从坩埚中的种晶生长硅铸锭的系统和方法及其中所使用的种晶的制造
【专利说明】从坩埚中的种晶生长硅铸锭的系统和方法及其中所使用的种晶的制造
[0001]相关申请案的对照参考
[0002]本申请案主张2013年8月17日所申请第61/684，331号美国临时专利申请案的优先权。此申请案的全部内容特此含括引用于本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及从坩祸中的种晶生长硅铸锭的系统和方法、以及其中所使用的种晶的制造方法。
【背景技术】
[0004]如方向性固化系统(DSS)之类的晶体生长设备或熔炉(furnace)含括坩祸中如硅之类原料材料(feedstock material)的恪化和受控制再固化(resolidificat1n)以生产铸锭。固化铸锭自熔融原料的生产在许多可识别步骤中出现数个小时。例如，为了藉由DSS方法生产硅铸锭，固态硅原料载入坩祸内并且置于DSS熔炉的热区内。接着使用热区内的各种加热成分(elements)加热原料进料(feedstock charge)，并且维持恪炉温度远高于1412°C硅熔化温度数小时以确保完全熔化。一旦完全熔化，自熔融原料除热，常藉由在热区内施加温度梯度，以便方向性固化熔化物(melt)并且形成硅铸锭。藉由控制熔化物如何熔化，可实现纯度高于起始原料材料的铸锭，其可接着予以用于各种高阶应用，如半导体和光电产业。
[0005]为了使用DSS工艺制备单晶硅铸锭，通常将单一晶体种晶覆瓦(tile)(多颗种晶)置于硅铸锭生产用的坩祸底部层件中。接着将硅原料加载于种晶顶部并由上往下熔化。一旦熔化物触及种晶顶部，工艺即转移到方向性固化阶段。种晶遍及工艺维持至少部分固态并且作用为熔融原料结晶化的模板(template)。亦即，虽然种晶表面可部分熔化，但由于生长(熔化物固化)始于种晶表面，因此，整个最后生长出来的铸锭仍重复种晶的晶体结构。
[0006]这些种晶其厚度范围通常由大约5毫米(mm)到35毫米并且包覆坩祸底部的显著区域(significant area)。标准i甘祸的大小可相当大，因而需要大量种晶以生长上述娃i甘祸。
[0007]由于所需种晶的成本通常相当高(例如，每个铸锭大约2，000至10，000美金)，故各单独铸锭的制造成本因而极高。因此，需要降低每个铸锭制造成本并且简化取向程序以较低成本生产较高品质铸锭的生产硅铸锭的系统及方法。
【发明内容】
[0008]本文提供降低整体硅铸锭生产成本的系统及方法。更具体地说，一或多片表面片件可以特殊取向涉及多个节点自硅晶锭薄切一或多片表面片件。这些一或多片表面片件可接着予以形成为具有硅铸锭生长工艺用特定长度、宽度和厚度的一或多颗种晶。藉由利用这些片件以形成一或多颗种晶，以前遭到丢弃的晶锭片件现在可用于形成高品质种晶以供硅铸锭生长工艺使用。
[0009]较佳的是，表面片件可为一或多片用于将硅晶锭做成方砖的工艺直接导致的残余片件(residual pieces)。接着可依各种取向在樹祸底部列置这些表面片件。
[0010]在本发明的某些示例性具体实施例中，也可藉由多次切割各表面片件修剪(crop)表面片件。接着可将经修剪表面片件薄切成多个种晶并且予以置于坩祸底部。接着可依经配置用以防止或减少经生长铸锭内形成并且扩展(spread)次晶粒边界的特殊取向在坩祸中安置种晶。
[0011 ] 下文说明本发明的其它态样及具体实施例。
【附图说明】
[0012]为了更理解本发明的本质及期望目的而配合附图参照底下详细说明，其中，相称的元件符号在许多图示代表相应部分，并且其中:
[0013]图1是根据本发明一示例性具体实施例出自晶锭的示例性表面片件的透视图；
[0014]图2是根据本发明一示例性具体实施例晶锭方形化后形成的砖体(brick)和残余片件的剖面图；
[0015]图3描述根据本发明一示例性具体实施例要安置在晶体生长设备中的种晶用第一示例性种晶取向；
[0016]图4A至图4D描述根据本发明一示例性具体实施例要置于晶体生长设备中的种晶用第二示例性种晶取向和修剪技术；
[0017]图5A至图描述根据本发明一示例性具体实施例要置于晶体生长设备中的种晶用第三示例性种晶取向和修剪技术；
[0018]图6A至图6D描述根据本发明一示例性具体实施例要置于晶体生长设备中的种晶用第四示例性种晶取向和修剪技术；
[0019]图7A至图7E描述根据本发明一示例性具体实施例可涉及图7E所示种晶取向所使用的又一示例性修剪技术；
[0020]图8是根据图7E所示种晶取向予以配向的两颗种晶之间所形成边界和砖面的少数载子寿命扫描；
[0021]图9是根据本发明示例性具体实施例种晶制造技术描述晶体生长设备中生长硅铸锭所用方法的流程图；以及
[0022]图10是根据本发明示例性具体实施例可用于生长硅铸锭的示例性晶体生长设备的剖面前视图。
【具体实施方式】
[0023]定义
[0024]参照底下定义得以最清楚理解本发明:
[0025]除非上下文另有清楚指示，否则说明书和权利要求书中所使用的单数形式「一」和「该」包括复数参考。
[0026]本文所述的「晶体生长设备」意指任何能够以普遍大于大约1000°C的温度加热并且熔化硅等固态原料并且促进所产生熔融原料材料再固化以形成光电(PV)及/或半导体应用所使用单晶硅铸锭等晶体材料的装置或设备。
[0027]本文所述的「修剪装置」是任何能够将硅精确切割成一或多片片件的装置。修剪装置可为例如刀子、自动化锯子、或任何其它精确切技割有效技术所已知经明确配置的装置。
[0028]本文所述「方形化装置」是任何能够将硅精确方形化成一或多片具有如砖体等方形剖面形状的片件的装置。方形化装置可为经明确配置用以方形化硅晶锭的例如自动化电脑辅助制造机器或锯子。
[0029]本文所述的「表面片件」是薄切自圆柱状晶锭的半圆柱状片件，有时称为圆柱状节片(cylindrical segment)。这些表面片件包括起源于晶锭遭到切割、薄切、或在某些实例中甚至遭到截割(sect1n)之前一部分原始圆柱状晶锭表面的至少一表面。这些表面片件较佳是典型方形化工艺期间方形化晶锭所致的残余片件。然而，也可在晶锭已截割之前或之后以个别基础从晶锭移除残留片件。因此，本发明的描述性具体实施例不局限于此。
[0030]详细说明
[0031]下文参照【附图说明】的是本发明的较佳具体实施例，其中，相称的元件符号代表相同或类似的元件。
[0032]本发明涉及方向性固化工艺坩祸中生长硅铸锭的系统及方法。如上所述，单一晶体种晶覆瓦(多颗种晶)置于硅铸锭生产用坩祸(例如，铸造坩祸)底部层件中。接着将硅原料加载在种晶顶部并且予以由上往下熔化。一旦熔化物触及种晶顶部，工艺即转移到方向性固化阶段。种晶块体(bulk)大部分在整个铸造程序维持固态(或主要呈固态)并且作用为熔融原料结晶用模板。由于生长(熔化物固化)起于种晶表面，因此种晶的晶体结构在整个遍及所形成铸锭重复。
[0033]透过上述工艺用于生产一单晶硅铸锭仅种晶的总成本目前大约每个铸锭2000至10000美元。此成本因制备种晶所用材料价值而高。尤其是，种晶切割自砖体，其中，晶圆已经薄切自该砖体。因此，藉由降低种晶成本降低各单独铸锭总成本同时又考虑次晶粒边界形成的工艺将极有助于整体产业。
[0034]本发明的示例性具体实施例包括藉由降低生长铸锭所用种晶成本用于降低硅铸锭生产总成本的系统及方法。更具体地说，硅铸锭生长制造相关成本藉由利用薄切自晶锭的一或多片表面片件而予以降低。这些表面片件可为硅砖制造程序期间方形化晶锭所致或者可在晶锭上以特殊取向涉及多个节点自圆柱状硅晶锭四面中任一面予以单独薄切的残余片件。如上所述，由于表面片件包括一部分圆柱表面，因此各片件在最初薄切自晶锭时都应该具有一曲状表面以及三扁平表面。例如，图1描述已自圆柱状晶锭