TWI479055B - 用於晶體生長之模具、裝置及方法 - Google Patents

Description

用於晶體生長之模具、裝置及方法

本發明係有關從熔體中生長晶體之裝置、模具及方法。

藍寶石(sapphire)是用於半導體元件技術的重要材料。藍寶石基板具有數項優點，使它們能被廣泛用於一些不適用矽基板的特殊應用，例如在多項應用中有望取代白熾燈和螢光燈的薄膜氮化鎵系發光二極體中，藍寶石基板是最常使用的基板。

不幸的是，藍寶石晶體一尤其是適合切成6英寸的藍寶石基板的大型帶狀藍寶石一通常包含了一些如微孔隙之類的典型缺陷，這些微孔隙會對藍寶石晶體的某些應用產生負面效應。晶體生長過程中微孔隙的數量和分佈係受用於熔化生成藍寶石晶體的三氧化二鋁(Al₂ O₃ )中的雜質所影響。雖然去除三氧化二鋁中的雜質可以提高晶體的品質，但也不可能去除所有的雜質。微孔隙的存在也可透過增加的生長方 向的溫度梯度而加以限制。然而，在晶體熔融固化前沿進行精確的控制並維持足夠大的溫度梯度並不容易，且其常會導致不希望的基本生長速率的限制。

為了某些尚未完全了解的原因，如微孔隙和雜質等缺陷常會集中於靠近晶體的外表面處，這樣的缺陷係透過拋光或研磨掉晶體的整個外表面而去除。這種過程不僅耗時又昂貴，並且浪費了大量的晶體材料，且其限制了基本上不含微孔隙及高濃度雜質的相對無微孔隙的藍寶石基板的大小的產生。

在一模具頂端通道中相鄰且平行於一固/液界面之一熔體的一橫向流可用來幫助移除該橫向流流動方向上如微孔隙和雜質之類的缺陷，因此，在一個從該熔體形成的本體中，例如在一晶體中，此類缺陷的位置是可以被控制的。例如，一流向模具頂端通道外緣的橫向流能使缺陷更集中於晶體的外緣，使得如微孔隙和雜質等皆有相對較高的濃度，如此可以更容易地將缺陷部分去除，而留下晶體中基本上較無缺陷的部分。此外，透過降低在固/液界面的雜質濃度能減少組成過冷(constitutional supercooling)的發生，從而降低最大移植物重量比(G/R ratio)，並能促使更低雜值、更快速的生長。所欲的橫向熔體流動可透過將熔體流動限制在模具頂端的孔洞內一或多個特定區域、以重力驅動流動或以上方式的組合來達成，更進一步的細節詳述如下。

100‧‧‧裝置

102‧‧‧熔融饋料

104‧‧‧坩堝

106、206、324、724、1024‧‧‧毛細管

108、380、780‧‧‧模具

110‧‧‧模具表面

112、612、1012‧‧‧帶狀晶體

114‧‧‧晶種

116‧‧‧彎液面

200、300‧‧‧模板

222、322、722、1022‧‧‧隔板

224、840‧‧‧固/液界面

230‧‧‧箭頭

340‧‧‧模具頂端

350、750‧‧‧模具開口

355‧‧‧模具頂端通道

360‧‧‧正視差

501‧‧‧鉚釘孔

502‧‧‧外緣區域

504‧‧‧腳座

510‧‧‧長度

820‧‧‧距離

930‧‧‧虛線

932‧‧‧線

1025‧‧‧邊角

1030‧‧‧箭頭

1201、1202、1204、1205‧‧‧晶體

通過參考本文附圖，能使本領域的技術人員更清楚地理解本公開說明及其眾多的特徵和優點。

圖1為先前技術中的限邊薄片續填生長法生長裝置之示意圖。

圖2為先前技術中一種用於生長帶狀晶體的模具之示意圖。

圖3為一種具有一模具開口的模具之一實施例之俯視圖。

圖4為模具在圖3中沿4-4線之剖面圖。

圖5為在一實施例中的一模板之示意圖。

圖6為模具在圖3中沿6-6線之剖面圖。

圖7為一種具有一模具開口的模具之另一實施例之俯視圖。

圖8為一隔板之限制通道之局部放大圖。

圖9為在圖8中虛線框部分的一隔板之傾斜上表面的放大圖。

圖10為在另一特定實施例中的隔板的設計之示意圖。

圖11為根據一生長帶狀晶體的示例之流程圖。

圖12為根據一特定實施例生長帶狀晶體的照片。

本文附圖並未按比例繪製。在附圖中，各個附圖中每個相同或幾乎相同的組件是由類似的標號表示。為清楚起見，不是每一個組件在每個圖中皆被標記。

在進入下面的實施例之前，先定義若干術語以增進對本文所述概念的理解。術語“帶狀體(ribbon)”是指使用晶體成型生長技術形成的片狀材料。在使用一模具形成帶狀晶體時，該模具具有一模具開口，其形狀係與使用該模具形成的帶狀晶體的形狀相對應。從俯視圖中可以看出，該模具開口具有一長邊及一寬邊，且寬邊係小於長邊。當提及模具開口內的特徵時，此特徵的長度係在平行於模具開口長邊的方向上測量，而此特徵的寬度係在平行於模具開口寬邊的方向上測量。

當形成帶狀晶體時，模具開口的長度係對應帶狀晶體的寬度，而模具開口的寬度係對應帶狀晶體的厚度，帶狀晶體的長度則是在垂直於帶狀晶體的寬度和厚度的方向上測量。該帶狀晶體之主表面係沿著帶狀晶體的相對側分布，其中，所述之主表面係對應於模具開口的長度。前述主表面可以對應於定位面A面、C面、M面或R面，因此，前述主表面的方向可為前述定位面之一或在偏離前述定位面之一的幾度之內。帶狀晶體的外邊緣係沿著主表面之間的相對側且與模具開口的寬度相對應。

本文所用之術語“包括”、“包含”、“具有”或以上術語之變化，其意在涵蓋非排他性的包含，例如，一包含數項特徵的過程、方法、物件或裝置並不僅限於具有該數項特徵，可能更包含其他未明確列出的特徵或包含該過程、方法、物件或裝置所固有的特徵。此外，除非明確地指 出相反的情況，“或”在本文是指一個包容性的“或”，而非排他性的“或”，例如，條件A或B的成立可被下列任一項所滿足：A為真(或存在)及B為偽(或不存在)、A為偽(或不存在)及B為真(或存在)，以及A及B皆為真(或存在)。

使用“一”或“一個”來描述本文所描述的元件和部件是為了方便，並給本發明的範圍提供一大致的概念。這樣的描述應理解為包括一個或至少一個，且使用單數形時也可包括複數形，反之亦然，除非是明確指示其數量的情況。

除非另有定義，本文所用的所有技術和科學術語與本發明所屬技術領域中的一般技術人員所通常理解的含義相同，所列舉的材料、方法和實施例只是作為本發明的例證，而非意在限制。本文未記載的範圍內，有許多與特定材料及加工過程相關的細節係屬於習用技術，可在教科書及其他與晶體和晶體生長技術相關的資料中找到。

本文所述之實施例主要是針對生長寬而薄的帶狀晶體。一般說來，帶狀晶體可用於製備超過15厘米(6英寸)寬、0.25至1.25厘米(0.10至0.50英寸)厚的單晶基板。對藍寶石而言，標稱寬度可包括15厘米(6英寸)、18厘米(7英寸)、20厘米(8英寸)、25厘米(10英寸)、30厘米(12英寸)或更寬。所取得的實際寬度部份取決於在晶體生長方向上相對於主要表面的晶體晶向、沿模具長邊的溫度梯度的控制部分的取向的晶體之類的條件。實施例係包括能使 這種帶狀晶體更快生長的方法、模具及裝置，同時減少由晶體材料中的微孔隙缺陷所造成的不良影響。在特定實施例中，晶體可以限邊薄片續填生長法(Edge-Defined,Film-Fed Growth,EFG)生長。

在引入符合本文所述概念的實施例之前，先對先前技術中的限邊薄片續填生長法進行說明。如圖1所示，先前技術中的限邊薄片續填生長法使用一裝置100，一晶體係生長自從一坩堝104以毛細作用通過在一模具108中的一個或多個毛細管106輸送至模具108之模具表面110的一熔融饋料102。由模具108所形成之帶狀晶體112的形狀是由模具開口的頂表面之外部或邊緣配置結構所決定。將一晶種114放置在曝露於模具頂端110上之模具開口內的一熔體薄層中(通常稱為彎液面116)，然後拉離，而當晶種被拉離時，熔融的材料便隨之結晶於晶種上。

一個用於形成帶狀晶體112的典型的模具如圖2所示。在圖2中未畫出模具108的前模板，以方便顯示隔板222的設置及熔體流動通過模具108的方式。模具108包括兩個相鄰的矩形模板200，以隔板222將其分隔，使模板200只相隔一個小的距離，通常為0.25至1.25厘米(0.10至0.5英寸)，對應於模具開口的寬度及帶狀晶體的厚度。在圖2中可以看出，隔板222佔模具開口長度的一小部分(在圖2中的水平方向)。這種設置使得坩堝中的熔體流至模具頂端之上表面所須通過的若干位於隔板222之間的毛細管206，其長度相對較長。接著熔體流至模具頂端，並形成一層熔融材料的薄 潤濕層(彎液面116)，其邊界係位於模具頂端的外緣。晶體的生成係發生在熔融材料薄潤濕層之上表面的固/液界面224上，所生成的帶狀晶體112之寬度和厚度約等於模具開口的長度和寬度。因此，帶狀晶體的寬度約等於模板200的長度，而帶狀晶體的厚度約等於隔板222的寬度。

在圖2中的模具中，大部份的熔體流動將於隔板222之間被整直，如圖中之箭頭230所示(指示流動的方向)。只有極少部份的流動是在固/液界面的平行方向上，包含部份覆蓋於隔板222的頂部，及部份從模板200的內緣流向模板200的外表面的橫向流(以使模板頂部的邊緣為彎液面所覆蓋)。如該圖所示。如圖2所示，隔板222的總長度只佔模具開口長度的一小部分(通常小於20%)。長度與於毛細管206對應的模具開口的剩餘部分，可容許熔體垂直流動，因此，固/液界面附近的流動主體係與固/液界面垂直。

如上所述，許多使用此類先前技術的模具生長的晶體，尤其是藍寶石晶體，通常包含一些特徵性的缺陷，如微孔隙和局部區域濃度較高的雜質。如微孔隙和雜質之類的缺陷，相較於分布在晶體內部，更傾向於沿著晶體的外表面分布，包括晶體的主表面和外緣，其原因則尚未完全了解。通常情況下，這樣的缺陷是通過拋光或研磨包括主表面的整個晶體外表面來加以去除。這樣的過程不僅耗時又昂貴，並且浪費大量的晶體材料，同時能生產基本上不含此類缺陷的晶體基板的尺寸也受到限制。

在晶體生長過程中，微孔隙的數量和分佈被認為 是受到生成該晶體的原料中的雜質所影響。去除原料中的雜質能使晶體的質量獲得改善，但要去除所有的雜質是不可能的。如果雜質的濃度夠高，所產生的微孔隙會使晶體變得無法使用。此外，因為原料中的雜質濃度通常為30-50ppm的範圍內，而具有可接受雜質濃度的合格原料和不合格的原料間的差異可能只有幾個ppm，使得除了通過使用該原料生長晶體之外，使用任何其他方法決定一原料是否合格是非常困難的，因此導致了大量的浪費在購買的不合格的原料，並浪費時間和費用去生長不可用的晶體。

在固/液界面的雜質也會限制晶體的生長速度。生長界面出現雜質可能會因為雜質偏析及成分過冷而造成問題。雖然這些問題是可以透過增加沿生長方向的溫度梯度G來加以解決(相對於生長率R)，但要在固化前沿附近準確地控制並維持足夠大的溫度梯度也不容易。

然而，本文所述的實施例使得在先前技術的模具和方法中使用雜質濃度不合格的原料變為可能。雜質可以被移動到模具頂端通道的外緣，而不是遍佈於固化前沿。其結果是，得到的結晶體中的缺陷將集中於沿著晶體的外緣，而不是基本上沿著所有的主表面，使得通過除去帶狀晶體外緣的部分，能更容易地產生基本上不含微孔隙的帶狀晶體。另外，通過降低在固/液界面的雜質濃度，將減少成分過冷的發生，從而降低最大的G/R比，加速晶體生長。

根據一特定的實施例，一種裝置被設置以用來生長一晶體，如一帶狀晶體。一控制晶體生長形狀的模具可包 括至少兩個大致為矩形的模板。例如，合適的模具板可為約15厘米(6英寸)寬，5厘米(2英寸)高，和0.25厘米(0.10英寸)厚。在其它實施例中，其他尺寸的模板可用於生長其它尺寸的帶狀晶體。圖3至6包括一示範性的、非限制性的實施例，以顯示與本文所述概念相合之一特定模具的特徵。

圖3為一模具380的俯視圖，其係包括包括以隔板322分開的模板300，而圖。圖4為模具380在圖3中4-4線的剖視圖。模具380具有一模具開口350，其長邊長度為從圖3左側的垂直線延伸至圖3右側的垂直線；一毛細管324係設置於隔板322之間；毛細管324在模具開口350長邊方向上的長度僅為模具開口350長邊長度的一小部分，模具開口350長邊長度的剩餘部分則由隔板322所佔，而毛細管324的寬度係與隔板322的厚度相同。如圖4之實施例所示，模板300包括向模具開口350方向傾斜的模具頂端340。如圖所示，在模具頂端340具有一基本為平面的傾斜表面。在另一實施例中，模具頂端340具有一個彎曲的表面(如凸面或凹面)或一沿一水平面方向大致平坦的表面上。因此，如圖4中沿模具寬邊的剖視圖所示，模具頂端可以是矩形的、傾斜的或彎曲的。

一包括模具開口350之模具頂端通道355，其中，所述模具頂端通道355具有一與隔板322上表面相對應之底部以及與模板300相對應的側邊，並向上延伸至模具頂端340的最上方。模具頂端340最上方與隔板322最上方之間的正視差360可以是至少0.11厘米(0.043英寸)、至少0.13厘 米(0.05英寸)或至少0.19厘米(0.075英寸)。

圖5為模板300之一之實施例。鉚釘孔501係用來連接模板300與隔板322。腳座504係用於在坩堝中支持模板300，同時在腳座504處之外的模板300底部與坩堝底部維持一空間，以使一熔體能從模具底端進入模具380，並通過毛細作用被汲取至模具頂端通道355。在本實施例中，模具開口350的長度510大致與模板300的長度相同。外緣區域502將與帶狀晶體的外緣相對應，而如微孔隙和局部濃度較高的雜質等缺陷將形成於此處。

圖6為在帶狀晶體612的形成過程中，模具380沿圖3中6-6線的截面圖。圖6顯示在晶體形成過程中，熔體通過毛細管324以及在模具頂端通道355內的流動方式。在帶狀晶體612形成時，透過毛細作用使熔體在毛細管324被向上汲取，並從毛細管324離開而進入模具頂端通道355，其流動大致如圖6中箭頭330所示。

毛細管324只佔模板300長度的一小部分，在熔體往毛細管324垂直流動上的限制，將導致模具頂端通道355內的熔體之橫向流(在與固/液界面平行的方向上)的速度高於熔體在毛細管324內往上流動的速度，更具體地說，當熔體到達毛細管324的頂部，熔體將流過在模具頂端通道355內的隔板322之上表面，從而導致一個流向模具頂端通道355外緣及模具開口350的大的橫向流。熔體在模具頂端通道355內靠近毛細管324處的流動速度係高過(1)熔體在毛細管324中的上流速度，以及(2)熔體在模具頂端通道355內遠離毛 細管324處的流動速度。在本實施例中，相較於在模具開口350中心附近形成的帶狀晶體612主表面，微孔隙及雜質等缺陷將更為集中於靠近帶狀晶體612外緣的部分。

在另一實施例中，在需要時或期望時，晶體缺陷能被集中在一個或多個不同的位置。在又一個實施例中，一個單一的毛細管可位於模具內模具開口350正中心以外的位置。在一個特定的實施例中，如微孔隙及雜質等缺陷，可以集中在晶體外緣以外的位置。圖7為具有一個以上毛細管的另一實施例之示意圖。一隔板722被設置於模板300之間。在本實施例中，毛細管724係位於模具開口750的相對兩端處。當熔體到達毛細管724的頂部時，熔體將流過在模具頂端通道內的隔板722之上表面，從而導致一個從模具開口750的兩端流向模具開口750中心的大的橫向流。熔體在模具頂端通道內靠近毛細管724處的流動速度係高過(1)熔體在毛細管724中的上流速度，以及(2)熔體在模具頂端通道內靠近模具開口750中心處的流動速度。在本實施例中，相較於在模具開口的外緣，微孔隙及雜質等缺陷將更集中於帶狀晶體612靠近模具開口750中心的部分中。因此，相較於晶體的外緣，晶體缺陷可更集中於帶狀晶體的中央帶。在其它實施例中，可使用不同數目或配置的毛細血管，以使缺陷能形成在一個或多個所希望的位置。本文所述之概念亦可擴及晶柱，以控制來自微孔隙及雜質的缺陷之徑向分佈。

圖8為一局部放大圖，用以幫助理解在晶體生長過程中，隔板322的斜率對熔體流動的影響。儘管大部分對 於圖8的說明係導向圖3至6所示之實施例，其概念也適用於其它實施例，例如圖7所示的實施例。如圖8所示之實施例，熔體橫向流的流動速度不僅受到毛細管的大小和位置的影響，也可受到固/液界面840和隔板322上表面間的距離820的影響。位於隔板322上方的模具頂端通道355將熔體的流動限制於流向模具頂端通道355及模具開口的外緣。由於熔體在固/液界面結晶時，熔體材料會被連續不斷地補充，熔體材料的流動在整個晶體生長過程也將持續不斷。

圖9為圖8中虛線框部分的放大圖。在圖8和圖9中，隔板的上表面係被形成並安裝成以遠離前述之一個或多個毛細管的方向向下傾斜，因此，熔體在模具頂端通道內靠近前述之一個或多個毛細管324處向模具頂端通道邊緣的橫向流動速度，可在重力的協助下被進一步提高，以使熔體沿傾斜面向遠離毛細管的方向流動。特別是隔板的上表面可具有一至少為2%的斜率。圖9為傾斜的隔板上表面的放大圖。虛線930為一基本平行於固/液界面的一條水平線的位置。線932為隔板322之上表面的延伸。如圖9所示，隔板322的上表面具有一從水平方向傾斜度約為2%的斜率。

模具頂端通道和模具開口的維度可對晶體的生長產生顯著的影響。上述維度包括模具開口的長度、一個或多個毛細管所佔長度的比例、模具頂端之最高點與隔板之最低點間的正視差、通常與隔板厚度對應的模具開口的寬度、以及隔板上表面的形狀。模具頂端上表面的形狀則如前述。

在特定的實施例中，模具開口的一個或多個毛細 管的總長度不超過模具開口長度的約40%、約30%或約20%，甚至更特別地，所述之一個或多個毛細管的總長度不超過模具開口長度的約5%。在圖3中，毛細管324的長度對應所謂一個或多個毛細管的總長度，而在圖7中，兩個毛細管724的長度總和即為所謂一個或多個毛細管的總長度。在閱讀本說明書後，本領域的技術人員將認識到，圖3中隔板322的總長度及圖7中隔板722的長度至少為模具開口長度的約60%、約70%、約80%、或甚至為模具開口350之長度的約95%。

此外，也可以用面積替換長度，面積的大小則由模具的俯視圖所定義。在特定的實施例中，模具開口的一個或多個毛細管的總面積不超過模具頂端通道面積的約40%、約30%或約20%，甚至更特別地，所述之一個或多個毛細管的總面積不超過模具頂端通道面積的約5%。在圖3中，毛細管324的面積對應所謂一個或多個毛細管的總面積，而在圖7中，兩個毛細管724的面積總和即為所謂一個或多個毛細管的總面積。在閱讀本說明書後，本領域的技術人員將認識到，圖3中隔板322的總面積及圖7中隔板722的面積至少為模具頂端通道面積的約60%、約70%、約80%、或甚至為模具頂端通道355之面積的約95%。

前述之模板的最高點與前述之隔板的最高點間的正視差已描述於前文。對於一個給定的模具開口寬度，如果正視差太小，熔體的流動可能會被過分約束。在這種情況下，熔體(以及晶體)將無法填充整個模具頂端通道，而帶 狀晶體的寬度也無法對應模具開口的長度。如果正視差過大，在模具頂端通道內的熔體流動可能會太低，缺陷將沿著一較大範圍的固化前沿形成，這意味著在遠離一或多個毛細管的位置處將具有更高的缺陷密度。

隔板的厚度會影響所形成的帶狀晶體的厚度，帶狀晶體的厚度一般是與隔板的厚度相同。帶狀晶體的厚度通常是由根據特定應用的目的來決定，因此可根據需求客製化。儘管如此，隔板的厚度也會影響模具頂端通道的寬度。在一實施例中，隔板的厚度可為至少0.25、至少0.50厘米或至少0.75厘米；在另一實施例中，隔板的厚度可為不超過1.5厘米、不超過1.4厘米，或不超過1.3厘米；而在其它實施例中，隔板的厚度可較前述之特定厚度薄或厚，例如，由於更寬的帶狀藍寶石可以被製造，此帶狀藍寶石的厚度也可被增加，以提供該帶狀藍寶石足夠的機械支撐。

如前所述，一隔板的上表面可從一水平面以至少2°的角度傾斜。在另一實施例中，傾斜的角度可以是至少4°、6°或8°。如果斜率過大，熔體流速沿模具開口長邊的變化可能變得過大，意即熔體在接近毛細管處將更加停滯，並將允許微孔隙和雜質等缺陷，更集中於靠近前述之一個或多個毛細管處。因此，傾斜的角度可為不超過45°、不超過30°或不超過20°。

在圖4中的實施例，各隔板322的內角(向毛細管324方向)明顯被磨圓，並可能導致在毛細管324上方一定程度的流動停滯。此熔體流動的停滯將因為缺乏足夠的橫 向流動，而導致微孔隙和雜質沉積在帶狀晶體的中心。因此，如果不希望缺陷出現在帶狀晶體的中央，隔板可以在毛細管頂部採用尖銳的邊角，如圖10中所示，以減少缺陷積聚和停滯於毛細管的頂部。與圖6類似，模具的前模板未被畫出，以增進對圖10所示實施例之特性隔板的了解。隔板1022與毛細管1024相鄰處具有較尖的邊角1025。熔體的流動係由箭頭1030所標示。毛細管1024上方之流動的停滯比毛細管324較為減少，因此，由此模具產生的帶狀晶體1012，在其中央帶中形成缺陷的可能性較低。

熔體在坩堝中的高度可以是影響在熔體流動方向上移動之微孔隙和雜質的百分比的一個顯著的因素。較低的熔體高度會降低在前述之一個或多個毛細管中向上的流動速度，並導致更多的微孔隙和雜質分佈在晶體的主表面，而不是外邊緣。熔體在坩堝中可接受的高度為的特定值可能取決於坩堝的大小、模具的數量、毛細管的幾何形狀、模具頂端通道、模具開口以及熔體的材料。在閱讀本說明書後，本領域的技術人員將能夠確定或測試以確定要使用的可接受的高度。

參考如圖3所示的配置，熔體在模具頂端通道中靠近毛細管324處的流動速度(“橫向速度”)是大於在毛細管324中垂直流動的速度(“垂直速度”)，並參照圖7所示，在模具頂端通道中靠近毛細管724處的橫向速度大於毛細管724內的垂直速度。更具體地說，橫向速度至少為垂直速度的2倍。或更進一步，橫向速度至少為垂直速度的10 倍。例如，當晶體提拉速度為2.5厘米/小時(1英寸/小時)時(其控制熔體的垂直流動速度)，橫向流動速度可為大於2.5厘米/小時(1英寸/小時)、大於5厘米/小時(2英寸/hr)或甚至大於25厘米/小時(10英寸/小時)。

圖11為根據一生長帶狀晶體的示例之流程圖，其不具實施例限制性。在步驟1101中，先提供一坩堝-模具之組件。前述之坩堝可盛裝一液態熔體，而一模具之部份係裝置於前述之坩堝中。前述之模具具有一或多個從前述之坩鍋內向模具頂端延伸的毛細管。在步驟1102中，結晶材料在坩堝中被熔化以形成液態熔體；在步驟1104中，將坩鍋中的液態熔體利用毛細作用通過前述之一個或多個毛細管抽出至前述之模具頂端之表面；在步驟1106中，在液態熔體中靠近前述之模具頂端的表面處***一晶種；在步驟1107中，前述之晶種被拉離該模具頂端表面，以使晶體生長；在步驟1108中，當晶種被拉離時，將引導液態熔體在模具頂端通道中產生一橫向流，其速度為足以將微孔隙和雜質沉積帶離前述之一或多個毛細管，並帶往晶體內部一個期望的位置；晶體形成後，在步驟1110中，停止生長過程，並將晶體取下以供後續製程使用(如修剪邊緣以除去缺陷以及將帶狀晶體分割成多個基板)。使用上述之方法、模具以及裝置，可產生至少15厘米(6英寸)寬和所希望長度(例如大於15厘米(6英寸)的長度)的帶狀晶體，且其基本上不含微孔隙和高濃度雜質等缺陷。

如鈣顆粒之類的雜質，被認為是與微孔隙的形成 相關。如圖3至6所示之實施例，熔體在模具頂端通道355內靠近毛細管324處的較高，有助於使如微孔隙及雜質等缺陷主要沿帶狀晶體的外緣形成。因為這些缺陷集中在帶狀晶體的外緣，而不是分佈在帶狀晶體的所有主表面中，這些缺陷可以很容易地通過除去帶狀晶體的外緣而加以去除，或通過從遠離帶狀晶體外緣的位置切割如晶圓等特定的基板而加以避免。當使用如本文之實施例所述之模具時，顯然將對生產高品質的晶體提供顯著的改善。控制雜質位置的能力提供了多重好處：可獲得較高的生長率；晶體生長時，對不同原料中所含雜質的差異的敏感性將被降低；以及在生長方向的垂直方向上的生長，可通過改變流動路徑的尺寸而加以控制。

雖然前面的討論大部分集中於帶狀晶體的生產，上述實施例也可使用在生產不同形狀的晶體，其中所含的如微孔隙和濃度相對較高的雜質等缺陷也希望能通過產生熔體橫向流的方式，被導向晶體中的特定部分。本文的概念可以擴展到使用定向凝固法的其他幾何形狀，包括圓柱形的晶體、平面(邊緣定義)等。本文所述的概念也並不限於限邊生長方法，亦可以應用於，例如使用一圓錐形坩堝蓋與中央毛細管的柴氏晶體生長法(Czochralski growth)。雖然本文大部分的討論是關於藍寶石晶體的生長，其概念亦適用於生長任意形狀的定向凝固的金屬、合金、晶體和非晶形半導體等。這裡描述的概念可以擴展至生產基本上不含微孔隙並具有低雜質濃度的耐刮擦材料，如窗戶及手機或其他行動裝置的外殼等，。

許多不同的形式和實施例是可能的。這些形式和實施例之一部份已描述於本文中。閱讀本說明書後，本領域之技術人員將會理解，這些形式和實施例僅作為例證，而非本發明範圍的限制。符合下面列出項目中的任何一項或多項亦可為本發明的實施例。

第1項 一種用於生長帶狀晶體的裝置，包括：一可盛裝液態熔體之坩鍋；以及一位於坩堝中的模具。前述之模具具有一模具開口，其至少部份係由一模具頂端所定義，前述之模具頂端係供支撐一固/液生長介面及控制晶體材料的形狀。前述之模具開口有一個長邊及一寬邊，長邊長度大於寬邊，其中，前述之模具具有一或多個毛細管，從該坩鍋內向該模具之開口延伸。該一或多個毛細管所佔總長度為小於前述之模具開口之長度的30%，使液態熔體通過前述之一或多個毛細管被抽出時，能沿模具頂端通道的底表面以平行於模具開口長邊之方向，流向遠離毛細管處。

第2項 如第1項所述之裝置，其中所述之一個或多個毛細管之總長度小於模具開口長度的約10%。

第3項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之模具只包括一個單一的毛細管，其係向模具開口方向延伸。

如第3項所述之裝置，其中所述之單一毛細管係大致位於該模具開口長邊的中央。

第5項 如第1及2項中任一項所述之裝置，其中所述之一個或多個毛細管包括複數個毛細管，該複數個毛 細管之總長度小於模具開口長度的約20%。

第6項 如第1、2及5項中任一項所述之裝置，其中所述之一個或多個毛細管包括至少兩個毛細管，每一個毛細管係與的模具頂端通道的每一端相鄰。

第7項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之模具包括一對相對的模板，其通常為長方形，且由至少一個隔板隔開。

第8項 如第7項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道的底部包括至少一隔板的一個上表面。

第9項 如第7項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道的底部包括至少一隔板的一個上表面，且前述之至少一隔板係安裝於兩相對模板之間，以使該至少一隔板之上表面位置低於對置模板的頂部。

第10項 如第9項所述之裝置，其中所述之模具包括一對相對的模板，其形狀為長方形。

第11項 如第7項所述之裝置，其中所述之兩相對模板係由至少兩個安裝於兩模板之間的隔板隔開，使前述之一或多個毛細管之一至少部份由兩隔板間的間隙所定義。

第12項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中如一在模具寬邊的剖視圖所示，模具頂端可以是矩形的、傾斜的或彎曲的。

第13項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之裝置被設置為以限邊薄片續填生長法生長帶狀晶 體。

第14項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之模具包括一對相對的長方形模板，其係由至少一隔板隔開，且前述之至少一隔板之厚度至少為0.075厘米(0.03英寸)。

第15項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之一或多個毛細管的總長度係小於前述之模具開口的長度，以使熔體在模具頂端通道中與毛細管相鄰處之流動速度大於該熔體流經前述之一或多個毛細管的速度。

第16項 如第15項所述之裝置，其中熔體在模具頂端通道中之流動速度為該熔體流經前述之一或多個毛細管的速度的至少2倍。

第17項 如第15項所述之裝置，其熔體在模具頂端通道中之流動速度為該熔體流經前述之一或多個毛細管的速度的至少10倍。

第18項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之裝置包括複數個並排放置的模具，用以同時生長複數個晶體。

第19項 如第18項所述之裝置，其中兩個緊鄰的模具，其模具頂端開口的距離至少為約0.22厘米(0.085英寸)。

第20項 如前述項目中任一項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道之底面傾斜，藉此使液態熔體受重力驅動而產生一流動，其速度為足以將該液態熔體中的雜質攜 出至前述之模具頂端通道中所期望的位置，以使雜質沉積在使用該模具所生成之帶狀晶體內所期望位置。

第21項 如第20項所述之裝置，其中所述之一或多個毛細管包括複數個毛細管，其係位於所述之模具頂端通道外緣相鄰處，其中前述之模具頂端通道之底面傾斜，藉此於使用所述之模具生成帶狀晶體時，液態熔體能向內流動，以將雜質沿帶狀晶體之中央帶(central band)沉積。

第22項 如第20項所述之裝置，其中所述之一或多個毛細管包括一特定的毛細管，其係位於遠離前述之模具頂端通道外緣處，且其中前述之模具頂端通道之底面以遠離該特定毛細管的方向向下傾斜，藉此於使用該模具生成帶狀晶體時，液態熔體能以足以將雜質攜出至該模具頂端通道外緣之速度流動，並將雜質沉積在該帶狀晶體之一外緣。

第23項 如第22項所述之裝置，其中所述之一或多個毛細管只包括單一一個毛細管，在一俯視圖中，該單一一個毛細管係位於模具開口中央，並且前述之模具頂端通道之底面以遠離該單一一個毛細管的方向向模具頂端通道之外緣傾斜。

第24項 如第20項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道之底面以從前述之一或多個毛細管之一沿著模具開口的長邊，向模具頂端通道之外緣傾斜。

第25項 如第4項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道之底面以遠離前述之一或多個毛細管的方向向模具頂端通道之外緣傾斜，使從前述之一個或多個毛細管中抽 出的液態熔體能沿著前述之傾斜面流動而離開前述之一個或多個毛細管。

第26項 如第9項所述之裝置，其中所述之隔板之上表面以遠離前述之一或多個毛細管之一的方向向下傾斜。

第27項 如第20至26項中任一項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道之底面之最高點與最低點間的正視差至少為0.075厘米(0.03英寸)。

第28項 如第20至27項中任一項所述之裝置，其中所述之模具頂端通道之底面的一斜率至少為2%。

第29項 如第26項所述之裝置，其中所述之兩相對模板之一的最高點與所述之隔板之上表面的最高點間的正視差至少為0.11厘米(0.043英寸)。

第30項 如第26項所述之裝置，其中所述之兩相對模板之一的最高點與所述之隔板之上表面的最高點間的正視差至少為0.13厘米(0.05英寸)。

第31項 如第26項所述之裝置，其中所述之兩相對模板之一的最高點與所述之隔板之上表面的最高點間的正視差至少為0.19厘米(0.075英寸)。

第32項 如第27項所述之裝置，其中所述之隔板的位置可以被調整，以改變隔板上表面的斜率、所述之兩相對模板之一的最高點與所述之隔板之上表面的最高點間的正視差、或斜率及正視差兩者。

第33項 如前述項目中任一項所述的裝置，其 中所述之模具能使熔體在模具頂端通道中產生一流動，其流動速度為大於2.5厘米/小時(1英寸/小時)、5厘米/小時(2英寸/小時)或25厘米/小時(10英寸/小時)。

第34項 一種用於從一液態熔體生長晶體的模具，該模具包括一模具頂端，供支撐一固/液生長介面及控制晶體材料的形狀，其中所述之模具頂端至少部份定義一模具開口以及一模具頂端通道；一模具下部，係浸泡於容納於一坩鍋中之液態熔體中；以及一或多個毛細管，從前述之模具下部向前述之模具頂端通道延伸，以將液態熔體供應至前述之模具頂端之一表面。從上方俯視時，連接到前述之模具頂端通道的一或多個毛細管所佔總面積為小於前述之模具頂端通道之面積的30%。

第35項 如第34項所述之模具，其中所述之一或多個毛細管所佔總面積小於所述之模具頂端通道面積的10%。

第36項 如第34及35項中任一項所述之模具，其中所述之模具只包括單一一個單一毛細管。

第37項 如第36項所述之模具，其中所述之單一一個毛細管基本上位於模具開口長邊的中心。

第38項 如第34至36項中任一項所述之模具，其中所述之一個或多個毛細管的總長度小於所述之模具開口的長度，以使熔體在模具頂端通道中之流動速度大於熔體流經前述之一或多個毛細管的速度。

第39項 如第38項所述之模具，其中熔體在模 具頂端通道中流動的速度至少為該熔體流經前述之一或多個毛細管的速度的2倍。

第40項 如第38項所述之模具，其中熔體在模具頂端通道中之流動速度為該熔體流經前述之一或多個毛細管的速度的至少10倍。

第41項 如第38項所述之模具，其中熔體在模具頂端通道中之流動速度為大於2.5厘米/小時(1英寸/小時)、5厘米/小時(2英寸/小時)或25厘米/小時(10英寸/小時)。

第42項 如第34至41項中任一項所述之模具，其中所述之模具頂端通道之底面傾斜，藉此使液態熔體受重力驅動而產生一流動，其速度為足以將該液態熔體中的雜質攜出至前述之模具頂端通道中所期望的位置，以使雜質沉積在使用該模具所生成之晶體內所期望位置。

第43項 如第34至41項中任一項所述之模具，其中所述之一或多個毛細管包括複數個毛細管，其係位於所述之模具頂端通道外緣相鄰處，其中前述之模具頂端通道之底面傾斜，藉此於使用所述之模具生成晶體時，液態熔體能向前述之模具頂端通道之中心流動，以將雜質沿帶狀晶體之中央帶沉積。

第44項 如第34至41項中任一項所述之模具，其中所述之一或多個毛細管包括一特定的毛細管，其係位於遠離前述之模具頂端通道外緣處，且其中前述之模具頂端通道之底面以遠離該特定毛細管的方向向下傾斜，藉此於 使用該模具生成晶體時，液態熔體能以足以將雜質攜出至該模具頂端通道外緣之速度流動，並將雜質沉積在該晶體之一外緣。

第45項 一種晶體生長的方法，包括：設有一可盛裝一液態熔體之坩鍋，以及於前述之坩鍋中設有一模具，其具有一模具頂端，供支撐一固/液生長介面及控制晶體材料的形狀，並具有一或多個毛細管，其係從前述之坩鍋內向前述模具之開口延伸。前述方法進一步包括：在前述之坩堝中熔化一定份量的結晶材料，以形成液態熔體；利用毛細作用將前述之坩鍋中的液態熔體通過前述之一個或多個毛細管抽出至前述之模具頂端的表面；在液態熔體中靠近前述之模具頂端表面處***一晶種，再將前述之晶種以一能使晶體生長的速率拉離前述之模具頂端表面；而當該晶種被拉離時，在一模具頂端通道中之液態熔體中引導一流動，以使前述之液態熔體的流動停滯於前述之模具頂端通道中與前述之晶體內一個期望的位置之相對處，以使晶體生長時產生的雜質更集中在晶體內部所期望的位置。

第46項 如第45項所述之方法，其中所述之晶體係以限邊薄片續填生長法生長。

第47項 如第45項所述之方法，其中所述之晶體係生長成一晶棒。

第48項 如第45項所述之方法，更包括：移除所述之晶體含有雜質的部分。

第49項 如第45至48項中任一項所述之方 法，其中所述之晶體包括藍寶石。

第50項 如第45至49項中任一項所述之方法，其中所述之雜質包括晶體生長時產生的微孔隙。

第51項 如第45至50項中任一項所述之方法，其中液態熔體在模具頂端通道中流動的速度係大於該液態熔體流經所述之一個或多個毛細管的速度。

第52項 如第51項所述之方法，其中液態熔體在模具頂端通道中流動的速度至少為該液態熔體流經前述之一或多個毛細管的速度的2倍。

第53項 如第51項所述之方法，其中液態熔體在模具頂端通道中流動的速度至少為該液態熔體流經前述之一或多個毛細管的速度的10倍。

第54項 如第45至53項中任一項所述之方法，其中所述之模具頂端通道之底面傾斜，藉此使液態熔體受重力驅動而產生一流動，其速度為足以將該液態熔體中的雜質攜出至前述之模具頂端通道中所期望的位置，以使雜質沉積在使用該模具所生成之晶體內所期望位置。

第55項 如第53項所述之方法，其中所述之一或多個毛細管包括一特定的毛細管，其係位於遠離前述之模具頂端通道外緣處，且其中前述之模具頂端通道之底面以遠離該特定毛細管的方向向下傾斜，藉此於使用該模具生成晶體時，液態熔體能以足以將雜質攜出至該模具頂端通道外緣之速度流動，並將雜質沉積在該晶體之一外緣。

第56項 一基本上不含微孔隙缺陷之結晶材 料，其係以如第45至53項中任一項所述之方法產生。

第57項 如第56項所述之結晶材料，其中所述之晶體包括藍寶石晶片。

第58項 如第56項所述之結晶材料，其中所述之晶體包括手機或其他行動裝置的一種防刮擦材料、視窗或外殼。

實例

本文所述的概念將在下面的實施例進一步說明，然而其並非限制本發明在權利要求中所描述的範圍。生長特定尺寸的晶體係用來顯示本文所描述之概念的可行性。顯然地，不同尺寸的晶體可以被形成，且本文所涵蓋的裝置、模具和晶體並不限於實例中所描述的幾何形狀。

晶體係使用數種具有不同尺寸之最小通道的模具生長。在此實驗中，每一個模板在模具開口方向測量的長度約為16厘米(6.25英寸)，用以形成一單一帶狀藍寶石，以供後續製程處理成15厘米(6英寸)標稱的藍寶石晶圓。如圖6所示，前述之模板係以隔板分開，隔板的尺寸和安裝係用以在相鄰模板間形成一單一的中央毛細管。

對於五個模具組件中的每一個，隔板的厚度(及模板間的空間)為0.075厘米(0.030英寸)。每個隔板(用於模板之間)在模具開口方向測量的長度約為7.5厘米(3英寸)，使留下的中央毛細管長約為0.63厘米(0.25英寸)及寬約為0.075厘米(0.030英寸)。隔板具有傾斜的上表面。

對於每個模具組件，對應於模具頂端通道最小深度之模具頂端之最高點與隔板上表面之最高點間的正視差為可變量。圖12為一實際的帶狀晶體生長之照片。晶體1201及1202係使用模具頂端之最高點與隔板上表面之最高點間的正視差為0.11厘米(0.043英寸)的模具組件生長；晶體1203係使用正視差為0.16厘米(0.060英寸)的模具組件生長；晶體1204係使用正視差為0.22厘米(0.085英寸)的模具組件生長；而晶體1205則係使用正視差為(0.19厘米(0.073英寸)的模具組件生長。圖12並顯示微孔隙(以在晶體邊緣的亮白線顯示)係位於晶體的外緣。

晶體1201和1202並未擴延至整個模具。其他晶體(1203至1205)則擴延於模具的全寬(晶體1205在照片拍攝前即破裂，它也擴延於模具的全寬)。因此，其顯示使用這種類型及尺寸的中央毛細管模具生長藍寶石晶體時，0.11厘米(0.043英寸)的正視差對以生長帶狀晶體的特定幾何型狀來生長全寬晶體而言還是太小。然而，如果其他的幾何形狀改變，例如隔板的寬度，0.11厘米(0.043英寸)的正視差也可能產生全寬晶體，但帶狀晶體的厚度可能會受到影響。另外，較小的模具開口亦可與這種較低的正視差一起使用。

請注意，並非所有上述一般描述及實例的活動都是必需的，特定活動的一部分可以不需要，並且在所述的活動之外，也可以另外進行一或多個的活動。此外，活動列出的順序不一定是它們被執行的順序。

上面已經描述了特定的實施例的好處、優點和問 題的解決方案。然而，這些好處、優點、問題的解決方案和可能導致任何好處、優點或解決方案出現或變得更明顯的任何特徵，不會被被解釋為本文專利範圍之一或全部的一個關鍵的、必需的或必要的特徵。

本文中實施例的說明和插圖，旨在提供對各種實施例的結構的一般理解。本文中的說明和插圖並非為了詳盡而全面地描述使用本文所描述的結構或方法的裝置和系統的所有元件和特徵。本文中不同實施例中的某些特徵，亦可組合在一個單一的實施例中。相反地，在單一實施例中的多種特徵，也可以將其拆組於一子組合中。此外，以範圍所列的參考值包括該範圍內的每一個值。許多其他的實施例對本領域的技術人員，可能需在閱讀本文後才變得顯而易見。其它實施例也可衍生自本文的內容，例如一結構的置換、邏輯上的替換或在不脫離本說明書的範圍所做的其他變化。因此，本說明書的內容是說明性的而非限制性的。

300‧‧‧模板

322‧‧‧隔板

324‧‧‧毛細管

340‧‧‧模具頂端

350‧‧‧模具開口

380‧‧‧模具

Claims (15)

1. 一種晶體生長的方法，包括：設有一可盛裝一液態熔體之坩鍋；於該坩鍋中設有一模具，其具有一模具頂端，供支撐一固/液生長介面及控制晶體材料的形狀，並具有一或多個毛細管，從該坩鍋內向該模具之開口延伸；在該坩堝中熔化一定份量的結晶材料，以形成該液態熔體；利用毛細作用將該坩鍋中的液態熔體通過該一個或多個毛細管抽出至該模具頂端之表面；在該液態熔體中靠近該模具頂端之表面處***一晶種，再將該晶種以一能使晶體生長的速率拉離該模具頂端表面；以及當該晶種被拉離時，在一模具頂端通道中之該液態熔體中引導一流動，以使該液態熔體之流動停滯於該模具頂端通道中與該晶體內部一個期望的位置之相對處，以使晶體生長時產生的雜質更集中在晶體內部所期望的位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該晶體係以限邊薄片續填生長法生長。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括一移除該晶體含有雜質的部分之步驟。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該晶體包括藍寶石。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該雜質包括晶體生長時產生的微孔隙。
6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該液態熔體在模具頂端通道中之流動速度係大於該液態熔體流經該一個或多個毛細管的速度。
7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該模具頂端通道之底面傾斜，以使該液態熔體受重力驅動而產生一流動，其速度為足以將該液態熔體中的雜質攜出至該模具頂端通道中所期望的位置，而使雜質沉積在晶體內部所期望位置。
8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該一或多個毛細管包括一特定的毛細管，其係位於遠離該模具頂端通道外緣之處，其中該模具頂端通道之底面以遠離該特定毛細管的方向向下傾斜，藉此於使用該模具生成晶體時，該液態熔體能以足以將雜質攜出至該模具頂端通道外緣之速度流動，並將雜質沉積在該晶體之一外緣。
9. 一種用於從一液態熔體生長晶體的模具，包括：一模具頂端，供支撐固/液生長介面及控制晶體的形狀，且該模具頂端至少部份定義一模具開口以及一模具頂端通道；一模具下部，係浸泡於容納於一坩鍋中之液態熔體中；以及一或多個毛細管，從該模具下部向該模具頂端通道延伸，以將該液態熔體供應至該模具頂端之一表面，其中，從上方俯視時，連接到該模具頂端通道的該一或多個毛細管所佔總長度或總面積為小於該模具頂端通道之長度或面積的30%。
10. 如申請專利範圍第9項所述之模具，其中該一或多個毛細管之總長度小於該模具開口長度的10%。
11. 如申請專利範圍第9項所述之模具，其中該一或多個毛細管所佔總面積小於該模具頂端通道面積的10%。
12. 如申請專利範圍第9項所述之模具，其中該模具只包括一個毛細管，其係大致位於該模具開口長邊的中央。
13. 如申請專利範圍第9至12項中任一項所述之模具，其中該一或多個毛細管之總長度或總面積係小於該模具開口之長度或面積，以使該液態熔體在模具頂端通道中之流動速度 大於該液態熔體流經該一個或多個毛細管的速度。
14. 如申請專利範圍第9至12項中任一項所述之模具，其中該模具頂端通道之一底面的一斜率至少為2%。
15. 一種用於生長帶狀晶體的裝置，包括：一可盛裝液態熔體之坩鍋；以及一如申請專利範圍第9至12項中任一項所述之模具，其中該模具係位於該坩鍋中。