從坩堝中的種晶生長硅鑄錠的系統和方法及其中所使用的種晶的制造
【專利說明】從坩堝中的種晶生長硅鑄錠的系統和方法及其中所使用的種晶的制造
[0001]相關申請案的對照參考
[0002]本申請案主張2013年8月17日所申請第61/684，331號美國臨時專利申請案的優先權。此申請案的全部內容特此含括引用于本文中。
技術領域
[0003]本發明涉及從坩禍中的種晶生長硅鑄錠的系統和方法、以及其中所使用的種晶的制造方法。
【背景技術】
[0004]如方向性固化系統(DSS)之類的晶體生長設備或熔爐(furnace)含括坩禍中如硅之類原料材料(feedstock material)的恪化和受控制再固化(resolidificat1n)以生產鑄錠。固化鑄錠自熔融原料的生產在許多可識別步驟中出現數個小時。例如，為了藉由DSS方法生產硅鑄錠，固態硅原料載入坩禍內并且置于DSS熔爐的熱區內。接著使用熱區內的各種加熱成分(elements)加熱原料進料(feedstock charge)，并且維持恪爐溫度遠高于1412°C硅熔化溫度數小時以確保完全熔化。一旦完全熔化，自熔融原料除熱，常藉由在熱區內施加溫度梯度，以便方向性固化熔化物(melt)并且形成硅鑄錠。藉由控制熔化物如何熔化，可實現純度高于起始原料材料的鑄錠，其可接著予以用于各種高階應用，如半導體和光電產業。
[0005]為了使用DSS工藝制備單晶硅鑄錠，通常將單一晶體種晶覆瓦(tile)(多顆種晶)置于硅鑄錠生產用的坩禍底部層件中。接著將硅原料加載于種晶頂部并由上往下熔化。一旦熔化物觸及種晶頂部，工藝即轉移到方向性固化階段。種晶遍及工藝維持至少部分固態并且作用為熔融原料結晶化的模板(template)。亦即，雖然種晶表面可部分熔化，但由于生長(熔化物固化)始于種晶表面，因此，整個最后生長出來的鑄錠仍重復種晶的晶體結構。
[0006]這些種晶其厚度范圍通常由大約5毫米(mm)到35毫米并且包覆坩禍底部的顯著區域(significant area)。標準i甘禍的大小可相當大，因而需要大量種晶以生長上述娃i甘禍。
[0007]由于所需種晶的成本通常相當高(例如，每個鑄錠大約2，000至10，000美金)，故各單獨鑄錠的制造成本因而極高。因此，需要降低每個鑄錠制造成本并且簡化取向程序以較低成本生產較高品質鑄錠的生產硅鑄錠的系統及方法。
【發明內容】
[0008]本文提供降低整體硅鑄錠生產成本的系統及方法。更具體地說，一或多片表面片件可以特殊取向涉及多個節點自硅晶錠薄切一或多片表面片件。這些一或多片表面片件可接著予以形成為具有硅鑄錠生長工藝用特定長度、寬度和厚度的一或多顆種晶。藉由利用這些片件以形成一或多顆種晶，以前遭到丟棄的晶錠片件現在可用于形成高品質種晶以供硅鑄錠生長工藝使用。
[0009]較佳的是，表面片件可為一或多片用于將硅晶錠做成方磚的工藝直接導致的殘余片件(residual pieces)。接著可依各種取向在樹禍底部列置這些表面片件。
[0010]在本發明的某些示例性具體實施例中，也可藉由多次切割各表面片件修剪(crop)表面片件。接著可將經修剪表面片件薄切成多個種晶并且予以置于坩禍底部。接著可依經配置用以防止或減少經生長鑄錠內形成并且擴展(spread)次晶粒邊界的特殊取向在坩禍中安置種晶。
[0011 ] 下文說明本發明的其它態樣及具體實施例。
【附圖說明】
[0012]為了更理解本發明的本質及期望目的而配合附圖參照底下詳細說明，其中，相稱的元件符號在許多圖示代表相應部分，并且其中:
[0013]圖1是根據本發明一示例性具體實施例出自晶錠的示例性表面片件的透視圖；
[0014]圖2是根據本發明一示例性具體實施例晶錠方形化后形成的磚體(brick)和殘余片件的剖面圖；
[0015]圖3描述根據本發明一示例性具體實施例要安置在晶體生長設備中的種晶用第一示例性種晶取向；
[0016]圖4A至圖4D描述根據本發明一示例性具體實施例要置于晶體生長設備中的種晶用第二示例性種晶取向和修剪技術；
[0017]圖5A至圖描述根據本發明一示例性具體實施例要置于晶體生長設備中的種晶用第三示例性種晶取向和修剪技術；
[0018]圖6A至圖6D描述根據本發明一示例性具體實施例要置于晶體生長設備中的種晶用第四示例性種晶取向和修剪技術；
[0019]圖7A至圖7E描述根據本發明一示例性具體實施例可涉及圖7E所示種晶取向所使用的又一示例性修剪技術；
[0020]圖8是根據圖7E所示種晶取向予以配向的兩顆種晶之間所形成邊界和磚面的少數載子壽命掃描；
[0021]圖9是根據本發明示例性具體實施例種晶制造技術描述晶體生長設備中生長硅鑄錠所用方法的流程圖；以及
[0022]圖10是根據本發明示例性具體實施例可用于生長硅鑄錠的示例性晶體生長設備的剖面前視圖。
【具體實施方式】
[0023]定義
[0024]參照底下定義得以最清楚理解本發明:
[0025]除非上下文另有清楚指示，否則說明書和權利要求書中所使用的單數形式「一」和「該」包括復數參考。
[0026]本文所述的「晶體生長設備」意指任何能夠以普遍大于大約1000°C的溫度加熱并且熔化硅等固態原料并且促進所產生熔融原料材料再固化以形成光電(PV)及/或半導體應用所使用單晶硅鑄錠等晶體材料的裝置或設備。
[0027]本文所述的「修剪裝置」是任何能夠將硅精確切割成一或多片片件的裝置。修剪裝置可為例如刀子、自動化鋸子、或任何其它精確切技割有效技術所已知經明確配置的裝置。
[0028]本文所述「方形化裝置」是任何能夠將硅精確方形化成一或多片具有如磚體等方形剖面形狀的片件的裝置。方形化裝置可為經明確配置用以方形化硅晶錠的例如自動化電腦輔助制造機器或鋸子。
[0029]本文所述的「表面片件」是薄切自圓柱狀晶錠的半圓柱狀片件，有時稱為圓柱狀節片(cylindrical segment)。這些表面片件包括起源于晶錠遭到切割、薄切、或在某些實例中甚至遭到截割(sect1n)之前一部分原始圓柱狀晶錠表面的至少一表面。這些表面片件較佳是典型方形化工藝期間方形化晶錠所致的殘余片件。然而，也可在晶錠已截割之前或之后以個別基礎從晶錠移除殘留片件。因此，本發明的描述性具體實施例不局限于此。
[0030]詳細說明
[0031]下文參照【附圖說明】的是本發明的較佳具體實施例，其中，相稱的元件符號代表相同或類似的元件。
[0032]本發明涉及方向性固化工藝坩禍中生長硅鑄錠的系統及方法。如上所述，單一晶體種晶覆瓦(多顆種晶)置于硅鑄錠生產用坩禍(例如，鑄造坩禍)底部層件中。接著將硅原料加載在種晶頂部并且予以由上往下熔化。一旦熔化物觸及種晶頂部，工藝即轉移到方向性固化階段。種晶塊體(bulk)大部分在整個鑄造程序維持固態(或主要呈固態)并且作用為熔融原料結晶用模板。由于生長(熔化物固化)起于種晶表面，因此種晶的晶體結構在整個遍及所形成鑄錠重復。
[0033]透過上述工藝用于生產一單晶硅鑄錠僅種晶的總成本目前大約每個鑄錠2000至10000美元。此成本因制備種晶所用材料價值而高。尤其是，種晶切割自磚體，其中，晶圓已經薄切自該磚體。因此，藉由降低種晶成本降低各單獨鑄錠總成本同時又考慮次晶粒邊界形成的工藝將極有助于整體產業。
[0034]本發明的示例性具體實施例包括藉由降低生長鑄錠所用種晶成本用于降低硅鑄錠生產總成本的系統及方法。更具體地說，硅鑄錠生長制造相關成本藉由利用薄切自晶錠的一或多片表面片件而予以降低。這些表面片件可為硅磚制造程序期間方形化晶錠所致或者可在晶錠上以特殊取向涉及多個節點自圓柱狀硅晶錠四面中任一面予以單獨薄切的殘余片件。如上所述，由于表面片件包括一部分圓柱表面，因此各片件在最初薄切自晶錠時都應該具有一曲狀表面以及三扁平表面。例如，圖1描述已自圓柱狀晶錠