專利名稱：磁場爐和一種使用磁場爐制造半導體襯底的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體襯底制造，更具體地涉及一種用于使用磁場爐(magnetic field furnace)制造晶體的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
蹼狀枝晶帶(dendritic web ribbon crystal)因為它們的高化學純度、低結(jié)構(gòu)缺陷密度、矩形的形狀和相對較薄的晶體尺寸而被普遍用作太陽能電池的襯底。另外，由蹼狀枝晶硅制成的太陽能電池具有高達17.3％的光能到電能的轉(zhuǎn)化效率，這比得上使用昂貴的工藝，例如浮游區(qū)域法(Float Zone)制成的硅和其它已知的復雜的工藝所獲得的高效率。
圖1圖示了一條或一片蹼狀硅枝晶10。蹼狀硅枝晶10作為單晶體從第一硅熔化區(qū)12A被抽出。第二硅熔化區(qū)12B通過隔板14與第一熔化區(qū)12A分開。采用隔板14，以在第一硅熔化區(qū)12A和第二硅熔化區(qū)12B之間提供熱絕緣的措施。隔板14上的小的開口(未示出)允許熔化的硅從第二熔化區(qū)12B流入第一熔化區(qū)12A。通過將第一熔化區(qū)12A恰好保持在硅的熔點之下，第一熔化區(qū)12A中的晶體不斷地凝結(jié)(freeze)。第二熔化區(qū)12B通過被加熱到剛好在熔點之上，并用機械方式向第二熔化區(qū)12B中加入小硅片(silicon pellet)而被補充。第一硅熔化區(qū)12A和第二硅熔化區(qū)12B被包含在坩堝16中。
硅晶體10一般通過以大約1.8cm/min的速度向上拉晶種18而生長。所產(chǎn)生的蹼狀硅枝晶10包括被硅枝晶22圍繞的硅蹼部分20。與一般厚度約為550μm的標稱為正方形的枝晶相比，蹼狀部分20一般寬度約為3到8cm，厚度約為100μm。為了維持上述晶體生長，枝晶支撐結(jié)構(gòu)在容納于第一熔化區(qū)12A中的熔體的表面下的突出的(pointed)枝晶尖端24上不斷再生(regenerate)。
傳統(tǒng)的蹼狀枝晶生長工藝因為一些缺點而不盡如人意，例如“亞穩(wěn)定性”，其造成晶體生長過早地結(jié)束。晶體長度僅能夠達到一或兩米，在商業(yè)上生產(chǎn)這樣的晶體是不實用的。為了提供一種商業(yè)上改進的產(chǎn)品，向晶體被從其中拉出的熔體施加磁場被發(fā)現(xiàn)能帶來改進，包括蹼狀枝晶生長的穩(wěn)定性。題為“用于穩(wěn)定蹼狀枝晶生長的方法和系統(tǒng)(Method andSystem for Stabilizing Dendritic Web Crystal Growth)”的專利申請，序列號09/294,529，1999年4月19日提交，被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，其描述了向蹼狀枝晶生長施加磁場。這樣的磁場的一個例子在圖2中被圖示出。圖2圖示了具有包括一對物理上可識別的反向磁極32A和32B的偶極磁體(dipole magnet)的熔爐室30。位于磁極32A和32B之間的工作間隔G是放置用于容納坩堝的生長器皿(growth hardware)34的位置。線圈36A和36B分別纏繞磁極32A和32B，用于產(chǎn)生一個水平磁場，即，大致上沿著X或Y軸方向。外部磁軛(yoke)38將磁極32A和32B磁連接。
現(xiàn)在所發(fā)現(xiàn)的是如果與水平場，即大致上沿X或Y軸方向相反，一個垂直磁場，即大致上沿Z軸方向，被施加于生長器皿34，則能夠取得很多優(yōu)點。為了產(chǎn)生一個垂直磁場，磁極32A和32B必須位于室30的頂部和底部。但是這種結(jié)構(gòu)與蹼狀枝晶的生產(chǎn)相干擾。更具體地說，頂部磁極起了物理障礙的作用，妨礙了穿過室30的頂部抽取蹼狀晶體。因此需要一種產(chǎn)生大致上垂直的磁場而不干擾蹼狀晶體的生產(chǎn)的磁發(fā)生器(magneticgenerator)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實施例中的一個方面，提供了一種用于制造例如蹼狀晶體的半導體襯底的設備。該設備包括室和位于室中的生長器皿組件。生長器皿組件被用于生長襯底。磁場發(fā)生器環(huán)繞于室的周邊。該磁場發(fā)生器被用于在生長過程中提供磁場。室具有一個大致可由晶體生長的縱向方向定義的垂直軸(圖示為Z軸)。磁場發(fā)生器產(chǎn)生一個大致沿這個垂直方向的磁場。
在一個實施例中，磁場發(fā)生器包括環(huán)繞于室的周邊的線圈組。該線圈組包括至少一個繞組單元，用于接收電流。冷卻板與線圈組熱連通。該冷卻板被用于傳遞由通過繞組單元的電流所產(chǎn)生的熱。熱可通過在分布于冷卻板中的冷卻管中流動水而被去除。冷卻管可與繞組單元電絕緣以顯著降低或者消除電蝕。
外殼能夠至少部分包圍磁場發(fā)生器。該外殼可被用于將磁場容納于外殼內(nèi)，用于控制室內(nèi)的磁場方向和增強生長器皿組件處的磁場強度。
在一個實施例中，外殼可包括一個筒套體(sheath body)，該筒套體具有從其一端延伸出的上部法蘭和與該上部法蘭反向并包圍筒套體的另一端的基部法蘭。外殼可由鐵磁性材料制成，并還可包括一個設置于室內(nèi)并位于生長器皿組件上方的場夾持構(gòu)件(field clamp member)。該場夾持構(gòu)件具有一個開口，通過該開口蹼狀晶體可從生長器皿組件被抽出。場夾持構(gòu)件與位于室外部的上部法蘭磁連通。過渡環(huán)可被用于將上部法蘭磁耦合到場夾持構(gòu)件。
根據(jù)另一個實施例，可以在室內(nèi)設置場成形板(field shapingplate)，用于支撐生長器皿組件。該場成形板可增強生長器皿組件上方的磁場。場成形板可具有可變的厚度以限定出所選擇的幾何結(jié)構(gòu)，磁場強度依賴于該幾何結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明實施例的另一個方面，提供了一種用于制造蹼狀枝晶的工藝。該工藝包括提供一個具有生長器皿組件的室——該生長器皿組件容納熔體；從該熔體生長襯底；以及在生長操作的過程中向熔體施加磁場，其中，所述磁場在室內(nèi)沿生長的縱向方向被施加。磁場發(fā)生器外接室的周邊以向熔體施加磁場。


圖1是用于生長蹼狀枝晶的傳統(tǒng)坩堝的橫截面示意圖；圖2是被用于生產(chǎn)襯底的傳統(tǒng)熔爐室的截面示意圖，該室包括了用于向坩堝施加水平磁場的偶極磁體；圖3是具有帶磁性外殼的磁場發(fā)生器的熔爐室的一個實施例的側(cè)視截面圖；圖4是具有帶磁性外殼的磁場發(fā)生器的熔爐室的一個實施例的側(cè)視截面圖；圖5是被冷卻板所罩住的磁場發(fā)生器的繞組單元的截面的放大圖；圖6是與熔爐室一起被使用的過渡環(huán)的一個實施例的俯視圖；圖7是具有用于允許蹼狀晶體從熔爐室被抽出的開口的場夾持構(gòu)件的一個實施例的俯視圖；圖8是包含局部剖開截面的熔爐室俯視圖。
圖9A-C圖示了由磁性外殼的襯墊所支撐的場成形板的各種其他的實施例。
圖10是被用于制造蹼狀枝晶的傳統(tǒng)生長器皿組件的剖開立體視圖；圖11是用于圖10中的生長器皿組件的坩堝的俯視示意圖；圖12是通過計算得到的圖3和圖4的熔爐室的磁系統(tǒng)的磁流管(magnetic flux tube)圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，幾何磁動勢因子隨場夾持構(gòu)件上開口的較窄尺寸的寬度與工作間隔的比的變化曲線圖；圖14是幾何磁動勢因子隨磁極半徑與圖2中所示偶極子(dipole)系統(tǒng)的工作間隔的比的變化曲線圖；圖15A和圖15B是將根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)和熔爐的雜散磁場與圖2的偶極子磁系統(tǒng)的雜散磁場比較的曲線圖。
具體實施例方式
設備現(xiàn)參見各圖，其中相同部分用相同的標號標記，圖3和圖4圖示了被用于制造例如單晶體或多晶體類型襯底的半導體襯底的熔爐室100。一個本領域的普通技術人員可以知道本發(fā)明的實施例可被用于硅片和硅帶(silicon sheet and ribbon)生長的制造，包括Evergreen Solar生產(chǎn)的硅帶(string ribbon)和ASE Americas生產(chǎn)的邊緣限定薄膜供料生長(EFG，edge-defined film-fed growth)硅片(sheet)。但是為了討論的目的，本發(fā)明的實施例將參照蹼狀枝晶的生產(chǎn)來說明。
室100的結(jié)構(gòu)可由包圍下圓柱體104的上部室罩102大致限定。室100可大致為鐘形，并可包括包圍了例如為約5mm到約12mm的間隔108的復壁(double-wall)結(jié)構(gòu)106。作為示例，而不是限制，下圓柱體104可具有約為600mm的直徑。室100可具有各種幾何形狀，包括橢圓形、正方形等，該幾何形狀不應被理解成限于附圖所描述或示出的。間隙108提供了一種通過在間隙108中循環(huán)冷卻液，例如水，來除熱并控制室100的溫度的方法。非鐵磁性材料，例如奧氏體不銹鋼，可被用于制造室100。室100頂部所提供的觀察口110穿透復壁106，以便使操作者能夠在制造過程中監(jiān)視蹼狀枝晶。觀察口110被圖示成向著與Z軸成約45°的方向，以便給操作者直接的視線。
位于復壁106外部的圓柱形狀的線圈組112圍繞著下圓柱體104，也就是說，裝配成像一個環(huán)繞圓柱體104的圓環(huán)。線圈組112被用來在室100中產(chǎn)生一個大致沿垂直方向的磁場?！按怪薄北欢x為大致平行于所示Z軸的方向?；蛘?，“垂直”被定義為大致平行于蹼狀晶體的縱向生長的方向。線圈組112被圖示為近似以Z軸為中心，Z軸穿過室100的中心；但是，線圈組112可以相對于Z軸被不對稱的排列。一個本領域的普通技術人員能夠發(fā)現(xiàn)其它幾何結(jié)構(gòu)，例如橢圓形或方形可適用于線圈組112。
在一個有用的商用實施例中，線圈組112可包括電學上串聯(lián)的四個分開的繞組單元114A、114B、114C和114D。例如，繞組單元114A-D可由65匝尺寸為1.245mm×50.8mm、連續(xù)纏繞并且具有0.08mm厚的匝間電絕緣體的銅條構(gòu)造而成。例如聚酯薄膜的絕緣體就合適。
在一個實施例中，三個環(huán)狀冷卻板116A、116B和116C可被設置在每一對相鄰放置的繞組單元114A-D之間。冷卻板116A-C可由任何合適的材料制成，例如鋁，并且可具有任何適合的厚度，例如，10mm。由例如20mm厚的鋁制成的更厚更堅固并且更加結(jié)實的冷卻板116D和116E可被用來罩住繞組單元114A和114D的頂部和底部。冷卻板116A-E提供了一種用于除去或散逸從通過繞組單元114A-D的電流產(chǎn)生的歐姆熱(ohmicheat)的方法。例如水的冷卻液可經(jīng)由冷卻管118，例如插入冷卻板116A-E的銅管，穿過冷卻板116A-E而被循環(huán)。所描述的結(jié)構(gòu)實施例的一個重要的方面是冷卻管118與繞組單元114A-D電絕緣。在水冷卻的情況下，冷卻管118與繞組單元114A-D電絕緣顯著地消除了電蝕和對使用去離子冷卻水的需要——這實際上降低了運行和維護成本。
參照圖5，繞組單元114A的部分放大的截面圖被示為被冷卻板116D所罩住。冷卻管118位于冷卻板116D之中。銅條113可形成繞組單元114并可包括例如聚酯薄膜的電絕緣體115。在一個實施例中，交錯相間的(interleaved)玻璃纖維布117可被用作一種用于電學上將繞組單元114A-D與冷卻板116A-E隔絕的裝置。整個線圈組112也可被用玻璃纖維帶纏繞，接著用環(huán)氧樹脂進行真空浸漬，以實現(xiàn)一個單個、堅固并且不泄漏的線圈組112。線圈組112在運行過程中應保持高度的統(tǒng)一性(integrity)，對抗由熱引起的膨脹和收縮中產(chǎn)生的應力。繞組單元114A-D的邊緣和冷卻板116A-E的相鄰表面之間的樹脂浸漬的玻璃纖維為有效傳熱提供了足夠高的熱傳導率。
線圈組112的實施例不應被限于上述描述。一個本領域的普通技術人員能夠發(fā)現(xiàn)各種實現(xiàn)方式，包括只要切實可行的任何數(shù)目的繞組單元114A-D和冷卻板116A-E(例如分別為兩個和三個)；用于繞組單元114A-D的其它合適的材料，例如鋁；以及用于冷卻板116A-E的其它合適的非鐵磁性材料，例如奧氏體不銹鋼。另外除了窄帶以外，繞組單元114A-D可使用矩形、正方形或?qū)嵭你~或者鋁線制成。在另一個實施例中，矩形、正方形或者圓形銅或鋁管可被用于繞組單元114，該繞組單元可通過在導管的孔中通入去離子冷卻液而直接被冷卻，而不用通過到冷卻板116A-E的熱傳導來間接冷卻。
匝間絕緣可利用其它方法和材料實現(xiàn)，例如用絕緣帶將導體纏繞起來，在導體外套上一個絕緣套，或者在導體上涂上絕緣薄膜，例如漆包銅或者陽極氧化鋁。
以上描述的結(jié)構(gòu)適用于其中導體材料具有非零電導率的電阻性線圈。也可能使用超導線圈。但是，盡管這將在線圈中產(chǎn)生零功率耗散，但是維持超導線圈處于非常低的溫度下，例如對于現(xiàn)代的超導材料來說低于-260℃，將是復雜和昂貴的。
在一個實施例中，一個軟鐵磁性材料(即，易于被磁化的材料，例如低碳鋼)的外殼，籠統(tǒng)地被圖示為120，包圍著下圓柱體104和線圈組112。其它合適的材料在L.J.Giacoletto編輯的電子設計者手冊(Electronic Designers’Handbook)第二版(1977)中被公開了。鐵磁性外殼120的功能包括，但不限于，將磁場容納于外殼120內(nèi)并由此減少外部雜散磁場，通過室100控制磁場的方向，并且提高室100中央?yún)^(qū)域的磁場強度。
在一個實施例中，外殼120可由許多部分構(gòu)成，包括圓柱狀筒套122、從圓柱狀筒套122延伸出的上部法蘭124和與上部法蘭124反向、從圓柱狀筒套122延伸出的基部法蘭126。
一個軟鐵磁性過渡環(huán)128起到耦合介質(zhì)的作用，用于將位于復壁106外部的上部法蘭124磁連接(magnetically connect)到位于室100內(nèi)的軟鐵磁性場夾持構(gòu)件130。過渡環(huán)128可被耦合在上部室罩102和下圓柱體104之間。如圖6中所示，過渡環(huán)128包括在其圓周上形成的孔129，用于允許冷卻液，例如水，從上部室罩102到下圓柱體104繞間隙108循環(huán)。過渡環(huán)128還包括緊固孔131，用于使過渡環(huán)128能夠被緊固于場夾持構(gòu)件130上。
冷卻液收集由室100所產(chǎn)生的熱。冷卻液還冷卻過渡環(huán)128和場夾持構(gòu)件130，并維持它們處于足夠低的溫度(例如，50℃-300℃)以防止它們的磁性能惡化。盡管比軟碳鋼(soft carbon steel)要昂貴，用磁性馬氏體不銹鋼構(gòu)造過渡環(huán)128顯著地抑制了來自冷卻液的有害的侵蝕。
參照圖3和圖8，連接于線圈組112的第一匝和最后一匝的螺紋接線端132通過圓柱狀筒套122上的一個切口134接觸。到線圈冷卻板116A-E的接頭136也可通過切口134接觸。通過切口134的雜散場泄漏是小得可忽略的，因為穿過圓柱狀筒套122的磁通量能夠叉開，從切口134的兩邊中的任意一邊傳遞下去。
線圈組112和鐵磁性外殼120的方向和物理排列產(chǎn)生用于穩(wěn)定晶體生1長、具有足夠大強度(例如，500-3000Gs)的垂直磁場。包括了場夾持構(gòu)件130的外殼120可具有相對較低的質(zhì)量(例如，350-450Kg)，但是具有足夠的厚度，以使得不被完全磁化或者被所需的至少1500Gs的最大磁場所產(chǎn)生的磁通量所磁飽和。合適的厚度T1的例子(圖3和圖4)包括大約8mm到大約40mm，更確切地說大約12mm到大約25mm。包括了場夾持構(gòu)件130的外殼120可由例如低碳鋼的任何合適的軟鐵磁性材料構(gòu)造而成。
參照圖3和圖4，在另一個實施例中，磁性外殼120可另外包括由襯墊140所支撐的場成形板138。場成形板138支撐大致位于室100中央的晶體生長器皿組件142。場成形板138的功能包括，但不限于，增強硅熔體(圖1中的12A)之上的磁場和控制沿著硅熔體在X方向上的磁場強度的變化。場成形板138和襯墊140也可由例如碳鋼的軟鐵磁性材料制成。場成形板138可具有大約25mm到大約40mm的示例性的厚度T2。襯墊140提供了從基部法蘭126的頂面到場成形板138的底面的大約30mm到大約100mm的間距，更確切地說，大約50mm到大約70mm。襯墊140的功能包括，但不限于，場成形板138到基部法蘭126的有效的磁耦合、為加熱器的金屬絲構(gòu)件(filament hardware)提供場成形板138之下的空間和在外殼120內(nèi)提供一個大的垂直空間以在外殼120內(nèi)裝配線圈組112以及由此減少所需要的線圈功率。
如圖9A、9B和9C所示，場成形板138可具有可變的厚度以便產(chǎn)生一個非平面的表面。參照圖9A，場成形板138具有一個比外側(cè)區(qū)更薄的中間區(qū)。這樣一種結(jié)構(gòu)使位于硅熔體的每一端的磁場相對于位于熔體中央的磁場得到增強。或者，如圖9B所示，中間區(qū)具有比外側(cè)區(qū)更大的厚度，位于硅熔體的端部的磁場相對于位于中央的場被減弱。根據(jù)另一個實施例，如圖9C所示，場成形板138可具有波浪形表面用于選擇性地改表硅熔體之上的磁場。
包括了場夾持構(gòu)件130的鐵磁性外殼120、場成形板138和襯墊140產(chǎn)生一個大約500Gs到3000Gs的磁場強度，該磁場強度對應于線圈中大約170W到大約6300W的功率耗散。
如圖3中最好地被示出的，器皿組件142可部分地被熱絕緣體，例如石墨元件144，所包圍。通過包圍器皿組件142的底部和側(cè)面，石墨元件144提供了熱絕緣，用于最小化所需用于將坩堝元件146(見圖10)維持在所需操作溫度(例如，大約1400℃)的功率。
題為“用于穩(wěn)定蹼狀枝晶生長的方法和系統(tǒng)(Method and Systemfor Stabilizing Dendritic Web Crystal Growth)”的專利申請，序列號09/294,529，1999年4月19日提交，被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并在這里通過引用被引入，其描述了坩堝元件146。簡短地說，參照圖10和圖11，坩堝元件146包括被第二熔化區(qū)148B所圍繞的第一熔化區(qū)148A。第一熔化區(qū)148A通過隔板150與第二熔化區(qū)148B分隔開。隔板150中的小開口(未示出)允許熔融成份，例如硅，從第二熔化區(qū)148B流入第一熔化區(qū)148A。通過維持第一熔化區(qū)148A恰好低于硅晶體的熔點(1412℃)，晶體不斷地從第一熔化區(qū)148A凝結(jié)出來。通過加熱第二熔化區(qū)148B到晶體熔點之上和用機械方式通過加料孔152向第二熔化區(qū)148B中加入小硅片，第一熔化區(qū)148A被補充。蓋子154，例如鉬制(Mo)蓋子，和擋板156掩蓋著坩堝元件146。一個孔隙(標號被省略)被設置在蓋子154和擋板156上以允許從器皿組件142中拉出蹼狀枝晶158。起減少通過蓋子154的熱損失作用的擋板156在蹼狀枝晶158上產(chǎn)生一個垂直的溫度分布以在最小熱應力情況下冷卻蹼狀枝晶158。電阻加熱器160可圍繞并通過基座162給予足夠的熱能量以在晶體生長過程中維持器皿組件142和生長中的蹼狀枝晶158處于適當?shù)臏囟?。向前參照圖3，電功率經(jīng)由基部法蘭126上的饋通(feed-through)耦合器164傳送到電阻加熱器160。
如圖3和圖4中最好地被示出的，蹼狀枝晶158被用機械方式從熔爐室100的頂部沿Z軸方向拉出或抽出，穿過場夾持構(gòu)件130上的開口166和熔爐室100的開口端168。圖7是具有有著矩形開口166的盤狀體170的場夾持構(gòu)件130的俯視圖。矩形開口166被示為具有沿X軸方向的長度L和沿Y軸方向的寬度W。長度L和寬度W可以是任何合適的尺寸，W最好應盡可能的小以減少通過開口166的磁場泄漏和維持硅熔體處的最大地被增強的磁場。作為示例，長度L可以從大約150mm到大約350mm，更確切地說從大約250mm到大約300mm。合適的長度還應該允許對蹼狀枝晶形成的直接的視線。作為示例，寬度W可以從大約50mm到大約180mm，更確切地說從大約80mm到大約120mm。如圖10中所示，蹼狀枝晶158具有沿X軸方向的寬度、沿Z軸方向的長度和沿Y軸方向的厚度。
一個本領域的普通技術人員可以發(fā)現(xiàn)能夠通過本發(fā)明實現(xiàn)的各種其它實施例。例如，線圈組112只需要適度的線圈功率并具有極好的磁自屏蔽(magnetic self-shielding)。從而，場夾持構(gòu)件130的矩形開口166可被做成在Y方向上更大而不會因此引起幾何磁動勢(mmf，MagnetoMotive Force)因子k或者線圈功率，或者外部雜散磁場的急劇增大。場夾持構(gòu)件130的開口166也可采取其它形狀，例如橢圓形、圓形等。這樣的其它實施例在控制蹼狀枝晶的垂直溫度分布上可能具有優(yōu)勢。
垂直磁場線圈組112和磁殼120的方向和物理排列產(chǎn)生用于穩(wěn)定晶體生長的垂直方向的磁場。其它有利之處已被評述為包括，但不限于，所需用于在產(chǎn)品的生產(chǎn)中獲取相當?shù)挠欣Y(jié)果的功率和線圈體積的減少，更長的平均晶體長度，和對包括了容納熔融硅的圖11中的生長器皿142和石英坩堝146的室100的組成部分的侵蝕的減小。本發(fā)明實施例的磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的偶極磁體系統(tǒng)大不相同。如圖2所示，傳統(tǒng)的偶極磁體產(chǎn)生一個X或Y方向的水平場。傳統(tǒng)的偶極磁體具有一對物理上可識別的磁極32A和32B以及分別纏繞每個磁極32A和32B的線圈36A和36B。磁極32A和32B之間的空間，即工作間隔G容納有一個生長器皿34。外部磁軛38磁連接磁極32A和32B。
使用這樣一個傳統(tǒng)的偶極子(dipole)來產(chǎn)生垂直的(Z方向)磁場是非常困難的。當以這種方式定向時，也就是說，一個磁極位于室30的頂部，另一個位于室30的底部，上磁極和線圈將會與穿過室30的頂部的蹼狀晶體抽取相干擾。簡單地說，上磁極和線圈將形成室30頂部的一個物理障礙，使得難于抽出蹼狀晶體。
對于本發(fā)明實施例的磁系統(tǒng)，圍繞著室100只使用了單個線圈組112。因此，不再使用分開的一對反向磁極。最多存在一個由襯墊140和場成形板138形成的殘留磁極。沿Z軸方向的垂直磁場被產(chǎn)生而不需要在室100的頂部放置一個磁極，并且有一個適當?shù)卮蟮目紫?66用于抽取蹼狀晶體和無任何視覺障礙地監(jiān)視其形成。
參照圖4和12，現(xiàn)在計算所需用于驅(qū)動從場成形板138的上表面(位于z＝z1)，跨越容納了生長器皿組件142的工作間隔G，到場夾持構(gòu)件130的開口166的下邊緣(位于y＝y(tǒng)1)的磁通量的線圈的安培—匝數(shù)(amp-turns)J或磁動勢(mmf)。根據(jù)安培定律(J.C.Slater和N.H.Frank，Electromagnetism，McGraw-Hill，1947，pp.59-62)J≈1μ0{∫z1G+z1Bz(0,0,z)dz+∫0y1By(0,y,G+z1)dy}----(1)]]>倘若鐵磁性外殼120的厚度足以防止外殼被完全磁化，也就是磁飽和，那么所需用于驅(qū)動穿過鐵磁性外殼120的磁通量的磁力(magneticforce)與由等式(1)給出的用于驅(qū)動跨越工作間隔的磁通量的磁動勢J相比是可忽略的小的。
由于工作間隔中的磁場B大致沿Z方向，所以磁通量Φ由Bz在場夾持器130和上部法蘭124的區(qū)域上的積分近似地給出。換句話說，Φ≈{∫∫Bz(x，y，G+z1)dxdy} (2)≈π/4B0Dc2其中B0是蹼狀晶體—熔體(web-melt)界面(即，位于z＝0)上的磁場的z分量，Dc是線圈組112的平均直徑。如果Ds是筒套122的平均直徑，Bs是筒套122中的極限磁通量密度，為了避免磁飽和，筒套122的最小厚度為Tmin≈Φ/πDsBs≈B0Dc2/4BsDs(3)圖3中所示熔爐和磁發(fā)生器的示例性的值為B0＝3kGDc＝668mmDs＝835mm
Bs＝18kG給出最小筒套122厚度Tmin為22.3mm。
上部法蘭124、基部法蘭126和場夾持構(gòu)件130也應該在接近它們的外側(cè)圓周處具有這個最小厚度以避免磁飽和。
參照圖7，使場夾持器開口166在X方向上比Y方向上更長以便于熔爐操作者通過視頻攝像機監(jiān)視晶體形成和生長，這具有實用重要性。應該注意，y1被做得較小，以便最小化等式(1)中的第二項并因此最小化磁動勢。保持y1較小的第二個原因是為了最小化穿過該孔漏到外部操作環(huán)境中的磁場。
如果等式(1)采用以下形式書寫，則它可被更清晰地理解J=1μ0kB0G----(4)]]>其中k是依賴于外殼120的具體結(jié)構(gòu)而在較小程度上依賴于線圈的具體結(jié)構(gòu)的幾何磁動勢因子。比較等式(1)和等式(4)，可以得到k=1B0G{∫z1G+z1Bz(0,0,z)dz+∫0y1By(0,y,G+z1)dy}----(5)]]>現(xiàn)在k的重要性變得很明顯。在當y1＝10并且磁場絕對均勻(Bz＝B0)的理想情況下，k的表達式中的第二項消失，而第一項是1。可以得到k≥1 (6)k越接近1，則從最小化由等式(4)給出的磁動勢的角度來說結(jié)構(gòu)就越理想。
k的值可以使用位于美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯國家實驗室于1987年在其第LA-UR-87-115號技術報告中提出的POISSON/SUPERFISH編碼(POISSON/SUPERFISH，LA-UR-87-115，1987 Los Alamos NationalLaboratory，Los Alamos，NM 87545)從理論上計算出來。圖12示出了如此計算對圖3和圖4的實施例的結(jié)果。等高線180代表等值遞增的磁流管(tubes of magnetic flux)。k與y1/G的比值在圖3中被描畫出。如圖4中所示，對于y1＝56mm，G＝200mm的情況，我們得到k＝1.12(7)
對于圖2中所示類型的傳統(tǒng)偶極子，如圖14中所示，k與R/G的比值要高得多，其中R是磁極半徑。例如，就圖3中所示熔爐而言，G＝500mm，對于磁極端部半徑R＝125mm，則k＝1.57(8)從圖12可以看到，包圍線圈組112的外殼120實際上容納著該磁場。唯一顯著的場泄漏是來自場夾持構(gòu)件130的開口166。次要的泄漏可出現(xiàn)在該系統(tǒng)中可能存在的其它孔隙處，例如作為系統(tǒng)構(gòu)造或者裝配的結(jié)果的孔182。如圖15A和圖15B中所示，與應用于該相同熔爐的水平場磁體相比較，本發(fā)明的實施例可將雜散磁場減少到1/10或者1/100。在圖15A中，被字母A到L標識的垂直軸是室100中沿Z軸的物理位置——從室100的頂部開始到底板為止。在圖15B中，A到F是側(cè)向位置，即，沿X軸，在z＝0處，穿過室100的操作面(front)。
在商用系統(tǒng)中獲得低線圈功率耗散是很重要的，因為這直接影響生產(chǎn)工廠的運行和資本成本。在平均匝長度為L、銅橫截面面積為A的圓柱狀線圈情況下，功率耗散P為P=J2LσA=k2B02G2Lσμ02A----(9)]]>其中σ為線圈繞組材料的電導率。從資本成本的觀點來看，線圈導體的體積V也是很重要的V＝LA (10)下面的表格示出在垂直場磁體情況下，線圈功率為2.8kW，銅體積為0.038m3，在硅熔體上產(chǎn)生一個2000高斯(Gauss)的場。這僅是用傳統(tǒng)的水平場、偶極磁體獲取相同磁場所需的功率的40％和所需銅體積的60％。垂直場磁體的質(zhì)量M也顯著地少了。
參數(shù) 垂直場磁體 水平場磁體線圈導體 銅 銅B0(Gauss)2,0002,000G(mm) 200 500k 1.12 1.57L(mm) 2,1001,225A(mm2) 18,080 51,600V(m3)0.0380.063M(kg) 890 2490P(kW) 2.80 7.40其它與晶體生長相關的商用優(yōu)點可通過本發(fā)明的多種多樣的實施例來實現(xiàn)。例如，使用相同的生長器皿，與例如圖2中所示的傳統(tǒng)配置的2000高斯相比，一個1500高斯的磁場能穩(wěn)定晶體生長。參照等式(9)，以這個較低的穩(wěn)定磁場操作將線圈功率從2.8kW減少到1.58kW，也就是減少了43％。
另一個示例性的優(yōu)點是產(chǎn)生了更長的平均晶體長度。例如大約9.4m的長度已經(jīng)被制造出，遠遠超出現(xiàn)代商用可行的4.5m。
另一個示例性的優(yōu)點是能夠?qū)⑹③釄宓那治g速率降低大約50％。作為例證，一個2mm的坩堝壁厚度提供18天的運行，相比之下，一個使用圖2的配置的系統(tǒng)提供9天的運行。
熔爐室100中的工作容積Vw可通過在空間上把室100的尺寸縮放S倍來變得更小或更大，在這種情況下Vw∝S3(11)根據(jù)等式(9)線圈功率因子Pσ/B2與S成正比，即，Pσ/B2∝S∝Vw1/3(12)根據(jù)等式(3)可以得出為了避免飽和，鐵磁性外殼120質(zhì)量必須隨S3變化而變化。線圈組112質(zhì)量也將隨S3變化而變化，并由此磁發(fā)生器質(zhì)量M作為一個整體隨S3變化而變化，也就是說，M∝S3∝Vw(13)考慮以上的比例關系，本發(fā)明的各種實施例的不依賴于縮放比例的(scale independent)品質(zhì)因數(shù)fm(figure of merit)是fm＝B2Vw4/3/PMσ(14)如果使用冷凍冷卻來降低σ，功率P不但包括繞組上耗散的電阻性功率還應該包括制冷機所消耗的功率。
線圈功率P和磁發(fā)生器質(zhì)量M實際上分別是運行成本和資本成本的度量。對于特定的磁場B當它們減小時，品質(zhì)因數(shù)相應地增大。
參照圖3，下圓柱體104圍起一個圓柱狀工作容積Vw，示例性地，該容積直徑為585mm，高為300mm，其值為Vw＝0.7854×300×5852＝8.0635×107mm3取σ＝5.8×104mm/ohm作為銅繞組的電導率，且如以上表格中所給出的B＝2,000Gs，P＝2,800W，M＝890kg，等式(15)給出品質(zhì)因數(shù)fm＝0.964OhmGs2mm3/kgW通過比較，表格中所描述的傳統(tǒng)水平磁體品質(zhì)因數(shù)fm＝0.137，比垂直場磁體的品質(zhì)因數(shù)小6被。使用本發(fā)明，能夠獲得大于0.5左右的品質(zhì)因數(shù)。
快速、方便的接觸熔爐室100的內(nèi)部零件，以更換被侵蝕的坩堝、去除沉積的硅和維護內(nèi)部熔爐器皿是很重要的。參照圖3，通過利用例如螺旋提升機或絞盤的機械裝置將室100、線圈組112以及外殼120的零件122、124和126作為一個整體部件提升接觸到生長器皿組件142。提升之后，繞X或Y軸的90度旋轉(zhuǎn)提供了進入室100清潔和維護的方便途徑。參照圖3，由任何合適的材料，例如不銹鋼制成的基部法蘭184被焊接到室100的基部，以輔助形成要被提升的零件的整體部件。線圈組112可以利用，例如，六個擰入下冷卻板116D的M12螺栓被緊固于基部法蘭184。用于提升和旋轉(zhuǎn)整體部件的機械裝置可以用螺栓緊固到筒套120和基部法蘭184上。在過渡環(huán)128的外表面和上部法蘭124的內(nèi)表面之間有一個大約1mm的小間隙。這個間隙方便了熔爐和磁體的組成部分的裝配。這樣一個小間隙并不顯著增加所需的磁動勢或者線圈功率，或者外部雜散磁場。
操作和使用為了生產(chǎn)蹼狀枝晶的結(jié)合了線圈組112的熔爐室100的操作將通過以下示例說明。示例不應被解釋成對本發(fā)明實施例的范圍的限制。石英坩堝16(圖1)起初裝有275g高純度的小硅片，然后被放置在生長器皿組件142的鉬制基座162(圖10)之中。鉬制蓋子154和鉬制擋板堆156被放置到位。當生長器皿組件142安裝完成，熔爐室100的上部分被下降到位。室100的內(nèi)部被抽空并檢測以保證室100不會有到外部環(huán)境的泄漏。泄漏檢測之后，室內(nèi)部回充入惰性氣體氬。接著加熱器160(圖10)被加上電壓，功率水平為22kW，以便熔化硅料。將硅的溫度從室溫提高到稍微超出它的熔點1412℃需要大約45分鐘。一旦硅被熔化，加熱器160的功率被降低到約為9kW以維持硅處于熔化狀態(tài)。然后打開給線圈112(圖3)的冷卻液，經(jīng)過5分鐘這些線圈勻速上升到2kW的功率水平，以在硅熔體的中心產(chǎn)生1250Gs的磁場強度。1250Gs被發(fā)現(xiàn)足以穩(wěn)定蹼狀枝晶的生長。在晶體生長運行的過程中，一般為兩個星期，場強度保持固定在1250Gs。
晶體的生長由將枝晶晶種浸入熔融硅中并調(diào)整硅的溫度直到晶種18既不熔化也不凝結(jié)，而是“保持”在熔點1412℃開始。接著硅熔體的溫度被降低若干度，使得硅開始在該單個晶體晶種上凝結(jié)，并且在熔體的表面固體硅“翼”以線性方式從枝晶晶種18向外生長。當這個“翼展(wingout)”達到大約4cm的長度時，枝晶晶種開始被向上拉并且在“翼展”的端部形成圍繞的枝晶。一層熔融硅的薄膜形成于這些圍繞的枝晶和上面的“翼展”之間，并且這層薄膜凝結(jié)形成薄(100μm)單晶體硅帶。對拉的速度和熔化溫度做出調(diào)節(jié)直到達到蹼狀晶體從熔體中以大約1.8cm/min的速率被拉出的穩(wěn)定狀態(tài)。為了補償被拉出的固體晶體材料，熔體用倒入?yún)^(qū)12B(圖1)并熔化的小硅片來補充。蹼狀晶體經(jīng)過幾米的長度后自然地加寬到6cm，然后在它的生長過程中保持在那個穩(wěn)定態(tài)值上。晶體由于多種原因中的任何一個原因結(jié)束之后，另一個晶體如上所述地開始了。垂直磁場強度在整個晶體生長運行過程中保持不變，該過程一般持續(xù)大約兩個星期。一旦運行完成，供給加熱器的功率被降低到0，硅熔體凝結(jié)。這個時候供給線圈112的功率也被降低到0，并且為了清潔和下次運行，啟動室被允許冷卻到室溫。
盡管已經(jīng)示出和說明的本發(fā)明的特定實施例，但是一個本領域的普通技術人員可以發(fā)現(xiàn)可以做出改變和改進，而在其更廣泛的各方面不背離本發(fā)明實施例。例如，由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所提供的優(yōu)點適用于，但不限于，蹼狀硅枝晶的生長。包括了例如鍺的多種其它成分的蹼狀枝晶也可以利用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)被生長。因此，所附權利要求將在其范圍中包含所有這樣落入了本發(fā)明實施例的真正精神和范圍的改變、等效和改進。
權利要求
1.一種用于制造半導體襯底的設備，包括(a)室；(b)位于所述室內(nèi)的生長器皿組件，所述生長器皿組件被用于生長襯底；和(c)環(huán)繞所述室的周邊的磁場發(fā)生器，所述磁場發(fā)生器被用于在生長過程中提供磁場。
2.如權利要求1所述的設備，其中，襯底是蹼狀枝晶硅或蹼狀枝晶鍺。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述磁場發(fā)生器產(chǎn)生垂直方向的磁場。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述磁場發(fā)生器包括環(huán)繞所述室的所述周邊的線圈組。
5.如權利要求4所述的設備，還包括與所述線圈組熱連通的冷卻板。
6.如權利要求5所述的設備，其中，所述冷卻板被用于傳遞通過所述線圈組的所述電流產(chǎn)生的熱，其中，所述熱被通過分布于所述冷卻板中的冷卻管流動的水傳遞，并且其中，所述冷卻管與所述線圈組電絕緣，以顯著地消除電蝕。
7.如權利要求5所述的設備，其中，所述線圈組與所述冷卻板電絕緣。
8.如權利要求4所述的設備，其中，所述線圈組涂有環(huán)氧樹脂并用玻璃纖維帶纏繞。
9.如權利要求1所述的設備，還包括至少部分包圍所述磁場發(fā)生器的外殼，用于將該磁場容納在外殼內(nèi)部。
10.如權利要求1所述的設備，還包括至少部分包圍所述磁場發(fā)生器的外殼，用于控制室內(nèi)部的磁場的方向。
11.如權利要求1所述的設備，還包括至少部分包圍所述磁場發(fā)生器的外殼，用于增強所述生長器皿組件處的磁場強度。
12.如權利要求1所述的設備，還包括至少部分包圍所述磁場發(fā)生器的外殼，其中，所述外殼由鐵磁性材料制成。
13.如權利要求1所述的設備，還包括包圍靠著所述室的壁的所述磁場發(fā)生器的外殼，其中，所述外殼包括一個筒套體，該筒套體具有從其一端延伸出的上部法蘭和與所述上部法蘭相反并包圍所述筒套體的另一端的基部法蘭。
14.如權利要求13所述的設備，其中，所述外殼還包括一個設置在所述室內(nèi)并位于所述生長器皿組件上方的場夾持構(gòu)件；所述場夾持構(gòu)件有一個開口，通過該開口所述襯底可從所述生長器皿組件被抽出；并且所述場夾持構(gòu)件與位于所述室外部的所述上部法蘭磁連通。
15.如權利要求14所述的設備，其中，一個過渡環(huán)將所述上部法蘭磁耦合到所述場夾持構(gòu)件。
16.如權利要求15所述的設備，其中，所述室包括包圍下部室體的上部室罩，所述上部室罩和所述下部室體由被間隔分開的復壁結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，所述間隔被用于在所述復壁結(jié)構(gòu)中循環(huán)冷卻液以去除由所述室產(chǎn)生的熱，其中，所述過渡環(huán)被耦合在所述上部室罩和所述下部室體之間，所述過渡環(huán)包括分別與所述間隙對齊的多個開口，以使得所述冷卻液能在所述復壁結(jié)構(gòu)之中循環(huán)。
17.如權利要求1所述的設備，還包括設置于所述室中并支撐所述生長器皿組件的場成形板，所述場成形板增強所述生長器皿組件之上的磁場。
18.如權利要求1所述的設備，還包括設置于所述室中并支撐所述生長器皿組件的場成形板，其中，所述場成形板具有可變的厚度以限定出所選擇的幾何結(jié)構(gòu)。
19.一種用于被用來制造蹼狀枝晶的熔爐室的磁場系統(tǒng)，包括線圈組，用于在所述熔爐室內(nèi)部提供磁場；和鐵磁性外殼，用于將所述磁場基本上容納在所述熔爐室內(nèi)部，其中，所述磁場大致沿垂直方向。
20.如權利要求19所述的磁場發(fā)生器，其中，所述線圈組包括至少一個繞組單元和與所述繞組單元熱連通的冷卻板。
21.如權利要求19所述的磁場發(fā)生器，其中，所述繞組單元被環(huán)繞所述熔爐室的周邊設置。
22.一種用于制造半導體襯底的方法，包括以下操作(a)提供一個具有生長器皿組件的室，所述生長器皿組件容納熔體；(b)從所述熔體中生長襯底；和(c)在所述生長操作中利用磁場發(fā)生器來向所述熔體施加磁場，其中，所述磁場沿襯底生長的縱向方向施加；并且其中，所述磁場發(fā)生器外接所述室的周邊。
23.一種根據(jù)權利要求22的方法所產(chǎn)生的蹼狀枝晶。
24.如權利要求22所述的方法，還包括一個鐵磁性外殼，用于把磁場基本上容納在所述室中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于制造例如蹼狀晶體的半導體襯底的設備和方法。該設備包括室和封裝在室內(nèi)的生長器皿組件。磁場系統(tǒng)在室內(nèi)產(chǎn)生一個垂直的磁場。
文檔編號C30B29/02GK1484715SQ01821538
公開日2004年3月24日 申請日期2001年12月28日 優(yōu)先權日2000年12月29日
發(fā)明者希爾頓·F·格拉維施, 磯崎秀之, 舞惠治, 藤田健太郎, 之, 太郎, 希爾頓 F 格拉維施, 治 申請人:埃伯樂太陽能公司