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TW201303092A - 藉由僅摻雜初始裝料而生長均勻摻雜矽錠 - Google Patents

藉由僅摻雜初始裝料而生長均勻摻雜矽錠 Download PDF

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Abstract

本發明係關於生長包括具偏析係數k之摻雜物材料的矽錠之方法，其中該摻雜物濃度在整個錠係軸向實質均勻的。該方法包括下列步驟：提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋，以及該內部生長區和外部進料區具有可用以判定維持所使用之特定摻雜物材料的摻雜物均勻性之情況的剖面面積。同時也揭露用於生長至少一個均勻摻雜矽錠的結晶生長系統。

Description

藉由僅摻雜初始裝料而生長均勻摻雜矽錠
本發明大致係關於單晶材料的生長，且尤係關於摻雜矽的切克勞斯基(Czochralski)生長。
根據切克勞斯基(Czochralski CZ)方法而生長單晶矽錠的技術已在過去幾十年廣泛地發展以供給矽晶圓給積體電路(IC)產業和光伏打(PV)太陽能產業。在切克勞斯基(Czochralski)方法中，由耐火材料(像是熔化的石英)組成且容納矽之坩鍋係加熱至大約1416℃的矽熔點以在坩鍋中製造矽熔化物。預定結晶定向的結晶矽之晶種被降低成幾乎沒有接觸熔化物。熔化的矽凍結在具相同定向的晶種上。從熔化物慢慢地抽拉晶種並且繼續該製程以生長具有直徑約200或300毫米(mm)以及長度為1米或更長的單晶矽之錠。在抽拉之後，切片該錠以製造矽晶圓，然後進一步處理矽晶圓用以製造IC或PV太陽能電池。
IC產業主要地依賴批次切克勞斯基製程(batch Czochralski process)，其中坩鍋係初始地以具高純度的矽碎片、碎塊、或小球裝料，然後加熱至矽熔點。通常，在生長一個矽錠之後，會丟棄坩鍋並以無汙染坩鍋更換之。雖然PV太陽能產業已採用批次CZ矽晶圓，但是已提出連續式切克勞斯基(Czochralski)(CCZ)(更準確地稱為半連續式CZ)，其中在錠的生長過程期間，坩鍋係連續地或至少間歇性地以矽原料供給，使得在坩鍋中之矽熔化物的高 度維持實質固定。從坩鍋抽拉一般尺寸的錠之後，藉由使用新晶種或重複使用先前之晶種可以抽拉另一錠。針對像是雜質累積或坩鍋劣化等因素所決定的錠之實質數量可重複該製程。CCZ製程降低坩鍋的成本、增加製造生產率、而且在某些方面簡化沿著錠的長度之熱控制。然而，當生長結晶矽時，CCZ也需要直接地重新供給進入熱的坩鍋中。
晶圓(包含預定為太陽能應用的晶圓)係優先地生長摻雜成想要的導電類型和摻雜物濃度，經常僅以電阻率量測。一種導電類型的摻雜矽晶圓之製造係藉由另一種導電類型的摻雜物之層的擴散或佈植而允許組成P-N接面。半導體摻雜物眾所週知，大多數是P型的硼(B)和N型的磷(P)，不過鎵(Ga)也提供許多優點作為太陽能電池的P型摻雜物。
藉由在該熔化物中包含想要的摻雜物濃度，根據CZ方法可以生長摻雜矽，以及從該熔化物將摻雜物連同矽併入矽錠中。摻雜濃度相對於矽通常為遠小於1百萬分率原子(part per million atomic)。然而，偏析效應(segregation effect)使得該製程變得複雜，若熔化物中之摻雜物的濃度係C，則在凝固錠的摻雜物濃度係kC，其中k為偏析係數，此經常小於1且時常遠小於1。第1表列出矽的幾種摻雜物之偏析係數。
就批次CZ而言，摻雜物時常可以連同固態矽原料裝料進入冷坩鍋，而當坩鍋加熱至矽熔點時會將兩者熔融在一起。然而，偏析效應造成熔化物中相較於摻雜物會有較大部分的矽被供給生長中的錠。雖然可以調整預裝料的摻雜濃度用以製造錠中想要的摻雜，但是偏析效應造成當晶體生長且熔化物耗盡時在熔化物中的摻雜物濃度逐漸增加。結果，錠的較晚部分相對於初始部分具有較高的摻雜物濃度(較低電阻率)。在批次CZ中，鎵摻雜可以變化10倍而硼摻雜可以變化大約30%。然後，由於晶圓的電阻率取決於在錠之內的位置，所以這樣的軸向差異(即沿著錠的長度)是不願意看到的。因為電池非均勻性負面地影響太陽能板性能，所以電池製造包含在生產線上昂貴的晶圓分選步驟。晶圓供給的均勻性可以幫助排除這些步驟。受益於此發明的另一應用為製造均勻電阻率之重濃度摻雜棒，其可在後續的CZ製造過程被切片並且與原料混合為固體用以製造相對地較低摻雜物濃度且較高電阻率的棒。
在連續式CZ中，在熔化時，提供在液態中想要的濃 度之摻雜物的數量可連同無汙染之矽原料一起供給，以便維持在熔化物中的固定摻雜濃度並因此確保在每一錠之內的固定軸向電阻率和在各錠間的固定電阻率。然而，在CCZ中，元素形式的摻雜物連續式重新供給呈現出大多數摻雜物相對於矽的較低熔點以及需要分開地計量進入熱坩鍋之摻雜物的可控制數量所引起的困難。鎵呈現出特殊的困難，因為它的熔點大約30℃且具有非常低的偏析係數。以元素摻雜物(像是通常為粉末形式的硼和磷)進行的連續式摻雜也相當困難實行。
因此，具軸向均勻電阻率的之切克勞斯基(Czochralski)錠生長需要更佳和更經濟的方法及設備。
本發明係關於生長包括具偏析係數k之摻雜物材料的矽錠之方法。該方法係包括下列步驟：提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋；提供初始裝料在該內部生長區和該外部進料區，在該內部生長區的該初始裝料包括矽及該摻雜物材料而在該外部進料區的該初始裝料包括矽及無摻雜物材料；熔化在該內部生長區的該矽及摻雜物材料以形成熔化混合物及熔化在該外部進料區的該矽以形成矽熔化物，該熔化混合物及該矽熔化物具有實質相似高度的上熔化表面；從該內部生長區生長該矽錠；移除該生長矽錠。由此產生的錠包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料，以及，在該方法的各個實施例中，係使用坩鍋幾何，尤其是該內部生長區和外部進料區的剖面面積，以 判定維持所使用之特定摻雜物材料的摻雜物均勻性之情況。本發明進一步係關於結晶生長系統用於生長至少一個包括具有偏析係數k的摻雜物材料之矽錠，其中該矽錠包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料。
應理解到，上述一般描述和下列詳細描述皆僅作為例示和說明，係意圖提供本發明的進一步說明，如申請專利範圍所定義者。
本發明係關於矽錠之晶體生長的方法，以及關於晶體生長系統及從該系統製造的錠。
本發明可以製造具軸向均勻摻雜物分佈之矽錠，而且在錠生長過程期間不用供給額外的摻雜物材料。本發明之態樣是在切克勞斯基(Czochralski)生長過程(尤其是在多壁的坩鍋中)詳細分析矽與摻雜物流動的結果。
更詳細而言，本發明係關於生長結晶材料的方法，尤其是切克勞斯基(Czochralski)生長方法。晶體生長方法包括下列步驟：提供具流體相通於進料區的生長區之坩鍋、以原料材料與摻雜物材料對坩鍋預先裝料、熔化初始裝料、以及生長隨後從該系統移除的結晶材料之錠。由此產生的結晶錠的摻雜濃度係軸向均勻，亦即，該錠沿其垂直軸具有實質固定濃度。此可以使用任何該領域已知方法來判定，尤其是使用已知電阻率測量。因此，例如，由此產生的結晶錠具有軸向均勻的電阻率。藉由均勻的電阻率或摻雜物濃度的方式意指電阻率或摻雜物濃度係在±20%之內或 者在±10%之內更佳。
本發明之方法使用的坩鍋具有流體相通於進料區內的生長區。因此，坩鍋為多區的坩鍋。坩鍋可以係任何已知使用在能容納固態和液態原料(尤其是矽)兩者的晶體生長之坩鍋。例如，坩鍋可以係石英坩鍋或可以係含有石英內襯的石墨坩鍋。坩鍋也可以具有任何剖面形狀，取決於，例如，使用的晶體生長系統的幾何，但通常為圓形剖面形狀。較佳地，坩鍋具有在外部進料區之內的內部生長區，而該內部生長區係流體相通於該外部進料區。例如，坩鍋可以包括壁、或將該坩鍋分成內部和外部區之其他分隔手段。分離器可以具有開口，像是孔洞或管，此提供限制流體相通在兩區之間，使得材料在依照結晶製程從內部生長區移除時，無汙染材料可以從進料區進入。內部生長區和外部進料區具有剖面面積，其面積比例可以用以判定維持摻雜物均勻性的程序，稍後更詳細地討論。
在本發明之方法中，在矽錠初始生長之前，提供預裝料至坩鍋的區中。例如，初始裝料包括矽，像是電子等級矽、冶煉等級矽、或太陽能等級矽，係同時提供在坩鍋的內部生長區和外部進料區。此外，摻雜物材料係也預先裝料至坩鍋的生長區中。可以使用該領域已知的任何摻雜物，包含，例如，像是磷的N型摻雜物及像是硼、鎵、銦、或鋁的P型摻雜物。
將坩鍋中的裝料加熱至超過該裝料熔點的溫度，藉此讓生長區中的預裝料(包括原料，像是矽，及摻雜物材料) 形成熔化混合物，以及讓進料區中的預裝料(包括原料，像是矽)形成原料熔化物。可以使用任何該領域已知方法來熔化預裝料。由於坩鍋的生長區係流體相通於進料區，所以當熔融時，熔化混合物和原料熔化物具有實質相似高度的上熔化表面。一旦熔化，至少一個結晶錠係從生長區的熔化裝料生長出來並且隨後被移除用於進一步的處理。
如上所述，可只基於知道摻雜物偏析係數和坩鍋幾何而生長出具有軸向固定摻雜濃度的結晶錠。此方法之各個實施例產生於在各區之間的熔融流動之詳細的分析，這些區係流體相通於彼此，如第1圖至第4圖所示。
尤其，切克勞斯基(Czochralski)生長系統係第1圖的剖面圖之圖示說明。雙層壁坩鍋10包括半徑r s 和液態上表面積A s 的內部圓形生長區12，以及外部半徑r t 和液態總上表面積A t 的外部環形進料區14，環形面積(A t -A s )以壁16與內部生長區12分開。在壁16的孔洞18提供從外部進料區14至內部生長區12的限制流體連接。孔洞18確保在生長區和進料區二者中之相近高度的上熔化表面20。視需要地，一個或多個具相關聯之孔洞的額外壁可用以生產具限制流體相通的額外區，尤其是從最外部至中央區。
未圖示的加熱器初始地將預裝料至冷坩鍋之固態原料(例如，矽)和可能的摻雜物加熱至熔點，並維持溫度在熔點或恰超過該熔點以用於晶體抽拉。具有直徑D或半徑r x 的錠22具有與從凝固區域24的內部生長區12內的熔化物接觸之剖面面積A x 。假定摻雜物的質量遠小於有摻雜物 融化於其中之原料的質量，從內部生長區12至錠22之凝固(生長)質量流(質量變化率)係dM x /dt，及通過孔洞18從外部進料區14至內部生長區12之轉移的質量流係dM 12 /dt。同時，假如必要，可以使用包括額外原料的進料，而該進料質量流進入固態或液態矽原料的外部進料區14，此可係零，係dM F /dt。這裡假設沒有明顯的反向流動通過孔洞18。本發明允許熔化物的上熔化表面20的高度在錠22生長期間能變化。
現在談及摻雜物濃度，在內部生長區12的摻雜物濃度係C L ，其變化率如第1圖所示之公式1。理想為C L 在錠生長期間隨著時間為固定，假設錠22欲具有軸向固定摻雜物濃度和電阻率(即在公式1，dC L /dt=0)。在生長區和進料區二者之上熔化表面20的高度之時間變化率dh/dt係分別地如第2圖所示公式2和公式3。然而，因為流體相通通過孔洞18，所以二個變化率必須相同。因此，這兩個公式可以結合成第2圖所示之公式4。代換至第1圖所示之公式1並重新排列會導致第2圖所示之公式5。本發明的各個實施例係源自應用公式5的特別情況。
在本發明之方法的第一實施例中，如第3圖所示，獲得均勻的摻雜，亦即，dC L /dt=0，使用像是矽原料的連續式進料，但沒有連續式摻雜。因此，此實施例係連續式切克勞斯基(Czochralski)生長方法，其中，例如，矽和摻雜物材料係預先裝料至內部生長區，矽係預先裝料至不具摻雜物材料的外部進料區，使得C F =0，當矽錠生長時，傳遞 矽的進料至外部進料區。然後，就此實施例而言，由公式6給定進料質量流速率(傳遞進料至坩鍋的速率)與生長質量流速率(生長錠的速率)的比例。假設從內部生長區之摻雜物材料的蒸發係實質等於零(即蒸發率係數大約零)，像是硼和磷，然後由公式7給定矽進料速率與錠生長速率的比例。注意公式7係獨立於摻雜物濃度kC L ，此摻雜物濃度為用於所產生之最終錠以及凝固速率之需要或目標。更確切地說，本發明之方法的這個實施例，進料速率與錠生長速率的比例只取決於坩鍋幾何和摻雜物材料的偏析係數。坩鍋幾何的相關特徵係在該熔化物高度外部和內部坩鍋區的面積比例A t /A s ，或者，就圓形坩鍋而言，為平方半徑比例r t 2/r s 2或等效地平方直徑比例D t 2/D s 2。公式6另外取決於蒸發率、錠直徑、及拉晶速率(pull rate)。為了具有隨高度而半徑變化的壁之坩鍋(即錐狀，像是從頂部至底部)，則可依高度調整面積比例，或者，可以修改內部和外部坩鍋的垂直漸細端用以生產軸向不變化的面積比例。
因此，根據此第一實施例，基於在使用單晶材料以生長該錠摻雜物材料的偏析係數之特別坩鍋幾何特性和知識來判定進給矽原料至外部進料區以至凝固質流的比例，根據第3圖所示公式6或公式7。就這個實施例而言，以原料(像是矽)對坩鍋的內部生長區預先裝料，並進一步包含摻雜物材料，該摻雜物材料在與原料一起熔化時係在濃度C L 。也對外部進料區預先裝料，但此固態預裝料不包含摻雜物材料。在室溫裝載固態或甚至液態摻雜物較不困難。 在熔化時，在兩區中的固態預裝料必須具有相等的初始表面高度。同時，原料應連續地或至少間歇性地供應給在外部進料區中之熔化物，而進料區不需要摻雜物材料。
在本發明之方法的第二實施例中，如第4圖所示，獲得均勻的錠摻雜，亦即，dC L /dt=0，在錠生長期間矽和摻雜物皆未進料，使得dM F /dt=0。因此，此第二實施例為批次切克勞斯基(Czochralski)生長方法，其中內部生長區和外部環形進料區兩者係以原料(像是矽)及摻雜物材料兩者預先裝料。在外部進料區之預裝料之摻雜物濃度與在內部生長區之預裝料之摻雜物材料的濃度之比例，C F /C L ，係在蒸發的情形(即摻雜物材料具有不可忽略之蒸發速率係數)由第4圖所示之公式8得到以及當蒸發為不重要時(即摻雜物材料具有大約等於零的蒸發速率係數g)由第4圖所示之公式9得到，像是用於硼和磷。在錠生長期間應保持這些比例固定。就本發明之方法的這個第二實施例而言，公式9的比例只取決於坩鍋幾何和摻雜物材料的偏析係數。
因此，根據此實施例，以給定初始相等熔化物高度的固態矽之數量及以給定分別為C L 和C F 之摻雜物濃度的摻雜物之數量來對生長區和進料區預先裝料，而這些濃度的比例係基於特定的坩鍋幾何特性及得知用以生長錠之結晶材料中之摻雜物材料的偏析係數來判定，如第4圖所示之公式8或公式9。以低溫對摻雜物預裝料應該比較不困難，而沒有連續式的矽進料係大大簡化生長腔體設計和操作。
可預期的是，生長區只有在它冷的時候供給固態矽原 料和摻雜物，一旦耗盡該矽，生長便停止且用無汙染者更換坩鍋。此製程非常類似傳統的批次切克勞斯基(Czochralski)操作，但在坩鍋有分區。如果在生長一個錠之後仍有足夠的矽餘留在熔化物中，則可從該熔化物生長第二錠或另外的錠，該熔化物目前則正處於降低的熔化物高度。或者，在晶體之間可進行進料和摻雜，然後可重複類似批次的生長製程。
本發明之方法的第三實施例為第一、第二實施例任一者的特定狀況。如上述討論，第一實施例為連續式切克勞斯基(Czochralski)生長方法，其中矽和摻雜物材料係預先裝料至內部生長區，而矽係預先裝料至不具摻雜物材料的外部進料區。此外，當生長矽錠時傳遞矽的進料至外部進料區。假設使用相同情況，但沒有傳遞矽的進料(即dM F =0)，則基於公式7，k(A t /A s )=1而因此A s /A t =k。這些相同情況也應用至第二實施例，其中沒有摻雜物材料被預先裝料在外部進料區，亦即，在外部進料區之摻雜物材料的濃度係零(C F =0)。基於公式9，就這個狀況而言，k(A t /A s )=1和A s /A t =k。因此，假定沒有摻雜物材料蒸發，若面積比例等於偏析係數，則不需要環形進料區之摻雜物的預先裝料或矽原料的連續式進料。因此，使用本發明之方法的此實施例，若坩鍋具有等於偏析係數的面積比例，則無需進料未摻雜之矽或添加摻雜物至外部進料區而可以生產具有均勻摻雜物濃度的錠。操作上，從數量為±10%或±20%之k的比例變動應享有許多這些相同優點。
因此，根據第三實施例，在設計用於具有面積比例等於偏析係數之特殊摻雜物的坩鍋中，當熔化時以矽和摻雜物材料兩者預裝料生長區至濃度C L 並且只以矽預先裝料進料區以提供相等初始熔化物高度的數量。在錠生長過程不需要矽或摻雜物材料的連續式進料。如具有圓形剖面形狀的坩鍋之特別例子，內部生長區直徑與外部進料區直徑(坩鍋直徑)的直徑比例，D s /D t ，數值為硼0.89及磷0.59。這些比例係獨立於晶體生長速率或錠直徑且從第5圖所示圖示的尖端可推導出來，第5圖顯示對硼和磷摻雜物而言，在坩鍋幾何A s /A t 和操作參數dM F /dM x 之間的關係，用於在右軸上以實線表示的第一實施例及用於以虛線表示的第二實施例在左軸上的操作參數C F /C L 。基於第1表的偏析係數也可以計算這些數值。鎵的直徑比例需要考慮拉晶速率和錠直徑。
也可以使用面積比例的特定數值來判定具有特定幾何(或其他摻雜物)的坩鍋如何被用來生產均勻摻雜的結晶錠。例如，使用第一實施例的公式7，kA t /A s >1的數值需要dM F <0，這是不可能成立的，除非能在不移除摻雜物的情況下自系統移除液態矽。因此，只在kA t /A s <1或kA t /A s =1的特定狀況下可以實行第一實施例。因此，本發明之方法的這個實施例，可以使用具有內部生長區和外部進料區剖面面積使得k(A t /A s )<1和dM F <dM x 的坩鍋以生產具有軸向實質均勻摻雜物濃度的錠。作為另一例子，使用第二實施例的公式9，kA t /A s <1的數值需要C F <0。然而，明顯地 不可能有負濃度。因此，只在kA t /A s >1或kA t /A s =1的特定狀況下可以實行第二實施例。因此，就本發明之方法的這個實施例而言，可以使用具有內部生長區和外部進料區剖面面積使得k(A t /A s )>1和C F <C L 的坩鍋以生產具有軸向實質均勻摻雜濃度的錠。受到明顯蒸發的情形(像是用鎵摻雜)需要基於公式6和公式8的對策。
在上述實施例中因為進料速率和凝固速率不太可能相等，所以在生長過程熔化物高度將降低且錠生長的長度在該熔化物高度接近坩鍋的底部時受到限制。
本發明提供一種藉由從具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋來生長錠而均勻地用特別摻雜物材料摻雜之生產矽錠的方法。就在熔化物高度處之剖面面積的比例A s /A t 等於摻雜物材料的偏析係數k的坩鍋而言，無需被包含在外部進料區的摻雜物材料及當錠生長時無需額外的矽或摻雜物進料補充生長區而可以生長均勻的錠。就任何其他坩鍋幾何而言，係如本發明之方法的各個實施例所述需要不同的方法。尤其，對A s /A t >k(即k(A t /A s )<1)的坩鍋而言，為了生產具有均勻摻雜物濃度的錠，當生長錠時，外部進料區應無容納摻雜物材料且應只有矽進料。就這個狀況而言，進料矽至外部進料區的速率應小於生長矽錠的速率。同時，就A s /A t <k(即k(A t /A s )>1)的坩鍋而言，為了生產具有均勻摻雜物濃度的錠，內部生長區和外部進料區兩者應容納矽和摻雜物，而在外部進料區的摻雜物濃度應小於在內部生長區的摻雜物濃度。不需要額外矽的進料或 摻雜物材料。因此，只有坩鍋幾何和摻雜物材料的偏析係數已知，使用本發明之方法的實施例可生產均勻摻雜的矽錠。
第四實施例結合第一和第二實施例。在生長過程，外部環形進料區係以矽和摻雜物預先裝料並且連續地供給矽而無摻雜物。雖然此實施例需要熱的矽原料進料，但它不限制坩鍋幾何且在坩鍋空掉之前可以運轉更久。第四實施例將受益於矽補充的電腦化和動態控制。
本發明進一步關於晶體生長系統，並且尤其是關於切克勞斯基(Czochralski)生長系統，用以製備晶體錠，像是具有軸向實質均勻摻雜物濃度的矽錠。該系統包括具有摻雜物材料的已知幾何和已知類型的坩鍋。較佳地，使用本發明的晶體生長系統以製備使用本發明之方法的錠，如前面更詳細地描述者。因此，較佳地，晶體生長系統包括具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋，該內部生長區包括矽及摻雜物材料，在熔化時形成熔化混合物，而外部進料區包括矽，在熔化時形成矽熔化物。由於生長區和進料區係流體相通，所以熔化混合物和矽熔化物具有實質相似高度的上熔化表面。內部生長區和外部進料區具有可用以判定維持所使用之特定摻雜物材料的摻雜物均勻性之情況的剖面面積，而這些係更詳細地描述在以上關於本發明之方法的各個實施例。
本發明之切克勞斯基(Czochralski)生長系統之特別例子，可用於本發明之方法以及其他用途，係以第6圖的 剖面圖圖示說明。切克勞斯基(Czochralski)生長系統10包含依中心軸13配置的坩鍋腔體12及支撐實質圓形剖面形狀的雙層壁坩鍋16之封閉底座14。連接至未圖示的馬達之轉軸18依中心軸13而旋轉底座14和坩鍋16。坩鍋腔體12包含用於供給像是氬氣的惰性周圍氣體之端口及用於耗盡周圍氣體且降低腔體壓力之真空端口。
坩鍋16包含界定其中的內部生長區22的內部壁20及連同內部壁20界定外部環形進料區26的外部壁24。內部壁20的孔徑28提供限制在外部進料區26和內部生長區22之間的流體相通。亦可能有額外壁生產添加區及其他流動控制。基於被併入所需生長訂之摻雜物材料的偏析係數，預先選擇內部生長區22和外部進料區26的直徑以及剖面表面積，如上述更詳細地討論者。此外，也將內部生長區的直徑選擇成明顯大於目標錠直徑最佳化因子的倍數，而拉晶速率也被最佳化成降低晶體缺陷和其他不想要的效應。此最佳化對單坩鍋CZ生長而言為眾所皆知的。包括矽的所需固態預裝料係供給至坩鍋16中，而側邊加熱器30和環形底部加熱器32加熱坩鍋16至大約1420ºC，恰超過矽熔點，使得預裝料熔化而實質以熔化的材料填滿內部生長區22和外部進料區26直至上熔化表面高度34。或者，可以使用預先加熱器以熔化矽而用於對坩鍋預先裝料。
切克勞斯基(Czochralski)生長系統10進一步包含從坩鍋腔體12的頂部垂直向上延伸且由拉晶機隔絕閥42真空隔絕之拉晶腔體40。拉晶機機構44支撐、縮回和延伸、 以及旋轉具有在較低端的夾鉗48之纜索46，用以選擇性地保持預定結晶定向的結晶矽晶種50。操作上，拉晶機44降低晶種50通過開啟的拉晶機隔絕閥42而幾乎沒有接觸內部生長區22的上熔化表面34。在恰當溫度情況之下，在內部生長區的熔化表面之矽凍結或凝固在具如晶種相同結晶定向的晶種50。當旋轉晶種和坩鍋16在相對方向時，拉晶機44然後慢慢地從熔化物提高晶種50，使得額外矽凍結且晶體擴大而形成生長錠52。在初始期間，在隆起區域54擴大錠52的直徑，但然後增加拉晶速率(drawing rate)使得錠52的中央部分具有實質固定直徑，例如，200或300毫米(mm)。
當錠52的長度增加時，其被部分地拉晶至拉晶腔體40。當已經達成錠的最後長度時，例如，1至2公尺，進一步增加拉晶速率用以建立從熔化物最終地斷掉的減少直徑之錠尾(ingot tail)。然後完整地拉晶錠52至拉晶腔體40，而拉晶機隔絕閥42關閉用以將拉晶腔體與坩鍋腔體隔絕。當錠已經足夠冷卻時，從拉晶腔體40移除它，而新晶種可以被夾鉗至拉晶機纜索46，使得若保持足夠熔化物，則可從相同熱的坩鍋中可抽拉後續的錠。
若需要的話，可以在錠52的抽拉期間或在錠之間至少間歇性地傳遞額外矽至坩鍋16。在第1圖的實施例中，碎片或小球形式的固態矽顆粒60係由選擇性地穿透坩鍋腔體12的側壁之進料器托盤62供給通過進料器隔絕閥64。可被容納在本身隔絕腔體且被振動器選擇性啟動之進 料器托盤62可從坩鍋腔體12抽拉以及關閉進料器隔絕閥以允許原料重新供給至進料器托盤或本身操作。進料器托盤62係可放置在具有壺嘴66接近地放置在旋轉外部進料區26上方以在低速將顆粒60丟入外部進料區26之傾斜的斜槽上方，其中它們熔化且最終地係經由孔徑28供給至內部生長區22以維持上熔化表面高度34。
雖然本發明已描述具一個孔徑的分隔壁的二區坩鍋，但可以容易地延伸本發明至具有多於二區、具有多個孔徑以提供限制的流體相通從最外區至最內生長區的分隔壁之坩鍋。
藉由個別的偏析係數，可以輕鬆地將本發明之某些態樣擴大成多樣摻雜物、或許不同導電類型的使用。
雖然上述推導提供固定的進料及拉晶速率之基礎，但應理解到，電腦化控制器可以監控系統操作而據此調整進料和拉晶速率。
雖然本發明提供用於生長單晶矽錠的顯著商業重要性，但它也可應用於其他材料及晶體的生長。
已針對說明和描述之目的提出前面描述之本發明的較佳實施例。並非意圖述盡或限制本發明於精確揭露的形式。鑑於上述的教示係能有修改與變化，或者可從本發明之實施而獲得這些修改與變化。實施例係經過選擇和描述以便說明本發明之原理及其實際應用，以使本技術領域中具有通常知識者能夠使用各種實施例以及進行適合於所考慮之特殊使用的各種修改。本發明的範圍係意圖由附加的 申請專利範圍及其等效者所定義。
10‧‧‧雙層壁坩鍋、切克勞斯基(Czochralski)生長系統
12‧‧‧坩鍋腔體、內部生長區、內部圓形生長區
13‧‧‧中心軸
14‧‧‧底座、外部環形進料區
16‧‧‧壁、坩鍋
18‧‧‧孔洞
20‧‧‧內部壁、上熔化表面
22‧‧‧錠、內部生長區
24‧‧‧凝固區域
26‧‧‧進料區
28‧‧‧孔徑
30‧‧‧側邊加熱器
32‧‧‧底部加熱器
34‧‧‧上熔化表面
40‧‧‧拉晶腔體
42‧‧‧拉晶機隔絕閥
44‧‧‧拉晶機
46‧‧‧纜索
48‧‧‧夾鉗
50‧‧‧晶種
52‧‧‧錠
54‧‧‧隆起區域
60‧‧‧顆粒
62‧‧‧進料器托盤
64‧‧‧進料器隔絕閥
66‧‧‧壺嘴
第1圖至第4圖顯示和本發明之方法和生長系統有關的各種實施例之公式推導；第1圖和第2圖也包含切克勞斯基生長系統及本發明的方法的實施例之示意圖；第5圖顯示本發明的生長系統和方法的實施例之有關的各種製程參數和坩鍋幾何的圖示；以及第6圖係本發明的切克勞斯基生長系統之實施例的剖面圖。
10‧‧‧雙層壁坩鍋、切克勞斯基(Czochralski)生長系統
12‧‧‧坩鍋腔體、內部生長區、內部圓形生長區
13‧‧‧中心軸
14‧‧‧底座、外部環形進料區
16‧‧‧壁、坩鍋
18‧‧‧孔洞
20‧‧‧內部壁、上熔化表面
22‧‧‧錠、內部生長區
24‧‧‧凝固區域
26‧‧‧進料區
28‧‧‧孔徑
30‧‧‧側邊加熱器
32‧‧‧底部加熱器
34‧‧‧上熔化表面
40‧‧‧拉晶腔體
42‧‧‧拉晶機隔絕閥
44‧‧‧拉晶機
46‧‧‧纜索
48‧‧‧夾鉗
50‧‧‧晶種
52‧‧‧錠
54‧‧‧隆起區域
60‧‧‧顆粒
62‧‧‧進料器托盤
64‧‧‧進料器隔絕閥
66‧‧‧壺嘴

Claims (16)

  1. 一種生長矽錠之方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟：i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋；ii)提供初始裝料在該內部生長區和該外部進料區，在該內部生長區的該初始裝料包括矽及該摻雜物材料，而在該外部進料區的該初始裝料包括矽而無摻雜物材料；iii)熔化在該內部生長區的該矽及摻雜物材料以形成熔化混合物及熔化在該外部進料區的該矽以形成矽熔化物，該熔化混合物及該矽熔化物具有實質相似高度的上熔化表面，其中該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面之剖面表面積A s 而該坩鍋具有該熔化混合物與該矽熔化物的該上熔化表面積之總剖面表面積A t ；iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及v)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠，其中該方法係連續式切克勞斯基生長方法，包括以數量M F 傳遞包括矽及無摻雜物材料的進料至該外部進料區之步驟；同時生長該矽錠至數量Mx，以及其中(dM F /dM x )=1-k(A t /A s )。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該坩鍋係實 質圓形剖面形狀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該內部生長區係通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
  4. 一種生長矽錠之方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟：i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋；ii)提供初始裝料在該內部生長區和該外部進料區，在該內部生長區的該初始裝料包括矽及該摻雜物材料，而在該外部進料區的該初始裝料包括矽而無摻雜物材料；iii)熔化在該內部生長區的該矽及該摻雜物材料以形成熔化混合物及熔化在該外部進料區的該矽以形成矽熔化物，該熔化混合物及該矽熔化物具有實質相似高度的上熔化表面，其中該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面之剖面表面積A s 而該坩鍋具有該熔化混合物與該矽熔化物的該上熔化表面積之總剖面表面積A t ；iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及v)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠，其中該方法係連續式切克勞斯基生長方法，包括以數量M F 傳遞包括矽及無摻雜物材料的進料至該外部進料區之步驟；同時生長該矽錠至數量M x ，以及其中 k(A t /A s )<1及dM F <dM x 。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該坩鍋係實質圓形剖面形狀。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中，該內部生長區係通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
  7. 一種生長矽錠之方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟：i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋；ii)提供初始裝料在該內部生長區和外部進料區包括矽及該摻雜物材料，在該內部生長區的該初始裝料當熔化時具有C L 的摻雜物材料濃度，而該外部進料區的該初始裝料當熔化時具有C F 的摻雜物材料濃度；iii)熔化該內部生長區和外部進料區的該矽及摻雜物材料以形成具有實質相似高度的上熔化表面的熔化混合物，其中該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面之剖面表面積A s 而該坩鍋具有該矽熔化物的該熔化混合物的該上熔化表面積之總剖面表面積A t ；iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及v)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠，其中該方法係批次切克勞斯基生長方法而該摻雜物材料具有實質等於0的蒸發率係數，以及其中(C F /C L )=[k-(A s /A t )]/[1-(A s /A t )]。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該摻雜物材料係硼或磷。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該坩鍋係實質圓形剖面形狀。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中，該內部生長區係通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
  11. 一種生長矽錠之方法，該矽錠包括具有偏析係數k的摻雜物材料，該方法包括下列步驟：i)提供具有流體相通於外部進料區的內部生長區之坩鍋；ii)提供初始裝料在該內部生長區和外部進料區包括矽及該摻雜物材料，該初始裝料在該內部生長區當熔融時具有C L 的摻雜物材料濃度而該外部進料區的該初始裝料當熔融時具有C F 的摻雜物材料濃度；iii)熔化該內部生長區和外部進料區的該矽及摻雜物材料以形成具有實質相似高度的上熔化表面的熔化混合物，其中該內部生長區具有該熔化混合物的該上熔化表面之剖面表面積A s 而該坩鍋具有該熔化混合物的該上熔化表面積之總剖面表面積A t ；iv)從該內部生長區生長該矽錠；以及v)移除包括在軸向實質固定濃度的該摻雜物材料的該生長矽錠，其中該方法係批次切克勞斯基生長方法而該摻雜物材料具有實質等於0的蒸發率係數，以及其中 k(A t /A s )>1及C F <C L 。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該摻雜物材料係硼或磷。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該坩鍋係實質圓形剖面形狀。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中，該內部生長區係通過至少一個孔徑的壁流體相通於該外部進料區。
  15. 如申請專利範圍第13項之結晶生長系統，其中，該摻雜物材料係硼或磷。
  16. 如申請專利範圍第13項之結晶生長系統，其中，該坩鍋係實質圓形剖面形狀。
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