen entfernbaren Behälter 44, der um die Unterseite der Entnahmeöffnung 34 herum angeschlossen ist, um entferntes/abgelassenes geschmolzenes Silizium aufzunehmen. Dieser Behälter 44 kann im Gehäuse 12, außerhalb des Gehäuses 12 oder teilweise innerhalb des Gehäuses 12 positioniert werden. In beispielhaften Ausführungsformen ist der Behälter 44 wassergekühlt und befindet sich außerhalb des Gehäuses 12.
Dementsprechend erzeugt die Anwendung eines Überdrucks zum oberen Abschnitt der Entnahmeöffnung 24 hin ein Druckdifferential, das geschmolzene Siliziumtröpfchen von der Entnahmeöffnung 34 zum Behälter 44 drängt. Die Größe jedes Tröpfchens wird durch die inneren Abmessungen der Entnahmeöffnung geregelt und die Dichte und Oberflächenspannung des geschmolzenen Siliziums. Z. B. kann eine Entnahmeöffnung 34 mit einer im Wesentlichen runden inneren Abmessung von 4 mm ein Tröpfchen mit einer Masse von ungefähr 0,9 g erzeugen.
Anstatt des Überdrucks oder zusätzlich zu ihm, verwenden einige Ausführungsformen ein geringes Vakuum (z. B. ungefähr 800 Pa unterhalb des Atmosphärendrucks) von der Unterseite der Entnahmeöffnung 34 aus (d. h. einen Unterdruck). Zu diesem Zweck zeigt 7B schematisch einen Behälter 44, der ein Vakuum am Auslassabschnitt der Entnahmeöffnung 34 anwendet. Der Behälter 44 dieser Ausführungsform kann jenem oben in Bezug auf 7A besprochenen ähnlich sein, jedoch mit einem zusätzlichen Vakuumanschluss (nicht gezeigt). In einigen Ausführungsformen, inklusive weiterer hier diskutierter, kann ein Laser oder ein Fotosensor außerhalb des Ofens 10 positioniert werden, um zu bestimmen, wann sich der Tropfen gelöst hat. Dies ermöglicht eine Steuerung des Unterdruckniveaus und der graduellen Entnahme der Tröpfchen. Z. B. kann ein Tropfen der Schmelze durch ein Steigern der Unterdrucks auf ungefähr 6 Zoll Wassersäule in ungefähr 800 ms extrahiert werden, bis hinunter zu ungefähr 0 in 200 ms. Tests haben bewiesen, dass 12 einzelne kontrollierte Tropfen unter Verwendung eines automatischen Zeitprogramms extrahiert werden können.
7C zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform, die keine kapillare Retention benötigt. Stattdessen friert (d. h. verfestigt) diese Ausführungsform selektiv Tropfen aus geschmolzenem Silizium und taut sie wieder auf, um den Fluidfluss durch die Entnahmeöffnung 34 zu messen. Zu diesem Zweck besitzt diese Ausführungsform einen Schlauch 46, um einen Gasstrom zuzuführen, der die Entnahmeöffnung 34 kühlt. Z. B. kann der Gasstrom selektiv Argongas zur Entnahmeöffnung 34 führen. Diese Ausführungsform kann ebenfalls einen Behälter 44 zur Aufnahme des verworfenen Siliziums aufweisen. Dieser Behälter 44 kann den oben in Bezug auf 7A und 7B besprochenen ähnlich sein.
7D und 7E zeigen schematisch noch eine weitere Technik zur Entfernung von Verunreinigungen aus dem Entnahmebereich 26. Anders als die oben besprochenen Methoden erfordert diese Technik keine Entnahmeöffnung 34. Stattdessen verwendet diese Ausführungsform einen Docht 48 zur Entfernung von Verunreinigungen im Silizium. Zu diesem Zweck besitzt diese Ausführungsform eine Dochtanordnung 49, die einen Docht 48 durch das geschmolzene Silizium im Tiegel 14 führt. 7D zeigt schematisch eine aufgeschnittene Ansicht des Ofens 10 mit der Dochtanordnung 49, während 7E schematisch die Dochtanordnung 49 im Gehäuse 12 aus der Nähe zeigt.
In dieser Ausführungsform kann der Docht 48 aus einem Material gebildet werden, das ähnlich jenem des Drahts ist, der verwendet wurde, um die Bandkristalle 32 zu bilden. Insbesondere kann der Docht 48 auf einer Spule 51 aufgewickelt sein, von welcher er entfernt und zum Tiegel 14 geführt wird. Ein Motor 50, wie z. B. ein elektrischer Gleichstrom-Schrittmotor, zieht den Docht 48 von der Spule 51 auf einen schwenkbaren Arm 52, der den Docht 48 zum Tiegel 14 umlenkt. Ein zweiter Motor 45 oder eine ähnliche Drehvorrichtung steuert die Schwenkbewegung des Arms 52. Der Docht 48 durchquert den Tiegel 14 mit Hilfe eines Führungselements 56A, das sich aus dem Entnahmebereich 26 des Tiegels 14 nach oben erstreckt.
Das Silizium friert/haftet an der äußeren Oberfläche des Dochts 48 an, nachdem er durch das geschmolzene Silizium durchtritt. Insbesondere um Verunreinigungen aus dem geschmolzenen Silizium zu entfernen, kann der Docht 48 entweder über die Oberfläche des geschmolzenen Siliziums oder durch einen tieferen Abschnitt des geschmolzenen Siliziums laufen. Ein Paar motorisierter Rollen 58 drängen den mit Silizium bedeckten Docht 48 zu einer äußeren Stelle, wo er entsorgt werden kann.
In beispielhaften Ausführungsformen besitzt die Dochtanordnung 49 ein Dochtgehäuse 60, das sich normalerweise außerhalb des Hauptgehäuses 12 befindet. Dieses Dochtgehäuse 60 enthält verschiedene Teile der Dochtanordnung 49, wie z. B. die Rollen 58, den zweiten Motor 54 und ein weiteres Führungselement (nicht gezeigt), um den Docht 48 von der Spule 51 (teilweise gezeigt) weg zu führen. Auf ähnliche Weise wie beim Inneren des Hauptgehäuses 12 kann auch dieses Gehäuse 60 im Wesentlichen Sauerstoff-frei sein und mit einem alternativen Gas, wie z. B. Argon, gefüllt sein. Dichtungen 62 können eine abgedichtete Schnittstelle für den Docht 48 zwischen den beiden Gehäusen 12 und 60 bereitstellen.
In alternativen Ausführungsformen nimmt der Docht 48 eine Form an, die von einem Draht verschieden ist. Z. B. kann der Docht 48 ein Rohr, ein Bandkristall, ein benetztes Stück Draht oder ein poröses oder benetzendes Material sein. Alternative Ausführungsformen können bewirken, dass der Docht 48 das geschmolzene Silizium auf dieselbe Weise oder auf eine andere Weise als jene in 7D und 7E gezeigte berührt.
Wie oben erwähnt, können andere Techniken verwendet werden, um das geschmolzene Silizium aus dem Tiegel 14 zu entfernen. Z. B. kann das Silizium mit Hilfe einer Temperaturfluktuation aus dem Tiegel 14 gedrängt werden. Dementsprechend dient die Diskussion der verschiedenen Siliziumentnahmetechniken zur Diskussion dieser spezifischen Ausführungsformen.
Nach dem Aufbau erzeugt das System im Wesentlichen Silizium-Bandkristalle 32 auf im Wesentlichen durchgehende Weise. 8 zeigt einen vereinfachten Prozess zur Ausbildung von Siliziumbandkristallen 32 in Übereinstimmung mit beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung. Alle Schritte in diesem Verfahren können nacheinander, im Wesentlichen gleichzeitig und/oder in einer unterschiedlichen Reihenfolge zu verschiedenen Zeiten durchgeführt werden. Es sollte somit bemerkt werden, dass 8, welche jeden Schritt als parallel ausgeführt zeigt, lediglich eine Ausführungsform ist.
Insbesondere fügt der Schritt 800 periodisch Siliziumausgangsmaterial über den Speisungseinlass 18 im Ofengehäuse 12 dem Tiegel 14 hinzu. Wie oben erwähnt, kann dieses Siliziumausgangsmaterial eine höhere Konzentration an Verunreinigungen haben als andere. Trotzdem erlauben die beispielhaften Ausführungsformen die Verwendung eines solchen Ausgangsmaterials, um Silizium-Bandkristalle 32 mit einer geringeren Konzentration der Verunreinigungen zu erzeugen. Beispielhafte Ausführungsformen können das Siliziumausgangsmaterial translational zum Speisungseinlass 18 mit Hilfe eines beliebigen konventionellen Mittels bewegen, wie z. B. mit einem sich bewegenden Band. Dieses Siliziumausgangsmaterial kann dem Speisungseinlass 18 in jeder konventionellen Form hinzugefügt werden, wie z. B. in Form von Körnern, Pellets oder einfach zerkleinertem Material. In anderen Ausführungsformen wird das Siliziumausgangsmaterial dem Speisungseinlass 18 in flüssiger Form zugeführt.
Der Schritt 802 bildet einfach einkristalline oder mehrfachkristalline Silizium-Bandkristalle 32 auf herkömmliche Weise, indem der Draht durch die Drahtlöcher 28 im Tiegel 14 durchgeführt wird. Der Schritt 804 entfernt periodisch geschmolzenes Silizium aus dem Entnahmebereich 26 auf eine wie oben beschrieben Weise. In alternativen Ausführungsformen entfernt das System festes Silizium aus dem Entnahmebereich 26 anstatt geschmolzenes Silizium aus dem Entnahmebereich 26 zu entfernen. Es sollte bemerkt werden, dass obwohl das Hinzufügen oder Ablassen von Silizium als „periodisch” bezeichnet wird, solche Schritte in regulären Intervallen oder intermittierend „nach Bedarf” durchgeführt werden können.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen beschreiben den Tiegel 14 als eine im Wesentlichen rechteckige längliche Form aufweisend. In alternativen Ausführungsformen kann der Tiegel 14 irgendeine andere Form annehmen, die nicht rechteckig, nicht länglich oder weder rechteckig noch länglich ist. 9 zeigt schematisch eine solche Ausführungsform, in welcher der Tiegel 14 einen relativ breiten Einführungsbereich 22 besitzt, jedoch zu einem sich verengendem Endabschnitt konvergiert, der den Entnahmebereich 26 enthält. Diese Ausführungsform des Tiegels 14 besitzt eine Anzahl ähnlicher Merkmale wie der oben besprochene Tiegel 14, wie z. B.
Drahtlöcher 28, vier Kristall-Unterbereiche und Strömungssteuerungsleisten 30. Aufgrund seiner Form und der vorhergesehenen Flussraten sollte die Strömung des wesentlichen Großteils des geschmolzenen Siliziums im Allgemeinen zum Entnahmebereich 26 hin konvergieren.
Die Form und Gestaltung des in 9 gezeigten Tiegels 14 ist lediglich eine aus einer großen Vielzahl von Formen, die verwendet werden können. Andere unregelmäßig geformte oder regelmäßig geformte Tiegel 14 können eingesetzt werden. In solchen Fällen fördert die Geometrie und die Form des Tiegels 14, gekoppelt mit anderen Überlegungen, wie z. B. der vorhergesehenen Strömungsrate des geschmolzenen Siliziums die allgemein unidirektionale Strömung zum Entnahmebereich 26 hin.
In gewissen weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann der Tiegel 14 länglich aber gekrümmt sein. In diesem Fall kann das geschmolzene Silizium als auf im Wesentlichen unidirektionale Weise fließend angesehen werden, wenn der wesentliche Großteil davon der äußeren Begrenzung eines solchen Tiegels 14 folgt. Obwohl sich das Silizium beispielsweise auf bogenähnliche Weise bewegen kann, ist eine solche Materialströmung dementsprechend immer noch als im Wesentlichen unidirektional anzusehen, wenn dessen wesentlicher Großteil im Allgemeinen der Richtung der Krümmung und dem Umriss des Tiegels 14 folgt.
10A bis 10C zeigen schematisch verschiedene Ausführungsformen einer Art des Tiegels 14, der den Entnahmebereich 26 im Wesentlichen an seiner Mitte aufweist. Insbesondere in den in diesen Figuren gezeigten Ausführungsformen ist der Ofen 10 so ausgestaltet, dass er ein oder mehrere Bereiche für das Hinzufügen von Siliziumausgangsmaterial zum Tiegel 14 bereitstellt. In Bezug auf 10A z. B., welche einen im Wesentlichen runden Tiegel 14 zeigt, wird das Siliziumausgangsmatetrial – unter Verwendung der Urzeitpositionen als Bezugspunkt – an der 12-Uhr-Position, der 3-Uhr-Position, der 6-Uhr-Position und der 9-Uhr-Position (oder einigen ähnlich beabstandeten Bereichen) hinzugefügt. Der Einführbereich 22 ist daher als toroidal-geformter Bereich (d. h. Donut-förmig) anzusehen mit vier Speisungseinlassbereichen, die an der oberen Fläche des Tiegels 14 umlaufend angeordnet sind. Der innere Durchmesser des Einführbereichs 22 ist deutlich viel größer als jener des Entnahmebereichs 26.
Auf ähnliche Weise wie beim Einführbereich 22, ist auch der Kristallbereich 24 ein toroidal-geformter Bereich des Tiegels 14 radial zwischen dem Einführbereich 22 und dem Entnahmebereich 26. Der innere Durchmesser des Kristallbereichs 24 ist somit kleiner als der innere Durchmesser des Einführbereichs 22. Auf ähnliche Weise wie bei der Ausführungsform des Tiegels 14, die in 3A gezeigt ist, positionieren diese Ausführungsformen des Tiegels 14 den Kristallbereich 24 radial zwischen dem Einführbereich 22 und dem Entnahmebereich 26. Als solche ist diese Ausführungsform des Tiegels 14, aus denselben Gründen wie oben in Bezug auf den Tiegel 14 der 3A besprochen, so ausgestaltet, dass sie den wesentlichen Großteil des Materials veranlasst, im Allgemeinen direkt vom Einführbereich 22 zum Entnahmebereich 26 zu fließen. In diesen Ausführungsformen konvergiert der wesentliche Großteil des geschmolzenen Siliziums zum Entnahmebereich 26; d. h. in diesem Fall zur allgemeinen Mitte des Tiegels 14. Solche Ausführungsformen stellen keine allgemein unidirektionale Strömung bereit. Dementsprechend sollte diese Fluidströmung einen Teil der Verunreinigungen veranlassen, sich mit dem Siliziumstrom zum Entnahmebereich 26 zu bewegen. Dies sollte vorteilhafterweise eine erhöhte Konzentration der Verunreinigungen im Entnahmebereich 26 bewirken.
Auch auf dem in 3A gezeigten Tiegel 14 ähnliche Weise sollte diese Ausführungsform nicht bewirken, dass geschmolzenes Silizium auf kreisförmige Weise fließt. Stattdessen fließt das geschmolzene Silizium im Wesentlichen linear von einem äußeren Durchmesser des Tiegels 14 zum Entnahmebereich 26 radial nach innen.
Wie oben erwähnt, können die Formen der Tiegel 14 in dieser Ausführungsform variieren. Z. B. zeigt 10A einen kreisförmigen Tiegel 14, während 10B einen elliptisch geformten Tiegel 14 zeigt. Als noch weiteres Beispiel zeigt 10C einen rechteckig geformten Tiegel 14. Natürlich kann der Tiegel 14 dieser Ausführungsform andere Formen, die nicht gezeigt sind, annehmen, wie z. B. eine oktagonale Form oder irgendeine unregelmäßige Form. Wenn die Form des Tiegels 14 dieser Ausführungsform nicht symmetrisch ist, dann kann sich der Entnahmebereich 26 an irgendeiner allgemeinen zentralen Stelle befinden.
Siliziumkristalle, die durch die beispielhaften Ausführungsformen hergestellt werden, können als Basis für eine große Vielfalt von Halbleiterprodukten dienen. Unter anderem können die Bandkristalle 32 z. B. in Wafer geschnitten werden, die hoch effiziente Solarzellen bilden.
Dementsprechend spülen verschiedene Ausführungsformen viele Verunreinigungen aus dem Kristallbereich 24 des Tiegels 14 effektiv weg. Dies Spülung bewirkt, dass Verunreinigungen sich mit relativ hohen Konzentrationen im Entnahmebereich 26 ansammeln, verglichen mit erstens der Konzentration der Verunreinigungen des Einführbereichs 22, und zweitens der durchschnittlichen Konzentration der Verunreinigungen des Kristallbereichs 24. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung erleichtern somit die Herstellung von qualitativ hochwertigen Kristallen (d. h. solchen, die geringe Konzentrationen der Verunreinigungen aufweisen) aus weniger teueren Ausgangsmaterialien mit höherer Verunreinigung. Dementsprechend können verschiedene hocheffiziente Halbleitervorrichtungen bei geringeren Kosten hergestellt werden.
Obwohl die obige Diskussion verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung offenbart, sollte offensichtlich sein, dass der Fachmann verschiedene Abwandlungen vornehmen kann, die einige der Vorteile der Erfindung erzielen werden, ohne dabei vom wahren Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Ein System zur Erzeugung eines aus einem Material mit Verunreinigungen gebildeten Kristalls besitzt einen Tiegel zum Halten des Materials. Der Tiegel besitzt unter anderen einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Materials und einen Entnahmebereich zur Entfernung eines Teils des Materials. Der Tiegel ist so ausgestaltet, dass er einen allgemein unidirektionalen Fluss des Materials (in flüssiger Form) vom Einführbereich zum Entnahmebereich erzeugt. Dieser allgemein unidirektionale Fluss bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration an Verunreinigungen besitzt als der Einführbereich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6090199 [0043]
- US 6200383 [0043]
- US 6217649 [0043]

Claims

System zur Herstellung eines aus einem Material mit Verunreinigungen gebildeten Kristalls, wobei das System umfasst: einen Tiegel zum Halten des Materials, welcher einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Materials und einen Entnahmebereich zur Entfernung eines Teils des Materials aufweist, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er einen allgemein unidirektionalen Fluss des Materials in flüssiger Form vom Einführbereich zum Entnahmebereich hin erzeugt, wobei der allgemein unidirektionale Fluss bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration von Verunreinigungen aufweist als der Einführbereich.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiegel eine längliche Form mit einer Längsabmessung besitzt, wobei der Kristallbereich zwischen dem Einführbereich und dem Entnahmebereich entlang der Längsabmessung positioniert ist.
System nach Anspruch 2, wobei der Tiegel eine Breitenabmessung besitzt, wobei die Längsabmessung mindestens dreimal größer als die Breitenabmessung ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiegel eine Längsabmessung und eine Breitenabmessung besitzt, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er den Fluss des Materials allgemein in einer Richtung zum Entnahmebereich in der Längsrichtung lenkt.
System nach Anspruch 1, weiter einen Docht umfassend, der den Entnahmebereich durchquert.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er bewirkt, dass das Material eine allgemein vom Einführbereich zum Entnahmebereich hin zunehmende Menge an Verunreinigungen im Material aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiegel so geformt ist, dass er einen sich verengenden Endabschnitt aufweist, wobei zumindest ein Teil des Entnahmebereichs sich im sich verengenden Endabschnitt befindet.
System nach Anspruch 1, wobei das Material Silizium ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Kristall ein Siliziumbandkristall ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er im Wesentlichen keine rotationale Strömung des Materials im Kristallbereich oder in unmittelbarer Nähe davon bewirkt.
System nach Anspruch 1, wobei der Kristallbereich eine Vielzahl von Kristall-Unterbereichen zum Züchten einer Vielzahl von Kristalle umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Tiegel im Wesentlichen eben ist und das Material durch Oberflächenspannung hält.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend das Material in flüssiger Form, wobei das Material im Tiegel enthalten ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Entnahmebereich eine Entnahmeöffnung zur Entfernung eines Teils des Materials aufweist, wobei die Entnahmeöffnung vom Kristallbereich beabstandet ist.
System nach Anspruch 14, weiter eine Druckquelle umfassend, um das Material durch die Entnahmeöffnung zu drängen.
System nach Anspruch 14, weiter einen Behälter umfassend, der mit der Entnahmeöffnung gekoppelt ist, wobei der Behälter das über die Öffnung entfernte Material aufnimmt.
System nach Anspruch 1, wobei der allgemein unidirektionale Fluss bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration und Verunreinigungen aufweist als der Durchschnitt des Kristallbereichs.
Verfahren zu Ausbildung eines Kristalls, wobei das Verfahren umfasst: Hinzufügen von Material zu einem Einführbereich eines Tiegels, wobei der Tiegel auch einen Kristallbereich zur Herstellung des Kristalls aufweist, wobei der Tiegel weiter einen Entnahmebereich aufweist; Veranlassen, dass das Material auf im Wesentlichen unidirektionale Weise in die Richtung des Entnahmebereichs fließt, wobei mindestens einige Verunreinigungen mit dem unidirektionalen Fluss zum Entnahmebereich fließen; und Entfernen eines Teils des Materials aus dem Entnahmebereich.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Kristallbereich eine erste Konzentration der Verunreinigungen aufweist, der Entnahmebereich eine zweite Konzentration der Verunreinigungen aufweist und wobei die zweite Konzentration der Verunreinigungen größer als die erste Konzentration der Verunreinigungen ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Material Silizium umfasst und der Kristall ein Siliziumbandkristall ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die unidirektionale Strömung im Wesentlichen keine rotationale Strömung im Kristallbereich oder in dessen unmittelbarer Nähe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Entfernung mindestens eines Teils des Materials zumindest teilweise bewirkt, dass das Material auf im Wesentlichen unidirektionale Weise in die Richtung des Entnahmebereichs fließt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Veranlassen zumindest die Verwendung von Oberflächenspannung umfasst, um das Material einzugrenzen.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Kristallbereich sich zwischen dem Einführbereich und dem Entnahmebereich befindet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Veranlassen umfasst, das Material auf im Wesentlichen unidirektionale Weise in einer linearen Richtung zum Entnahmebereich hinfließen zu lassen.
Bandziehsystem zur Herstellung eines Bandkristalls, der aus Silizium mit Verunreinigungen gebildet ist, wobei das System umfasst: einen Tiegel zum Halten von flüssigem Silizium, der einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Siliziums und einen Entnahmebereich zur Entfernung eines Teils des Siliziums in flüssiger Form aufweist, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er einen allgemein unidirektionalen Fluss des Siliziums in flüssiger Form vom Einführbereich zum Entnahmebereich hin erzeugt, wobei der allgemein unidirektionale Fluss bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration von Verunreinigungen hat als der Einführbereich.
System nach Anspruch 26, wobei der Tiegel eine längliche Form mit einer Längsabmessung aufweist, wobei der Kristallbereich zwischen dem Einführbereich und dem Entnahmebereich entlang der Längsabmessung positioniert ist.
Bandziehsystem nach Anspruch 18, wobei der Kristallbereich eine Vielzahl von Drahtlochpaaren besitzt.
Bandziehsystem nach Anspruch 18, wobei der Tiegel im Wesentlichen eben ist und das Silizium durch Oberflächenspannung hält.
Bandziehsystem nach Anspruch 18, wobei der Kristallbereich eine Vielzahl von Kristall-Unterbereichen zur Züchtung einer Vielzahl von Kristallen umfasst.
System zur Erzeugung eines aus einem Material mit Verunreinigungen gebildeten Bandkristalls, wobei das System umfasst: einen Tiegel zum Halten des Materials, der einen Kristallbereich zur Ausbildung des Kristalls, einen Einführbereich zur Aufnahme des Materials und einen Entnahmebereich zum Entfernen eines Teils des Materials aufweist, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er veranlasst, dass im Wesentlichen das gesamte Material im Allgemeinen direkt vom Einführbereich zum Entnahmebereich fließt, wobei der Fluss bewirkt, dass der Entnahmebereich eine höhere Konzentration an Verunreinigungen besitzt als der Einführbereich.
System nach Anspruch 31, wobei der Entnahmebereich an der allgemeinen Mitte des Tiegels positioniert ist, wobei der Fluss des Materials zur allgemeinen Mitte des Tiegels gerichtet ist.
System nach Anspruch 31, wobei der Tiegel eine allgemein rechteckige Form besitzt.
System nach Anspruch 31, wobei der Tiegel eine allgemein kreisförmige Form oder elliptische Form besitzt.
System nach Anspruch 31, wobei der Tiegel eine äußere umlaufende Kante besitzt, wobei der Einführbereich näher an der umlaufenden Kante ist als der Entnahmebereich.
System nach Anspruch 35, wobei der Kristallbereich sich zwischen dem Einführbereich und dem Entnahmebereich befindet.
System nach Anspruch 31, wobei der Tiegel eine längliche Form besitzt, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er einen allgemein unidirektionalen Fluss des Materials in flüssiger Form vom Einführbereich zum Entnahmebereich erzeugt.
System nach Anspruch 31, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er den wesentlichen Großteil des Materials veranlasst, zum Entnahmebereich zu konvergieren.
System nach Anspruch 31, wobei der Tiegel so ausgestaltet ist, dass er im Wesentlichen keinen rotationalen Fluss des Materials im Kristallbereich oder in dessen unmittelbarer Nähe bewirkt.
System nach Anspruch 31, wobei der Einführbereich eine Vielzahl von Einführbereichen umfasst, der Kristallbereich eine Vielzahl von Kristallbereichen umfasst, und jeder Einführbereich einen zugehörigen Kristallbereich besitzt.