使熔体成长为结晶片的结晶器及方法技术

本发明专利技术提供一种使熔体成长为结晶片的结晶器及方法。结晶器可包括致冷面面对于熔体的暴露面的致冷块，致冷块被设置以用于在致冷面产生致冷块温度，且致冷块温度低于在熔体的暴露面的熔体温度。所述结晶器还可包括配置于致冷块内且被配置以用于传送气体喷射至暴露面的喷嘴，其中气体喷射以及致冷块交互操作以产生处理区，所述处理区以第一散热速率移除来自于暴露面的热。第一散热速率大于处理区之外的外部区域中的暴露面的第二散热速率。使熔体成长为结晶片的结晶器及方法中，使用结晶器以提供气体喷射以在熔体的表面以及致冷块之间形成对流区，有助于高速散热。

System and method for growing a crystal sheet using a cooling block and a gas stream

A method for melt growth of mold crystal slice, which can include a grim face to melt to the exposed surface cooling block, cooling block is set for the generation of the temperature in the cooling block caused by the cold, and the temperature in the melt cooling block below the exposed side of the melt temperature. The system can also include a configuration in the cooling block and is configured to be used to transport gas injection nozzle exposed surface, wherein the gas jet cooling block and interactive operation to generate the treatment zone, the processing zone in the first heat removed from the heat exposure rate. The first heat dissipation rate is greater than the second heat dissipation rate in the exposed area outside the treatment area.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】为联邦政府资助的研究或发展的声明美国政府拥有本专利技术缴足执照，并在有限的情况下，要求专利权人通过合同号DE-EE0000595由能源美国能源部授予条款规定合理的条件许可他人的权利。
本专利技术涉及一种结晶材料自熔体的成长，尤其涉及一种使用致冷块与气体喷射冷却熔体的系统及方法。
技术介绍
硅晶圆或片材可被使用于例如集成电路或太阳能电池产业。随着对再生性能源的需求增加，对太阳能电池的需求也持续增加。在太阳能电池产业中，其中一项主要的成本是用来制造这些太阳能电池的晶圆或片材。减少晶圆或片材的成本，则可减少太阳能电池的成本，而使此再生性能源技术更为普遍。经研究，降低用于太阳能电池的材料的成本的方法之一为自熔体垂直拉动薄硅带(thinsiliconribbon)，并使其冷却以及固化后成为结晶片。然而，在硅片的垂直拉动的过程中，温度梯度的发展可能导致品质低劣的多晶硅。片材沿熔体的表面水平拉动的水平带生长(Horizontalribbongrowth，HRG)也已被投入研究。先前技术试图采用气体以”淋喷头(showerhead)”的方式提供冷却，以达到拉动带所需的连续表面成长。此些现有技术的尝试并未达到制造出可靠且迅速地拉动均匀厚度的宽带的目标，即未达到“值得制造(productionworthy)”的目标。硅熔体的辐射冷却已被提出作为形成结晶片的另一种方法。然而，因为辐射冷却并无法有效地提供快速热移除，而有无法适当结晶硅板的问题。基于这些以及其他的考量，如本专利技术的改进是必要的。
技术实现思路
本
技术实现思路
以简单的形式介绍一些概念，这些概念将于下述实施方式更进一步说明。本
技术实现思路
并非用以指出权利要求书的标的的关键技术特征或必要技术特征，也非用以帮助判断权利要求书的标的的范畴。在一实施例中，用以使熔体成长为结晶片的结晶器可包括致冷块。致冷块具有面对于熔体的暴露面的致冷面。致冷块被设置以用于在致冷面形成致冷块温度，致冷块温度低于在熔体的该暴露面的熔体温度。本系统可也包含配置于致冷块内的喷嘴。喷嘴被配置以用于传送气体喷射至暴露面，其中气体喷射以及致冷块交互操作以产生处理区。处理区以第一散热速率移除来自于暴露面的热。第一散热速率大于来自于处理区外的外部区域中的第二散热速率。在另一个实施例中，使熔体成长为结晶片的方法包括：排列致冷块于熔体的暴露面上，在致冷块面对于熔体的致冷面产生致冷温度，致冷温度低于在熔体的暴露面的熔体温度。此方法还包括通过配置于致冷块中的喷嘴传送气体喷射至暴露面，其中气体喷射以及致冷块彼此交互操作以形成处理区，处理区以第一散热速率移除来自于暴露面的热。第一散热速率大于来自于处理区的外部区域中的暴露面的第二散热速率。附图说明图1A为根据本专利技术的实施例示出系统的侧面剖视图。图1B为示出图1A的系统的一部分的底面示意图。图1C为图1A的系统的一部分的侧面剖视图的特写。图1D为图1A的系统的一部分的顶面剖视图的特写。图2A为示出在结晶片成长期间，图1A的系统的操作实例的侧面剖视图。图2B为示出图2A中操作实例的侧面剖视图的特写。图3A为根据本专利技术的其它实施例示出另一系统的侧面剖视图。图3B为示出在结晶片成长期间，图3A的系统的操作实例的侧面剖视图。图4A为图3A的系统的一部分的模型化流场以及温度曲线的二维复合侧视图。图4B为示出图4A的系统的四种不同架构的散热速率曲线。图5A为示出当紧邻熔体表面的致冷块维持在低温时，范例二维模拟温度以及流量图的二维复合侧视图。图5B为示出当紧邻熔体表面的致冷块维持在高温时，范例二维模拟温度以及流量图的二维复合侧视图。图5C为示出当致冷块保持在两个不同温度的对流散热速率曲线。图6A为示出当气体直接朝向熔体而没有气体的内部排气时，气流的图案的俯视平面图。图6B为示出当气体直接朝向熔体而有内部排气时，气流的图案的俯视平面图。图7为内部排气的百分比的函数示出范例散热曲线。图8A为示出与本专利技术的实施例一致的喷嘴的透视图。图8B为示出图8A的喷嘴的俯视图。图8C至图8D为示出图8A的喷嘴的两种不同操作实例。图9为示出当沿喷嘴开孔提供气体喷射的数量为不同时，自熔体表面的散热速率曲线的模拟结果。具体实施方式本实施例提供系统以及装置使用水平成长以成长半导体材料(例如使硅形成熔体)的连续结晶片。特别是，于此揭露的系统被设置以用于初始化以及维持在熔体的表面连续的结晶片或硅带的成长，使形成单晶(monocrystalline)、宽的、均匀薄度的片材以及自熔体快速拉动，例如大于每秒1毫米。在各种实施方式，液体冷却结晶器被设置以用于在受控且统一的方式用以冷却熔体的表面，以形成强力散热的窄的带或区的处理区。在各种实施方式，自硅熔体表面散热的锋值速率超过100瓦/每平方厘米(W/cm2)，且在一些实例为大于500W/cm2。如下讨论，因在熔体表面的硅的结晶成长的性质，这种高散热速率特别有利用以生长高品质单晶硅带。图1A为示出与本专利技术实施例一致的用以自熔体水平成长结晶片的系统100的侧视图。系统100包括结晶器102以及坩锅126，为清楚起见，只示出坩锅126的下部。再者，在此图以及其他遵循此图的各种组件并不表示用来规定关于彼此或关于不同方向。坩锅126可包含熔体112，例如硅熔体。结晶器102或坩锅126或两者皆可沿示出的正交坐标系统的Y轴的平行方向移动，使安置结晶器102在自熔体112的上表面一期望的距离，此被标记为暴露面114。暴露面114代表在系统100中相邻大气环境的表面，且相对于熔体112相邻坩锅126的固体表面的表面。系统100还包括一个或多个加热器，例如加热器122，其可提供热至坩锅126从而至熔体112。加热器122可分别被供电以在沿X-Z平面不同点提供相似量的热或不同量的热。热可以被引导沿图1A中的Y轴向上的热流的至少一分量流过熔体112。详述如下，热流自加热器122产生，且热流速率自暴露面114产生，热流速率在此被称为”散热速率”，可被设定在发生结晶化的特定区域外的暴露面114保持熔融表面。特别是，详述如下，结晶化可发生在区域或紧临结晶器102的处理区(未示于图1A)。在本实施例中，结晶器102可在处理区中产生散热速率，其足够快速以在邻近于暴露面114的区域或在暴露面114形成结晶材料。详述如下，散热被控制只局部地发生在暴露面114的一部分，结果形成期望的厚度与低的缺陷等级的单晶硅。可理解的是，“散热”是指帮助热自暴露面114流动的制程。即使没有例如结晶器102的组件用以帮助“散热”，热可自暴露面114向上流动。然而，结晶器102可能导致在暴露面114的部分的散热相较于暴露面114的其他部分中的热流大的多，以使结晶在相邻于结晶器102处局部地形成。系统100还可包含拉晶机(未示出)，其被配置以用于沿平行Z轴的拉动方向120拉动晶种116，从而朝如所示的右边拉动结晶硅的连续板材。通过控制紧邻结晶器102的散热速率(其中热由加热器122形成)，以及沿拉动方向120的拉速，则可获得期望的厚度与品质的结晶片。特别是，提供有致冷块106的结晶器102以控制片材的结晶化，致冷块106被配置以用于在致冷面产生致冷块温度，致冷块温度低于熔体112在面对于致冷面的暴露面114的部分的熔体温度。如下所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结晶器，用以使熔体成长为结晶片，其特征在于包括：致冷块，具有致冷面，所述致冷面面对于所述熔体的暴露面，所述致冷块被设置以用于在所述致冷面产生致冷块温度，所述致冷块温度低于在所述熔体的所述暴露面的熔体温度；以及喷嘴，配置于所述致冷块内，且被设置以用于传送气体喷射至所述暴露面，其中所述气体喷射以及所述致冷块交互操作以产生处理区，所述处理区以第一散热速率移除来自于所述暴露面的热，所述第一散热速率大于所述处理区之外的外部区域中的所述暴露面的第二散热速率。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.27 US 14/226,9911.一种结晶器，用以使熔体成长为结晶片，其特征在于包括：致冷块，具有致冷面，所述致冷面面对于所述熔体的暴露面，所述致冷块被设置以用于在所述致冷面产生致冷块温度，所述致冷块温度低于在所述熔体的所述暴露面的熔体温度；以及喷嘴，配置于所述致冷块内，且被设置以用于传送气体喷射至所述暴露面，其中所述气体喷射以及所述致冷块交互操作以产生处理区，所述处理区以第一散热速率移除来自于所述暴露面的热，所述第一散热速率大于所述处理区之外的外部区域中的所述暴露面的第二散热速率。2.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述致冷面以第一高度配置于所述暴露面上，且所述喷嘴的前端以第二高度配置于所述暴露面上，所述第二高度小于所述第一高度。3.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述喷嘴的材质包括石英玻璃。4.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述喷嘴包含开孔，所述开孔包括细长横截面，所述细长横截面的长轴沿垂直于拉动方向的横向方向延伸。5.根据权利要求1所述的结晶器，还包括致动器，所述致动器被配置以用于调节所述致冷面以及所述暴露面之间的高度。6.根据权利要求4所述的结晶器，其中所述开孔沿所述拉动方向的开孔长度为0.05毫米至0.5毫米。7.根据权利要求4所述的结晶器，还包括：机壳，定义出开口，以使所述致冷面相对于所述暴露面配置，所述机壳具有机壳温度，所述机壳温度较致冷块温度热；以及至少一内部排气通道，配置于所述机壳与所述致冷块之间，且被配置以用于排出来自所述气体喷射的75％至95％之间的气体。8.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述气体喷射被配置以用于在所述处理区中用以产生气体涡流，所述气体涡流以对流方式移除自所述暴露面至所述致冷块的至少部分的热。9.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述第一散热速率大于100瓦/每平方厘米。10.根据权利要求1所述的结晶器，其中所述喷嘴包括开孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼德·L·凯勒曼，布莱恩·梅克英特许，菲德梨克·M·卡尔森，大卫·莫雷尔，阿拉·莫瑞迪亚，南帝斯·德塞，孙大为，法兰克·辛克莱，
申请(专利权)人：瓦里安半导体设备公司，
类型：发明
国别省市：美国;US