CN101631900A - 形成晶体的***和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于产生晶体的***，所述晶体由具有杂质的材料形成，该***具有用于容纳该材料的坩埚。其中，坩埚具有用于形成晶体的晶体区域、用于接收材料的引入区域和用于去除一部分材料的去除区域。该坩埚被构造成产生材料(液体形式)从引入区域向去除区域的基本单方向的流动。该基本单方向的流动使得去除区域具有比引入区域更高的杂质浓度。

Description

形成晶体的***和方法

优先权

本专利申请要求2006年12月6日提交的、名称为“UTILIZINGLOWER PURITY FEEDSTOCK IN SEMICONDUCTOR RIBBONGROWTH”、发明人为David Harvey、Emanuel Michael Sachs、RichardLee Wallace Jr.和Weidong Huang的美国临时专利申请第60/873,177号的优先权，在此以引用的方式将其全部公开内容并入本文。

本专利申请还要求2007年4月6日提交的、名称为“UTILIZINGLOWER PURITY FEEDSTOCK IN SEMICONDUCTOR RIBBONGROWTH”、发明人为David Harvey、Emanuel Michael Sachs、RichardLee Wallace Jr.和Weidong Huang的美国临时专利申请第60/922,355号的优先权，在此以引用的方式将其全部公开内容并入本文。

本专利申请还要求2007年4月27日提交的、发明名称为“SYSTEMAND METHOD OF FORMING A CRYSTAL”、发明人为David Harvey、Emanuel Michael Sachs、Richard Lee Wallace Jr.、Leo van Glabbeek和Weidong Huang的美国临时专利申请第11/741,372号的优先权，在此以引用的方式将其全部公开内容并入本文。

技术领域

本发明总体涉及晶体生长，更具体地，本发明涉及促进晶体生长过程的***和方法。

背景技术

硅晶片形成了各式各样的如太阳能电池、集成电路和MEMS器件的半导体器件的构建块。这些器件经常具有变化的载流子寿命，这影响器件的性能。例如，具有较高载流子寿命的硅基太阳能电池可以比具有较低载流子寿命的硅基太阳能电池更有效地以更高效率将太阳能转换成电能。器件的载流子寿命通常是形成器件的硅晶片中杂质浓度的函数。效率较高的器件因此经常由具有较低的杂质浓度的硅晶片形成。

然而，硅晶片的杂质浓度通常取决于形成该硅晶片的硅原材料中的杂质浓度。不理想的是，具有较低的杂质浓度的硅原材料通常比具有较高的杂质浓度的硅原材料更昂贵。因此，在本领域中不增加生产成本通常无法生产出效率较高的器件。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，一种用于产生晶体的***，所述晶体由具有杂质的材料形成，所述***具有用于容纳该材料的坩埚。其中，该坩埚具有用于形成晶体的晶体区域、用于接收材料的引入区域和用于去除一部分材料的去除区域。该坩埚被构造成产生材料(液体形式)从引入区域向去除区域的基本单方向的流动。该基本单方向的流动使得去除区域具有比引入区域更高的杂质浓度。

坩埚的一些实施方式具有狭窄的端部，该狭窄的端部容纳至少一部分去除区域。坩埚的其他实施方式具有带有长度尺寸和宽度尺寸的细长形状。晶体区域可以沿着长度尺寸位于引入区域和去除区域之间。另外，长度尺寸可以是宽度尺寸的至少三倍。此外，坩埚说明性地被构造成沿长度方向基本单方向的向去除区域引导材料流动。

去除区域可以采用许多不同的方式中的任一种来去除材料。例如，去除区域可以具有用于去除一部分材料的去除端口，该去除端口与晶体区域间隔开。因此***可以具有用于促使材料通过去除端口的压力源，或依靠重力进料。为了接收去除的材料，该***还可以具有与去除端口联接的容器。做为选择，或另外地，该***也可以具有穿过去除区域的用于去除材料的吸液芯(wick)。

坩埚可以被构造成使得材料具有从引入区域向去除区域基本增加的杂质量。例如，基本单方向的流动可以使去除区域具有比晶体区域中的平均杂质浓度更高的杂质浓度。

在一些实施方式中，坩埚是基本平坦的并通过表面张力容纳材料。此外，坩埚可以被构造成使材料在晶体区域内或者紧接晶体区域的区域中基本没有旋转流动。也可以预期，各种实施方式可用来生长多个晶体。在该情况下，晶体区域包括许多用于生长多个晶体的晶体子区域。

根据本发明的另一个实施方式，一种制造晶体的方法将材料添加到坩埚的引入区域中。以类似于上面所讨论的坩埚的方式，该坩埚同样具有晶体区域和去除区域。该方法然后使材料在去除区域的方向以基本单方向的方式流动。至少一些杂质随单方向的流动而流动到去除区域。该方法还从去除区域去除一部分材料。

根据本发明的另一个实施方式，一种拉带***，用于制造由具有杂质的硅形成的带晶体(ribbon crystal)，所述拉带***包括用于容纳液体硅的坩埚。以上述那些实施方式的方式，坩埚具有用于形成晶体的晶体区域、用于接收硅的引入区域和用于去除一部分液体形式的硅的去除区域。坩埚被构造成产生材料从引入区域向去除区域的基本单方向的硅(液体形式)流动。该基本单方向的流动使得去除区域具有比引入区域更高的杂质浓度。

根据本发明的另一个实施方式，一种用于制造带晶体的***，所述带晶体由具有杂质的材料形成，所述***具有用于容纳该材料的坩埚。这些坩埚还具有用于形成晶体的晶体区域、用于接收材料的引入区域和用于去除一部分材料的去除区域。坩埚被构造成使得基本大多数的材料基本直接地从引入区域向去除区域流动。该流动使得去除区域具有比引入区域更高的杂质浓度。

附图说明

本领域技术人员应当可以从下述参照以下概述的附图讨论的“具体实施方式”的描述中更充分地理解本发明的各种实施方式的优点。

图1示意性地示出可以实施本发明的说明性实施方式的硅带晶体生长炉。

图2示意性地示出图1中所示的晶体生长炉的局部剖视图。

图3A示意性地示出根据本发明的说明性实施方式构造的坩埚。

图3B示意性地示出容纳液体硅并生长多个硅带晶片的坩埚的实施方式。

图4以曲线图示出坩埚的熔融材料中的杂质浓度的示例。

图5示意性地示出如图3B中所示的坩埚的剖面图。

图6示意性地示出图3A中所示的坩埚的一部分的纵向剖视图。

图7A示意性地示出坩埚的出口端口和根据本发明第一实施方式的用于使熔融物质倾倒的装置的局部剖视图。

图7B示意性地示出坩埚的出口端口和根据本发明第二实施方式的用于使熔融物质倾倒的装置的局部剖视图。

图7C示意性地示出坩埚的出口端口和根据本发明第三实施方式的用于使熔融物质倾倒的装置的局部剖视图。

图7D和7E示意性地示出根据本发明第四实施方式的用于使熔融物质倾倒的装置的局部剖视图。

图8示出根据本发明的说明性实施方式的熔融物质倾倒的方法。

图9示意性地示出根据本发明的替换实施方式的具有狭窄端部的坩埚的顶视图。

图10A、10B和10C示意性地示出坩埚的三个另外的替代实施方式的平面图。

具体实施方式

在说明性实施方式中，晶体生长***具有坩埚，该坩埚被构造成由质量较低的原材料来制造质量较高的晶体。因此，该***会降低晶体生产成本，相应地降低由这些晶体形成的器件的成本。

为此，该坩埚具有去除区域，用于通过基本单方向的流动选择性地去除被冲刷到该去除区域的杂质较高的熔融材料。更具体地说，该流动使得材料中的许多杂质(随着材料的流动)从坩埚的上游区域向去除区域流动。使用硅熔融物质的试验已经表明，该流动使杂质积聚在去除区域。

从去除区域去除材料具有从坩埚中去除杂质的净效应，因此能够使该***制造具有较低杂质浓度的晶体。下面论述说明性实施方式的细节。

图1示意性地示出可以实施本发明的说明性实施方式的硅带晶体生长炉10。其中，炉10具有形成密封内部的外壳12，该密封内部基本没有氧(以防止燃烧)。该内部具有一定浓度的不是氧的比如氩的另一种气体或混合气体。其中，该外壳内部还容纳坩埚14及其他部件(其中一些在下面论述)，用于基本同时生长四个硅带晶体32。带晶体32可以是各种晶体类型中的任一种，比如多种晶的、单晶的、复晶的、微晶的或半晶体的。外壳12中的进料口18提供了用于将硅原材料引导到内部坩埚14中的装置，同时，可选的窗口16使得能够对内部的部件进行检查。

应当注意的是，硅带晶体32的讨论是说明性的，不用来限制本发明的所有实施方式。例如，晶体可以由除了硅以外的材料或者硅和其它材料的结合形成。作为另一个实例，说明性实施方式可以形成非带晶体。

图2示意性地示出图1中所示的晶体生长炉10的局部剖视图。其中，该视图示出上述坩埚14，该坩埚14支撑在外壳12中的内部平台20上，并具有基本平坦的顶表面。如图3A所示，坩埚14的该实施方式具有细长形状，具有沿其长度并排设置的用于生长硅带晶体32的区域。

在说明性实施例中，坩埚14由石墨制成并被电阻加热到能够将硅维持在其熔点以上的温度。为了改善结果，坩埚14具有远大于其宽度的长度。例如，坩埚14的长度可以是其宽度的三倍或更多倍。当然，在某些实施方式中，坩埚14不是这样细长的。例如，坩埚14可以具有大致正方形的形状，或非矩形的形状。为简单起见，坩埚的所有实施方式通过附图标记14表示。

可以认为坩埚14具有三个独立但连接的区域：也就是，1)用于从外壳进料口18接收硅原材料的引入区域22；2)用于生长四个带晶体32的晶体区域24；和3)用于去除由坩埚14容纳的一部分熔融硅(即，进行倾倒操作)的去除区域26。在所示的实施方式中，去除区域26具有用于使硅去除的端口34。然而，如在下面详细描述的，其他实施方式不具有这种端口34。

晶体区域24可被认为形成四个独立的晶体子区域，每个所述晶体子区域生长单个带晶体32。为此，每个晶体子区域具有一对线孔28，用于分别接收最终形成生长硅带晶体32的边缘区域的两个高温线。此外，每个子区域还可被认为通过一对可选的流动控制脊30限定。因此，每个子区域具有一对形成其边界的脊30、和一对用于接收线的线孔28。如图中所示，中间的晶体子区域与相邻的晶体子区域共享脊30。此外，除了分开晶体子区域之外，脊30还阻止了对熔融硅流动的一定程度的流体阻力，从而提供用于控制流体沿坩埚14流动的装置。

以类似于本发明的其他方面的方式，四个晶体子区域的讨论仅是一种实施方式。本发明的各个方面能够被用于具有少于四个晶体子区域(例如，一个、二个或三个子区域)或大于四个晶体子区域的坩埚14，因此，一个晶体子区域的讨论仅用于说明性的目的，不用来限制所有的实施方式。以类似的方式，多于一个的带晶体32的讨论是一种实施方式。一些实施方式仅仅应用于生长单个带晶体32的***。

图3B示意性地示出具有浅周壁31的坩埚14的实施方式。另外，该图示出容纳液体硅并生长四个硅带晶体32的该坩埚14的实施方式。如图所示，最靠近引入区域22的晶体子区域称为第一子区域，生长“带3”，而第二子区域生长“带2”。第三子区域生长“带1”，最靠近去除区域26的第四子区域生长“带0”。如本领域技术人员所知的，连续的硅带晶体生长可以由在坩埚14中穿过线孔28引入两条高温材料线来实施。该线稳定了生长带晶体32的边缘，并且如上所述，最终形成生长硅带晶体32的边缘区域。

如图3B所示，被向上拉的熔融硅与线和在正好高于熔融硅的顶表面上存在的凝固带晶体32相结合。在这个位置(称为“界面”)，固体带晶体32通常从其晶体结构中排出一部分杂质。其中，这种杂质可以包括铁、碳、钨和铁。杂质因而被排回到熔融硅中，因此增加了晶体区域24内的杂质浓度。在该过程中，每个带晶体32优选以极低的速率从熔融硅中被拉出。例如，每个带晶体32可以利用每分钟约一英寸的速率从熔融硅中被拉出。

根据本发明的说明性实施方式，坩埚14被构造成使熔融硅以极低的速率从引入区域22向去除区域26流动。如果该流动速率太高，生长晶体可能以不理想的方式不理想地生长，因而有用性减小。这种低流动性使得熔融硅内的一部分杂质，包括由生长晶体排出的那些杂质，从晶体区域24向去除区域26流动。

几个因素对熔融硅向去除区域26的流动速率有贡献。这些因素中每一个因素都涉及向坩埚14添加硅或从坩埚14去除硅。具体地说，这些因素中的第一个因素完全是由线通过熔融物质的向上的物理运动所引起的硅去除。例如，四个带晶体32以每分钟1英寸的速率去除，其中每个带晶体32具有大约三英寸的宽度和在大约190微米到大约300微米之间的厚度，每分钟去除大约3克熔融硅。影响流动速率的这些因素中的第二个因素是从去除区域26选择性去除/倾倒熔融硅。

因此，为了维持基本恒定的熔融物质高度，***作为坩埚14中期望的熔融物质高度的函数来添加新的硅原材料。为此，其中，该***可以检测出坩埚14的电阻变化，所述电阻是坩锅中容纳的熔融物质的函数。因此，在必要时，***可以根据坩埚14的电阻向坩埚14中添加新的硅原材料。例如，在某些实施中，熔融物质高度通常可以通过约每一秒添加一个具有大约几毫米的直径的大致球形的硅块来维持。例如，参见下列美国专利(以引用的方式将其全部公开内容并入本文)中关于向坩埚14中添加硅原材料并保持熔融物质高度的附加信息：

·US6,090,199

·US6,200,383，和

·US6,217,649.

因此，坩埚14内的熔融硅的流动速率由该基本连续的/间歇的向坩埚14填加硅和从坩埚14去除硅所引起。可以预期的是，在适当的低流动速率下，坩埚14的各种实施方式的几何结构和形状将使得熔融硅通过基本单方向的流动向去除区域26流动。通过具有该基本单方向的流动，基本大多数的熔融硅(基本全部的熔融硅)直接向去除区域26流动。

在以这种方式流动时，一些熔融硅将会接触生长带晶体32非常薄的侧面。如上所述，在说明性实施方式中，带晶体32的该薄侧面可以在约190微米和300微米之间。在一些实施方式中，带晶体32可以具有薄如约60微米的部分。因此，由带晶体32的侧面所引起的流动阻力相对于硅向去除区域26的流动来说基本应该忽略。然而，该阻力可以引起熔融硅在不指向去除区域26的方向上的一些非常小的、可忽略的局部流动。然而可以预期，熔融硅会平稳地流过该点，且不引起杂质在除了向去除区域26之外的任何方向上有显著运动。事实上，由于它们的薄外形，生长的带晶体32实际上可被认为是象翅片(fins)一样起作用，以确保/促进向去除区域26的基本单方向的流体流动。

如上所述，坩埚14可以具有其他用于产生对熔融硅的流动的阻力的装置；即，在所示的实施方式中，多个脊30分隔开晶体区域24的不同子区域。与生长带晶体32的侧面相似，同样期望这些脊30引起熔融硅在不指向去除区域26的方向上的可忽略的局部流动。换句话说，以类似于生长的带晶体32的侧面的方式，这些脊30可以产生一般垂直于整个流体流动方向的基本可忽略的局部流动。尽管如此，在本实施例中，在低流动速率的条件下，基本大多数的硅还是以基本单方向的方式向去除区域26并一般平行于坩埚14的纵轴流动。该现象可以通过在去除区域26杂质浓度的增加证明，尤其是在当与晶体区域24和引入区域22中的杂质浓度比较时。

换句话说，尽管有一些可以忽略的局部流体湍流，穿过坩埚14的一些实施方式的顶面的熔融硅流具有向去除区域26的基本单方向的流体流动。这与一些现有技术的***不同，所述现有技术的***使得大量熔融硅在晶体区域24内或紧接晶体区域24的区域中以基本环形或其他的旋转运动方式循环。不同于那些现有技术的***，在说明性实施方式中的如上所述的可忽略的局部硅流动应该对性能无显著影响，因此不改变向去除区域26的基本单方向的流体流动的性质。

作为该基本单方向流动的结果，熔融硅中的杂质浓度通常在引入区域22和去除区域26之间增加。该增加在一些区域中比在其它区域中更高。图4以曲线图示出该关系的示例。具体来说，在引入区域22中杂质浓度基本恒定。由于上述的在晶体生长界面的杂质排出，在晶体区域24中杂质浓度提高。这种排出在本领域中也称为“偏析”。浓度通常在去除区域26中稳定到较高的基本恒定的浓度。期望在去除区域26中该较高的浓度大于晶体区域24的平均浓度。另外，还期望该较高的浓度大于在引入区域22的任何部分中的浓度。

如图所示，杂质浓度仅仅在晶体区域24内改变。因此，晶体区域24的大体下游端(从流体流动的角度来看)具有与去除区域26的杂质浓度基本相同的杂质浓度。以类似方式，晶体区域24的大体上游端具有与引入区域22的杂质浓度基本相同的杂质浓度。然而，这种表示仅仅是一个实施例的概括的理想表示。实际上，实际的杂质浓度能够在所有区域中在一定程度上变化。

晶体区域24中的变化的杂质浓度影响四个生长带晶体32中每一个的杂质浓度。具体地，通常期望最接近引入区域22的带晶体32具有比较靠近去除区域26的带晶体更少的杂质。事实上，单个带晶体32的杂质浓度可以由于这种分布而变化。一些实施方式实际上可以通过去除许多杂质的去除区域26生长带晶体32。这种实施方式可以使用或可以不使用去除端口34。

坩埚14可以通过许多不同方式中的任何一种容纳熔融硅。在说明性实施方式中，坩埚14的顶面基本是平坦的，没有侧壁31(例如图3A)。因此，熔融硅的表面张力基本使坩埚14容纳硅。图5通过示出沿着坩埚14的宽度的坩埚14剖面图来说明此。该图还示出生长带晶体32的侧面。应当注意到，以类似于其他图的方式。图5是示意图，因此其尺寸未按比例绘制。

然而，坩埚14的其他实施方式可以具有不同高度的周壁31(例如，参见图3B)。因此，基本平坦的或平的坩埚14或者具有壁31的一个坩埚的讨论仅仅用于说明的目的，并不用来限制本发明的许多其他的实施方式。

为了说明各个说明性实施方式的细节，图6示意性地示出从去除区域26到仅过第一线孔28的一点的图3A中的坩埚14的一部分长度的剖视图。在该实施方式中，坩埚14具有去除端口34，该去除端口34在坩埚14的顶面平面中具有较大的内部尺寸。然而，该内部尺寸到具有极小内部尺寸的通道会聚成基本截头圆锥体的形状。该形状有效地作为用于去除待倾倒的熔融硅的漏斗。

去除端口34的底部说明性地具有毛细作用保持功能部件36，该毛细作用保持功能部件36使熔融硅的表面张力来平衡重力。如在下文中所更加详细的讨论的，熔融硅可以通过使用真空、差压或其它装置被强制离开去除端口34。然而，在某些实施方式中，依赖孔径、流动、及其他功能部件，熔融硅可以在无辅助的情况下离开去除端口34。做为选择，去除端口34的内部尺寸可以足够大以使重力同样在无辅助的情况下能够去除熔融硅(例如，在无真空的情况下)。例如，在重力去除***中，熔融硅可以形成小滴，该小滴在达到临界尺寸/质量之后与去除端口34分离。该小滴的尺寸可以根据用于熔融物质的材料种类和去除端口34的尺寸来控制。

图6更具体地示出坩埚14的许多其他功能部件，比如稍微突出到坩埚14的表面上方的脊30、以及所述的线孔28。以类似于去除端口34的方式，线孔28具有同样提供类似的毛细作用保持功能部件36的内部尺寸，从而用作有效封闭。另外，图6中示出的坩埚14还具有塞孔38，该塞孔38有助于控制坩埚14的温度。为此，根据期望的温度，可从塞孔38增加和/或去除绝热件。

说明性实施方式能够使用许多不同的从去除区域26去除熔融硅的技术。一个上述的这种技术包括通过去除区域26生长牺牲带晶体32。图7A到7E示意性地示出可用来从去除区域26去除高杂质熔融硅的各种其他技术。这些技术中的每一个可以单独使用或与其他技术共同使用。应当注意到，这些技术的讨论不用来暗示没有其他能用于去除熔融硅的技术。实际上，本发明的各个实施方式可以使用其他用于从去除区域26去除硅的技术。

图7A示意性地示出一种装置，该装置向去除端口34的顶部提供小的正压力，用于从去除区域26去除熔融硅。为此，该装置具有环管(collar)40，该环管40具有设置在去除端口34的顶部上方的开口端和密封的相对端。该密封端具有用于接收压缩气体比如氩气的管42，用于向去除端口34输送正压力。该装置可以是活动的或固定的。

***还具有可去除的接收器44，该接收器44结合在去除端口34的底部周围用于接收去除的/倾倒的熔融硅。该接收器44可以位于外壳12之内、位于外壳12的外部、或部分地位于外壳12之内。在说明性实施方式中，接收器44是水冷的并且在外壳12的外部。

因此，向去除端口34的顶部施加正压力产生压力差，该压力差强制熔融硅小滴从去除端口34到达接收器44中。每个小滴的尺寸由去除端口的内部尺寸和熔融硅的密度和表面张力控制。例如，具有4毫米的基本为圆形的内部尺寸的去除端口34可以产生质量约0.9克的小滴。

不是正压力或除正压力之外，一些实施方式从去除端口34的底部施加小的真空(例如在大气压力以下约800Pa)(即负压)。为此，图7B示意性地示出向去除端口34的出口部施加真空的接收器44。本实施方式的接收器44可以类似于上述关于图7A所讨论的接收器，但是具有额外的真空连接(未示出)。在一些实施方式中，包括本文所论述的其他实施方式，激光或光电传感器能够被设置在炉10的外面以测定小滴已经分离的时间。这能够控制真空度和小滴的逐渐收回。例如，一滴熔融物质可以通过在约800毫秒内突升到约6iwc(英寸水柱)的真空度、并在200毫秒内下降到约0而被抽取出来。试验已经证明，使用自动定时程序可以抽取出十二个单个的可控滴。

图7C示意性地示出不需要毛细作用保持的另一个实施方式。不同的是，该实施方式选择性地冻结(即固化)和解冻熔融硅滴以计量通过去除端口34的流体流动。为此，该实施方式具有用于输送冷却去除端口34的气体喷流的管46。例如，气体喷流可以选择性地向去除端口34输送氩气。该实施方式也可以具有用于接收丢弃的硅的接收器44。接收器44可以是类似于上述关于图7A和7B所讨论的那些接收器。

图7D和7E示意性地示出又一个用于从去除区域26去除杂质的技术。不同于上面所讨论的技术，该技术并不需要去除端口34。不同的是，该实施方式使用吸液芯(wick)48来去除硅内的杂质。为此，该实施方式具有吸液芯组件49，该吸液芯组件49经过吸液芯48，该吸液芯48通过坩埚14中的熔融硅。图7D示意性地示出具有吸液芯组件49的炉10的剖视图，而图7E示意性地示出闭合在外壳12之内的吸液芯组件49。

在该实施方式中，吸液芯48可以由类似于用于形成带晶体32的线的材料的材料来形成。具体地，吸液芯48可以缠绕在线轴51上，吸液芯48从该线轴51上被去除并被引导向坩埚14。电机50比如直流电步进电机将吸液芯48从线轴51拉到枢轴臂52，该枢轴臂52将吸液芯48再引向坩埚14。第二电动机54或类似的枢转装置控制臂52上的枢转运动。吸液芯48通过导引构件56A经过坩埚14，该导引构件56A从坩埚14的去除区域26向上延伸。

在吸液芯48穿过熔融硅之后，硅冻结/粘附到吸液芯48的外表面。具体地说，为了从熔融硅中去除杂质，吸液芯48能够穿过熔融硅的表面或者穿过熔融硅的较深部分。一对机动辊58强制覆盖在吸液芯48的硅向其能够被丢弃的外部位置运动。

在说明性实施方式中，吸液芯组件49具有通常在主外壳12外部的吸液芯外壳60。该吸液芯外壳60容纳吸液芯组件49的各个部分，比如辊58、第二电机54和从线轴51(部分示出)引导吸液芯48的另一个导引构件(未示出)。以类似于主外壳12的内部的方式，该外壳60同样可以是基本无氧的并填充有一些替代气体比如氩。密封件62可为两个外壳12和60之间的吸液芯48提供密封接口。

在替代实施方式中，吸液芯48采取除线以外的形式。例如，吸液芯48可以是管、带晶体、线的湿段或多孔或湿润的材料。替代实施方式可以使吸液芯48以与图7D和7E中示出的方式相同的方式或不同的方式接触熔融硅。

如上所述，能够利用其他技术从坩埚14中去除熔融硅。例如，可以通过温度波动的方式使硅离开坩埚14。因此，各种硅去除技术的讨论是对于那些具体的实施方式的讨论。

安装以后，***主要以基本连续的方式制造硅带晶体32。图8示出根据本发明的说明性实施方式形成硅带晶体32的简化方法。该方法中的每个步骤可以连续地、基本同时地、和/或在不同的时间以不同的顺序实施。因此，应该注意到，图8示出的平行实施的每个步骤，仅仅是一种实施方式。

具体地说，步骤800将硅原材料通过炉外壳12中的进料口18周期性地添加到坩埚14中。如上所述，该硅原材料可以具有比其它的原材料更高的杂质浓度。尽管如此，说明性实施方式允许使用这种原材料制造杂质浓度较低的硅带晶体32。说明性实施方式可以通过任何传统装置比如利用移动带将硅原材料传送地移动到进料口18中。可以将以任何传统的形式比如以颗粒、片、或完全压碎的材料的形式的硅原材料添加到进料口18中。在其他的实施方式中，将以液体形式的硅原材料添加到进料口18中。

步骤802通过使线通过坩埚14中的线孔28以传统的方式简单地形成单晶或多晶态的硅带晶体32。步骤804以如上所述的方式周期性地从去除区域26去除熔融硅。在替代实施方式中，***从去除区域26去除固体硅而不是从去除区域26去除熔融硅。应当注意到，虽然硅的添加和倾倒被认为是“周期性的”，但这种步骤可以通过规定间隔实施，或根据“需要”间歇地实施。

上面所讨论的实施方式将坩埚14描述为具有基本矩形的细长形状。在替代实施方式中，坩埚14可以采取一些其他非矩形的、非细长的、或既非矩形的又非细长的形状。图9示意性地示出一个这种实施方式，其中坩埚14具有相对宽的引入区域22，但是会聚成包含去除区域26的狭窄端部。坩埚14的该实施方式具有许多与上面所讨论的坩埚14类似的功能部件，例如线孔28、四个晶体子区域和流动控制脊30。由于其形状和预期的流动速率，基本大多数的熔融硅的流动通常将向去除区域26会聚。

图9中示出的坩埚14的形状和构造仅仅是各式各样的形状之一并可被使用。可以使用其他不规则形状或规则形状的坩埚14。在此情况下，坩埚14的几何结构和形状结合其他的考虑比如熔融硅的预期流动速率，促进了向去除区域26的基本单方向流动。

在本发明的一些其它实施方式中，坩埚14可以是细长但弯曲的。在该情况下，如果基本大多数的熔融硅沿着这种坩埚14的外边界，熔融硅可以被认为是在以基本单方向的方式流动。因此，例如，虽然硅可以通过弧形方式运动，但是如果基本大多数的硅基本沿着坩埚14的弯曲和轮廓方向，这种材料流动仍被认为是基本单方向的。

图10A到10C示意性地示出基本在坩埚的中心具有去除区域26的一种类型的坩埚14的各种实施方式。具体来说，在这些图中所示的实施方式中，炉10被构造成提供用于将硅原材料添加到坩埚14中的一个或多个区域。例如，根据图10A，图中示出基本圆形的坩埚14，利用时钟时间位置作为参考，在十二点钟位置、三点钟位置、六点钟位置和九点钟位置(或一些相似的间隔区域)添加硅原材料。因此，引入区域22被认为是一种环形形状区域(即形状像圈饼)，在坩埚14的顶面外接边缘具有四个进料口区域。引入区域22的内径明显比去除区域26的内径大得多。

以类似于引入区域22的方式，晶体区域24同样是坩埚14的环形形状区域，该晶体区域24沿径向在引入区域22和去除区域26之间。晶体区域24的内径因此小于引入区域22的内径。以与图3A中所示的坩埚14的实施方式相似的方式，坩埚14的这些实施方式因而使晶体区域24沿径向位于引入区域22和去除区域26之间。这样，出于与如上所述的关于图3A的坩埚14的相同原因，坩埚14的该实施方式也被构造成使得基本大多数的材料基本直接地从引入区域22向去除区域26流动。在这些实施方式中，基本大多数的熔融硅向去除区域26会聚流动；也就是说，在这种情况下，向坩埚14的大致中心会聚流动。这种实施方式未提供基本单方向的流动。因此，该流体流动应该使得一部分杂质随向去除区域26流动的硅移动。这应该有利地引起去除区域26中杂质浓度的增加。

同样以类似于图3A中所示的坩埚14的方式，该实施方式应该不会使熔融硅以圆形的方式流动。相反，熔融硅从坩埚14的外径向去除区域26沿径向基本线性地流动。

如上所述，在该实施方式中的坩埚14的形状可以变化。例如，图10A示出圆形形状的坩埚14，而图10B示出椭圆形形状的坩埚14。作为又另一个示例，图10C示出矩形形状的坩埚14。当然，该实施方式的坩埚14可以采取其他未示出的形状，比如八角形形状或一些不规则的形状。如果该实施方式的坩埚14的形状是不对称的，那么去除区域26可以在某个大致中央的位置。

通过说明性实施方式制造的硅晶体可以用作各式各样的半导体产品的基底。其中，例如，带晶体32可以被切割成形成高效率的太阳能电池的晶片。

因此，各种实施方式有效地从坩埚14的晶体区域24冲刷出许多杂质。与1)引入区域22的杂质浓度和2)晶体区域24的平均杂质浓度相比，该冲刷使得杂质在去除区域26中以相对高的浓度积聚。因此本发明的各种实施方式有助于由较便宜的、杂质较高的原材料制造高质量(即具有较低的杂质浓度)的晶体。因此，各种高效的半导体器件可以利用较低的成本制造。

尽管上述讨论公开了本发明的各种示例性实施方式，但应该理解，本领域技术人员能够进行实现本发明的一些优点的各种修改，而不背离本发明真实的保护范围。

Claims (40)

1.一种用于产生晶体的***，所述晶体由具有杂质的材料形成，该***包括：

坩埚，用于容纳所述材料并具有用于形成所述晶体的晶体区域、用于接收所述材料的引入区域和用于去除一部分所述材料的去除区域，

所述坩埚被构造成产生液体形式的所述材料从所述引入区域向所述去除区域的基本单方向的流动，

所述基本单方向的流动使得所述去除区域具有比所述引入区域更高的杂质浓度。

2.如权利要求1所述的***，其中所述坩埚具有带有长度尺寸的细长形状，所述晶体区域沿着所述长度尺寸位于所述引入区域和所述去除区域之间。

3.如权利要求2所述的***，其中所述坩埚具有宽度尺寸，所述长度尺寸是所述宽度尺寸的至少三倍。

4.如权利要求1所述的***，其中所述坩埚具有长度尺寸和宽度尺寸，所述坩埚被构造成沿长度方向基本单方向地向去除区域引导所述材料的流动。

5.如权利要求1所述的***，进一步包括穿过所述去除区域的吸液芯。

6.如权利要求1所述的***，其中所述坩埚被构造成使得所述材料具有从所述引入区域向所述去除区域基本增加的所述材料中的杂质量。

7.如权利要求1所述的***，其中所述坩埚被成形为具有狭窄的端部，所述去除区域的至少一部分位于所述狭窄的端部内。

8.如权利要求1所述的***，其中所述材料是硅。

9.如权利要求1所述的***，其中所述晶体是硅带晶体。

10.如权利要求1所述的***，其中所述坩埚被构造成使得所述材料在所述晶体区域内或紧接所述晶体区域的区域中基本没有旋转流动。

11.如权利要求1所述的***，所述晶体区域包括用于生长多个晶体的多个晶体子区域。

12.如权利要求1所述的***，其中所述坩埚是基本平坦的并通过表面张力容纳所述材料。

13.如权利要求1所述的***，进一步包括液体形式的所述材料，所述材料由所述坩埚容纳。

14.如权利要求1所述的***，其中所述去除区域具有用于去除一部分所述材料的去除端口，所述去除端口与所述晶体区域间隔开。

15.如权利要求14所述的***，进一步包括用于促使材料通过所述去除端口的压力源。

16.如权利要求14所述的***，进一步包括与所述去除端口联接的容器，所述容器接纳经由所述端口去除的材料。

17.如权利要求1所述的***，其中所述基本单方向的流动使得所述去除区域具有比所述晶体区域的平均杂质浓度更高的杂质浓度。

18.一种形成晶体的方法，所述方法包括：

将材料添加到坩埚的引入区域，所述坩埚还具有用于产生所述晶体的晶体区域，所述坩埚进一步具有去除区域；

使得所述材料沿所述去除区域的方向以基本单方向的方式流动，至少一些杂质随所述单方向的流动而流动到所述去除区域；和

从所述去除区域去除一部分所述材料。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述晶体区域具有第一杂质浓度，所述去除区域具有第二杂质浓度，所述第二杂质浓度大于所述第一杂质浓度。

20.如权利要求18所述的方法，其中所述材料包括硅并且所述晶体是硅带晶体。

21.如权利要求18所述的方法，其中所述单方向的流动在所述晶体区域内或在紧接所述晶体区域的区域中基本没有旋转流动。

22.如权利要求18所述的方法，其中至少一部分所述材料的去除至少部分地使得所述材料沿所述去除区域的方向以基本单方向的方式流动。

23.如权利要求18所述的方法，其中使得包括至少使用表面张力来容纳所述材料。

24.如权利要求18所述的方法，其中所述晶体区域位于所述引入区域和所述去除区域之间。

25.如权利要求18所述的方法，其中使得包括使所述材料朝所述去除区域沿线性方向以基本单方向的方式流动。

26.一种拉带***，用于产生由具有杂质的硅形成的带晶体，所述***包括：

坩埚，用于容纳液体硅并具有用于形成所述晶体的晶体区域、用于接收硅的引入区域和用于去除一部分液体形式的所述硅的去除区域，

所述坩埚被构造成产生液体形式的所述硅从所述引入区域向所述去除区域的基本单方向的流动，

所述基本单方向的流动使得所述去除区域具有比所述引入区域更高的杂质浓度。

27.如权利要求26所述的***，其中所述坩埚具有带有长度尺寸的细长形状，所述晶体区域沿着所述长度尺寸位于所述引入区域和所述去除区域之间。

28.如权利要求26所述的拉带***，其中所述晶体区域具有多个线孔对。

29.如权利要求26所述的拉带***，其中所述坩埚基本是平坦的并通过表面张力容纳所述硅。

30.如权利要求26所述的拉带***，其中所述晶体区域包括多个用于生长多个晶体的晶体子区域。

31.一种用于产生带晶体的***，所述带晶体由具有杂质的材料形成，所述***包括：

坩埚，用于容纳所述材料并具有用于形成晶体的晶体区域、用于接收所述材料的引入区域和用于去除一部分所述材料的去除区域，

所述坩埚被构造成使得基本所有的材料基本直接地从所述引入区域向所述去除区域流动，

所述流动使得所述去除区域具有比所述引入区域更高的杂质浓度。

32.如权利要求31所述的***，其中所述去除区域位于所述坩埚的大致中心，所述材料的流动被引导向所述坩埚的大致中心。

33.如权利要求31所述的***，其中所述坩埚具有大致矩形的形状。

34.如权利要求31所述的***，其中所述坩埚具有大致圆形的形状或椭圆形的形状。

35.如权利要求31所述的***，其中所述坩埚具有外侧的外接边缘，所述引入区域比所述去除区域更靠近所述外接边缘。

36.如权利要求35所述的***，其中所述晶体区域位于所述引入区域和所述去除区域之间。

37.如权利要求31所述的***，其中所述坩埚具有细长形状，所述坩埚被构造成产生液体形式的所述材料从所述引入区域向所述去除区域的基本单方向的流动。

38.如权利要求31所述的***，其中所述坩埚被构造成使基本大多数的所述材料向所述去除区域会聚。

39.如权利要求31所述的***，其中所述坩锅被构造成使得所述材料在所述晶体区域内或紧接所述晶体区域的区域中基本没有旋转流动。

40.如权利要求31所述的***，其中所述引入区域包括多个引入区域，所述晶体区域包括多个晶体区域，每个引入区域具有相关联的晶体区域。

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