CN1484715A - 磁场炉和一种使用磁场炉制造半导体衬底的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制造例如蹼状晶体的半导体衬底的设备和方法。该设备包括室和封装在室内的生长器皿组件。磁场系统在室内产生一个垂直的磁场。

Description

磁场炉和一种使用磁场炉制造半导体衬底的方法

技术领域

本发明涉及半导体衬底制造，更具体地涉及一种用于使用磁场炉(magnetic field furnace)制造晶体的系统和方法。

背景技术

蹼状枝晶带(dendritic web ribbon crystal)因为它们的高化学纯度、低结构缺陷密度、矩形的形状和相对较薄的晶体尺寸而被普遍用作太阳能电池的衬底。另外，由蹼状枝晶硅制成的太阳能电池具有高达17.3％的光能到电能的转化效率，这比得上使用昂贵的工艺，例如浮游区域法(Float Zone)制成的硅和其它已知的复杂的工艺所获得的高效率。

图1图示了一条或一片蹼状硅枝晶10。蹼状硅枝晶10作为单晶体从第一硅熔化区12A被抽出。第二硅熔化区12B通过隔板14与第一熔化区12A分开。采用隔板14，以在第一硅熔化区12A和第二硅熔化区12B之间提供热绝缘的措施。隔板14上的小的开口(未示出)允许熔化的硅从第二熔化区12B流入第一熔化区12A。通过将第一熔化区12A恰好保持在硅的熔点之下，第一熔化区12A中的晶体不断地凝结(freeze)。第二熔化区12B通过被加热到刚好在熔点之上，并用机械方式向第二熔化区12B中加入小硅片(silicon pellet)而被补充。第一硅熔化区12A和第二硅熔化区12B被包含在坩埚16中。

硅晶体10一般通过以大约1.8cm/min的速度向上拉晶种18而生长。所产生的蹼状硅枝晶10包括被硅枝晶22围绕的硅蹼部分20。与一般厚度约为550μm的标称为正方形的枝晶相比，蹼状部分20一般宽度约为3到8cm，厚度约为100μm。为了维持上述晶体生长，枝晶支撑结构在容纳于第一熔化区12A中的熔体的表面下的突出的(pointed)枝晶尖端24上不断再生(regenerate)。

传统的蹼状枝晶生长工艺因为一些缺点而不尽如人意，例如“亚稳定性”，其造成晶体生长过早地结束。晶体长度仅能够达到一或两米，在商业上生产这样的晶体是不实用的。为了提供一种商业上改进的产品，向晶体被从其中拉出的熔体施加磁场被发现能带来改进，包括蹼状枝晶生长的稳定性。题为“用于稳定蹼状枝晶生长的方法和系统(Method andSystem for Stabilizing Dendritic Web Crystal Growth)”的专利申请，序列号09/294,529，1999年4月19日提交，被转让给本发明的受让人，其描述了向蹼状枝晶生长施加磁场。这样的磁场的一个例子在图2中被图示出。图2图示了具有包括一对物理上可识别的反向磁极32A和32B的偶极磁体(dipole magnet)的熔炉室30。位于磁极32A和32B之间的工作间隔G是放置用于容纳坩埚的生长器皿(growth hardware)34的位置。线圈36A和36B分别缠绕磁极32A和32B，用于产生一个水平磁场，即，大致上沿着X或Y轴方向。外部磁轭(yoke)38将磁极32A和32B磁连接。

现在所发现的是如果与水平场，即大致上沿X或Y轴方向相反，一个垂直磁场，即大致上沿Z轴方向，被施加于生长器皿34，则能够取得很多优点。为了产生一个垂直磁场，磁极32A和32B必须位于室30的顶部和底部。但是这种结构与蹼状枝晶的生产相干扰。更具体地说，顶部磁极起了物理障碍的作用，妨碍了穿过室30的顶部抽取蹼状晶体。因此需要一种产生大致上垂直的磁场而不干扰蹼状晶体的生产的磁发生器(magneticgenerator)。

发明内容

根据本发明实施例中的一个方面，提供了一种用于制造例如蹼状晶体的半导体衬底的设备。该设备包括室和位于室中的生长器皿组件。生长器皿组件被用于生长衬底。磁场发生器环绕于室的周边。该磁场发生器被用于在生长过程中提供磁场。室具有一个大致可由晶体生长的纵向方向定义的垂直轴(图示为Z轴)。磁场发生器产生一个大致沿这个垂直方向的磁场。

在一个实施例中，磁场发生器包括环绕于室的周边的线圈组。该线圈组包括至少一个绕组单元，用于接收电流。冷却板与线圈组热连通。该冷却板被用于传递由通过绕组单元的电流所产生的热。热可通过在分布于冷却板中的冷却管中流动水而被去除。冷却管可与绕组单元电绝缘以显著降低或者消除电蚀。

外壳能够至少部分包围磁场发生器。该外壳可被用于将磁场容纳于外壳内，用于控制室内的磁场方向和增强生长器皿组件处的磁场强度。

在一个实施例中，外壳可包括一个筒套体(sheath body)，该筒套体具有从其一端延伸出的上部法兰和与该上部法兰反向并包围筒套体的另一端的基部法兰。外壳可由铁磁性材料制成，并还可包括一个设置于室内并位于生长器皿组件上方的场夹持构件(field clamp member)。该场夹持构件具有一个开口，通过该开口蹼状晶体可从生长器皿组件被抽出。场夹持构件与位于室外部的上部法兰磁连通。过渡环可被用于将上部法兰磁耦合到场夹持构件。

根据另一个实施例，可以在室内设置场成形板(field shapingplate)，用于支撑生长器皿组件。该场成形板可增强生长器皿组件上方的磁场。场成形板可具有可变的厚度以限定出所选择的几何结构，磁场强度依赖于该几何结构。

根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种用于制造蹼状枝晶的工艺。该工艺包括：提供一个具有生长器皿组件的室——该生长器皿组件容纳熔体；从该熔体生长衬底；以及在生长操作的过程中向熔体施加磁场，其中，所述磁场在室内沿生长的纵向方向被施加。磁场发生器外接室的周边以向熔体施加磁场。

附图说明

图1是用于生长蹼状枝晶的传统坩埚的横截面示意图；

图2是被用于生产衬底的传统熔炉室的截面示意图，该室包括了用于向坩埚施加水平磁场的偶极磁体；

图3是具有带磁性外壳的磁场发生器的熔炉室的一个实施例的侧视截面图；

图4是具有带磁性外壳的磁场发生器的熔炉室的一个实施例的侧视截面图；

图5是被冷却板所罩住的磁场发生器的绕组单元的截面的放大图；

图6是与熔炉室一起被使用的过渡环的一个实施例的俯视图；

图7是具有用于允许蹼状晶体从熔炉室被抽出的开口的场夹持构件的一个实施例的俯视图；

图8是包含局部剖开截面的熔炉室俯视图。

图9A-C图示了由磁性外壳的衬垫所支撑的场成形板的各种其他的实施例。

图10是被用于制造蹼状枝晶的传统生长器皿组件的剖开立体视图；

图11是用于图10中的生长器皿组件的坩埚的俯视示意图；

图12是通过计算得到的图3和图4的熔炉室的磁系统的磁流管(magnetic flux tube)图；

图13是根据本发明的一个实施例，几何磁动势因子随场夹持构件上开口的较窄尺寸的宽度与工作间隔的比的变化曲线图；

图14是几何磁动势因子随磁极半径与图2中所示偶极子(dipole)系统的工作间隔的比的变化曲线图；

图15A和图15B是将根据本发明的一个实施例的系统和熔炉的杂散磁场与图2的偶极子磁系统的杂散磁场比较的曲线图。

具体实施方式

设备

现参见各图，其中相同部分用相同的标号标记，图3和图4图示了被用于制造例如单晶体或多晶体类型衬底的半导体衬底的熔炉室100。一个本领域的普通技术人员可以知道本发明的实施例可被用于硅片和硅带(silicon sheet and ribbon)生长的制造，包括Evergreen Solar生产的硅带(string ribbon)和ASE Americas生产的边缘限定薄膜供料生长(EFG，edge-defined film-fed growth)硅片(sheet)。但是为了讨论的目的，本发明的实施例将参照蹼状枝晶的生产来说明。

室100的结构可由包围下圆柱体104的上部室罩102大致限定。室100可大致为钟形，并可包括包围了例如为约5mm到约12mm的间隔108的复壁(double-wall)结构106。作为示例，而不是限制，下圆柱体104可具有约为600mm的直径。室100可具有各种几何形状，包括椭圆形、正方形等，该几何形状不应被理解成限于附图所描述或示出的。间隙108提供了一种通过在间隙108中循环冷却液，例如水，来除热并控制室100的温度的方法。非铁磁性材料，例如奥氏体不锈钢，可被用于制造室100。室100顶部所提供的观察口110穿透复壁106，以便使操作者能够在制造过程中监视蹼状枝晶。观察口110被图示成向着与Z轴成约45°的方向，以便给操作者直接的视线。

位于复壁106外部的圆柱形状的线圈组112围绕着下圆柱体104，也就是说，装配成像一个环绕圆柱体104的圆环。线圈组112被用来在室100中产生一个大致沿垂直方向的磁场。“垂直”被定义为大致平行于所示Z轴的方向。或者，“垂直”被定义为大致平行于蹼状晶体的纵向生长的方向。线圈组112被图示为近似以Z轴为中心，Z轴穿过室100的中心；但是，线圈组112可以相对于Z轴被不对称的排列。一个本领域的普通技术人员能够发现其它几何结构，例如椭圆形或方形可适用于线圈组112。

在一个有用的商用实施例中，线圈组112可包括电学上串联的四个分开的绕组单元114A、114B、114C和114D。例如，绕组单元114A-D可由65匝尺寸为1.245mm×50.8mm、连续缠绕并且具有0.08mm厚的匝间电绝缘体的铜条构造而成。例如聚酯薄膜的绝缘体就合适。

在一个实施例中，三个环状冷却板116A、116B和116C可被设置在每一对相邻放置的绕组单元114A-D之间。冷却板116A-C可由任何合适的材料制成，例如铝，并且可具有任何适合的厚度，例如，10mm。由例如20mm厚的铝制成的更厚更坚固并且更加结实的冷却板116D和116E可被用来罩住绕组单元114A和114D的顶部和底部。冷却板116A-E提供了一种用于除去或散逸从通过绕组单元114A-D的电流产生的欧姆热(ohmicheat)的方法。例如水的冷却液可经由冷却管118，例如插入冷却板116A-E的铜管，穿过冷却板116A-E而被循环。所描述的结构实施例的一个重要的方面是冷却管118与绕组单元114A-D电绝缘。在水冷却的情况下，冷却管118与绕组单元114A-D电绝缘显著地消除了电蚀和对使用去离子冷却水的需要——这实际上降低了运行和维护成本。

参照图5，绕组单元114A的部分放大的截面图被示为被冷却板116D所罩住。冷却管118位于冷却板116D之中。铜条113可形成绕组单元114并可包括例如聚酯薄膜的电绝缘体115。在一个实施例中，交错相间的(interleaved)玻璃纤维布117可被用作一种用于电学上将绕组单元114A-D与冷却板116A-E隔绝的装置。整个线圈组112也可被用玻璃纤维带缠绕，接着用环氧树脂进行真空浸渍，以实现一个单个、坚固并且不泄漏的线圈组112。线圈组112在运行过程中应保持高度的统一性(integrity)，对抗由热引起的膨胀和收缩中产生的应力。绕组单元114A-D的边缘和冷却板116A-E的相邻表面之间的树脂浸渍的玻璃纤维为有效传热提供了足够高的热传导率。

线圈组112的实施例不应被限于上述描述。一个本领域的普通技术人员能够发现各种实现方式，包括：只要切实可行的任何数目的绕组单元114A-D和冷却板116A-E(例如分别为两个和三个)；用于绕组单元114A-D的其它合适的材料，例如铝；以及用于冷却板116A-E的其它合适的非铁磁性材料，例如奥氏体不锈钢。另外除了窄带以外，绕组单元114A-D可使用矩形、正方形或实心铜或者铝线制成。在另一个实施例中，矩形、正方形或者圆形铜或铝管可被用于绕组单元114，该绕组单元可通过在导管的孔中通入去离子冷却液而直接被冷却，而不用通过到冷却板116A-E的热传导来间接冷却。

匝间绝缘可利用其它方法和材料实现，例如用绝缘带将导体缠绕起来，在导体外套上一个绝缘套，或者在导体上涂上绝缘薄膜，例如漆包铜或者阳极氧化铝。

以上描述的结构适用于其中导体材料具有非零电导率的电阻性线圈。也可能使用超导线圈。但是，尽管这将在线圈中产生零功率耗散，但是维持超导线圈处于非常低的温度下，例如对于现代的超导材料来说低于-260℃，将是复杂和昂贵的。

在一个实施例中，一个软铁磁性材料(即，易于被磁化的材料，例如低碳钢)的外壳，笼统地被图示为120，包围着下圆柱体104和线圈组112。其它合适的材料在L.J.Giacoletto编辑的电子设计者手册(Electronic Designers’Handbook)第二版(1977)中被公开了。铁磁性外壳120的功能包括，但不限于，将磁场容纳于外壳120内并由此减少外部杂散磁场，通过室100控制磁场的方向，并且提高室100中央区域的磁场强度。

在一个实施例中，外壳120可由许多部分构成，包括圆柱状筒套122、从圆柱状筒套122延伸出的上部法兰124和与上部法兰124反向、从圆柱状筒套122延伸出的基部法兰126。

一个软铁磁性过渡环128起到耦合介质的作用，用于将位于复壁106外部的上部法兰124磁连接(magnetically connect)到位于室100内的软铁磁性场夹持构件130。过渡环128可被耦合在上部室罩102和下圆柱体104之间。如图6中所示，过渡环128包括在其圆周上形成的孔129，用于允许冷却液，例如水，从上部室罩102到下圆柱体104绕间隙108循环。过渡环128还包括紧固孔131，用于使过渡环128能够被紧固于场夹持构件130上。

冷却液收集由室100所产生的热。冷却液还冷却过渡环128和场夹持构件130，并维持它们处于足够低的温度(例如，50℃-300℃)以防止它们的磁性能恶化。尽管比软碳钢(soft carbon steel)要昂贵，用磁性马氏体不锈钢构造过渡环128显著地抑制了来自冷却液的有害的侵蚀。

参照图3和图8，连接于线圈组112的第一匝和最后一匝的螺纹接线端132通过圆柱状筒套122上的一个切口134接触。到线圈冷却板116A-E的接头136也可通过切口134接触。通过切口134的杂散场泄漏是小得可忽略的，因为穿过圆柱状筒套122的磁通量能够叉开，从切口134的两边中的任意一边传递下去。

线圈组112和铁磁性外壳120的方向和物理排列产生用于稳定晶体生1长、具有足够大强度(例如，500-3000Gs)的垂直磁场。包括了场夹持构件130的外壳120可具有相对较低的质量(例如，350-450Kg)，但是具有足够的厚度，以使得不被完全磁化或者被所需的至少1500Gs的最大磁场所产生的磁通量所磁饱和。合适的厚度T₁的例子(图3和图4)包括大约8mm到大约40mm，更确切地说大约12mm到大约25mm。包括了场夹持构件130的外壳120可由例如低碳钢的任何合适的软铁磁性材料构造而成。

参照图3和图4，在另一个实施例中，磁性外壳120可另外包括由衬垫140所支撑的场成形板138。场成形板138支撑大致位于室100中央的晶体生长器皿组件142。场成形板138的功能包括，但不限于，增强硅熔体(图1中的12A)之上的磁场和控制沿着硅熔体在X方向上的磁场强度的变化。场成形板138和衬垫140也可由例如碳钢的软铁磁性材料制成。场成形板138可具有大约25mm到大约40mm的示例性的厚度T₂。衬垫140提供了从基部法兰126的顶面到场成形板138的底面的大约30mm到大约100mm的间距，更确切地说，大约50mm到大约70mm。衬垫140的功能包括，但不限于，场成形板138到基部法兰126的有效的磁耦合、为加热器的金属丝构件(filament hardware)提供场成形板138之下的空间和在外壳120内提供一个大的垂直空间以在外壳120内装配线圈组112以及由此减少所需要的线圈功率。

如图9A、9B和9C所示，场成形板138可具有可变的厚度以便产生一个非平面的表面。参照图9A，场成形板138具有一个比外侧区更薄的中间区。这样一种结构使位于硅熔体的每一端的磁场相对于位于熔体中央的磁场得到增强。或者，如图9B所示，中间区具有比外侧区更大的厚度，位于硅熔体的端部的磁场相对于位于中央的场被减弱。根据另一个实施例，如图9C所示，场成形板138可具有波浪形表面用于选择性地改表硅熔体之上的磁场。

包括了场夹持构件130的铁磁性外壳120、场成形板138和衬垫140产生一个大约500Gs到3000Gs的磁场强度，该磁场强度对应于线圈中大约170W到大约6300W的功率耗散。

如图3中最好地被示出的，器皿组件142可部分地被热绝缘体，例如石墨元件144，所包围。通过包围器皿组件142的底部和侧面，石墨元件144提供了热绝缘，用于最小化所需用于将坩埚元件146(见图10)维持在所需操作温度(例如，大约1400℃)的功率。

题为“用于稳定蹼状枝晶生长的方法和系统(Method and Systemfor Stabilizing Dendritic Web Crystal Growth)”的专利申请，序列号09/294,529，1999年4月19日提交，被转让给本发明的受让人并在这里通过引用被引入，其描述了坩埚元件146。简短地说，参照图10和图11，坩埚元件146包括被第二熔化区148B所围绕的第一熔化区148A。第一熔化区148A通过隔板150与第二熔化区148B分隔开。隔板150中的小开口(未示出)允许熔融成份，例如硅，从第二熔化区148B流入第一熔化区148A。通过维持第一熔化区148A恰好低于硅晶体的熔点(1412℃)，晶体不断地从第一熔化区148A凝结出来。通过加热第二熔化区148B到晶体熔点之上和用机械方式通过加料孔152向第二熔化区148B中加入小硅片，第一熔化区148A被补充。盖子154，例如钼制(Mo)盖子，和挡板156掩盖着坩埚元件146。一个孔隙(标号被省略)被设置在盖子154和挡板156上以允许从器皿组件142中拉出蹼状枝晶158。起减少通过盖子154的热损失作用的挡板156在蹼状枝晶158上产生一个垂直的温度分布以在最小热应力情况下冷却蹼状枝晶158。电阻加热器160可围绕并通过基座162给予足够的热能量以在晶体生长过程中维持器皿组件142和生长中的蹼状枝晶158处于适当的温度。向前参照图3，电功率经由基部法兰126上的馈通(feed-through)耦合器164传送到电阻加热器160。

如图3和图4中最好地被示出的，蹼状枝晶158被用机械方式从熔炉室100的顶部沿Z轴方向拉出或抽出，穿过场夹持构件130上的开口166和熔炉室100的开口端168。图7是具有有着矩形开口166的盘状体170的场夹持构件130的俯视图。矩形开口166被示为具有沿X轴方向的长度L和沿Y轴方向的宽度W。长度L和宽度W可以是任何合适的尺寸，W最好应尽可能的小以减少通过开口166的磁场泄漏和维持硅熔体处的最大地被增强的磁场。作为示例，长度L可以从大约150mm到大约350mm，更确切地说从大约250mm到大约300mm。合适的长度还应该允许对蹼状枝晶形成的直接的视线。作为示例，宽度W可以从大约50mm到大约180mm，更确切地说从大约80mm到大约120mm。如图10中所示，蹼状枝晶158具有沿X轴方向的宽度、沿Z轴方向的长度和沿Y轴方向的厚度。

一个本领域的普通技术人员可以发现能够通过本发明实现的各种其它实施例。例如，线圈组112只需要适度的线圈功率并具有极好的磁自屏蔽(magnetic self-shielding)。从而，场夹持构件130的矩形开口166可被做成在Y方向上更大而不会因此引起几何磁动势(mmf，MagnetoMotive Force)因子k或者线圈功率，或者外部杂散磁场的急剧增大。场夹持构件130的开口166也可采取其它形状，例如椭圆形、圆形等。这样的其它实施例在控制蹼状枝晶的垂直温度分布上可能具有优势。

垂直磁场

线圈组112和磁壳120的方向和物理排列产生用于稳定晶体生长的垂直方向的磁场。其它有利之处已被评述为包括，但不限于，所需用于在产品的生产中获取相当的有利结果的功率和线圈体积的减少，更长的平均晶体长度，和对包括了容纳熔融硅的图11中的生长器皿142和石英坩埚146的室100的组成部分的侵蚀的减小。本发明实施例的磁系统结构与传统的偶极磁体系统大不相同。如图2所示，传统的偶极磁体产生一个X或Y方向的水平场。传统的偶极磁体具有一对物理上可识别的磁极32A和32B以及分别缠绕每个磁极32A和32B的线圈36A和36B。磁极32A和32B之间的空间，即工作间隔G容纳有一个生长器皿34。外部磁轭38磁连接磁极32A和32B。

使用这样一个传统的偶极子(dipole)来产生垂直的(Z方向)磁场是非常困难的。当以这种方式定向时，也就是说，一个磁极位于室30的顶部，另一个位于室30的底部，上磁极和线圈将会与穿过室30的顶部的蹼状晶体抽取相干扰。简单地说，上磁极和线圈将形成室30顶部的一个物理障碍，使得难于抽出蹼状晶体。

对于本发明实施例的磁系统，围绕着室100只使用了单个线圈组112。因此，不再使用分开的一对反向磁极。最多存在一个由衬垫140和场成形板138形成的残留磁极。沿Z轴方向的垂直磁场被产生而不需要在室100的顶部放置一个磁极，并且有一个适当地大的孔隙166用于抽取蹼状晶体和无任何视觉障碍地监视其形成。

参照图4和12，现在计算所需用于驱动从场成形板138的上表面(位于z＝z₁)，跨越容纳了生长器皿组件142的工作间隔G，到场夹持构件130的开口166的下边缘(位于y＝y₁)的磁通量的线圈的安培—匝数(amp-turns)J或磁动势(mmf)。根据安培定律(J.C.Slater和N.H.Frank，Electromagnetism，McGraw-Hill，1947，pp.59-62)：

$J\≈\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}\{{\∫}_{z_1}^{G+z_1}{B}_z(\mathrm{0,0},z)\mathrm{dz}+{\∫}_0^{y_1}{B}_y(0,y,G+z_1)\mathrm{dy}\}----\left(1\right)$

倘若铁磁性外壳120的厚度足以防止外壳被完全磁化，也就是磁饱和，那么所需用于驱动穿过铁磁性外壳120的磁通量的磁力(magneticforce)与由等式(1)给出的用于驱动跨越工作间隔的磁通量的磁动势J相比是可忽略的小的。

由于工作间隔中的磁场B大致沿Z方向，所以磁通量Φ由B_z在场夹持器130和上部法兰124的区域上的积分近似地给出。换句话说，

      Φ≈{∫∫B_z(x，y，G+z₁)dxdy}       (2)

        ≈π/4B₀D_c ²

其中B₀是蹼状晶体—熔体(web-melt)界面(即，位于z＝0)上的磁场的z分量，D_c是线圈组112的平均直径。如果D_s是筒套122的平均直径，B_s是筒套122中的极限磁通量密度，为了避免磁饱和，筒套122的最小厚度为：

      T_min≈Φ/πD_sB_s≈B₀D_c ²/4B_sD_s       (3)

图3中所示熔炉和磁发生器的示例性的值为：

B₀＝3kG

D_c＝668mm

D_s＝835mm

B_s＝18kG

给出最小筒套122厚度T_min为22.3mm。

上部法兰124、基部法兰126和场夹持构件130也应该在接近它们的外侧圆周处具有这个最小厚度以避免磁饱和。

参照图7，使场夹持器开口166在X方向上比Y方向上更长以便于熔炉操作者通过视频摄像机监视晶体形成和生长，这具有实用重要性。应该注意，y₁被做得较小，以便最小化等式(1)中的第二项并因此最小化磁动势。保持y₁较小的第二个原因是为了最小化穿过该孔漏到外部操作环境中的磁场。

如果等式(1)采用以下形式书写，则它可被更清晰地理解：

$J=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}k{B}_{0}G----\left(4\right)$

其中k是依赖于外壳120的具体结构而在较小程度上依赖于线圈的具体结构的几何磁动势因子。比较等式(1)和等式(4)，可以得到

$k=\frac{1}{B_{0}G}\{{\∫}_{z_1}^{G+z_1}{B}_z(\mathrm{0,0},z)\mathrm{dz}+{\∫}_0^{y_1}{B}_y(0,y,G+z_1)\mathrm{dy}\}----\left(5\right)$

现在k的重要性变得很明显。在当y₁＝10并且磁场绝对均匀(B_z＝B₀)的理想情况下，k的表达式中的第二项消失，而第一项是1。可以得到

       k≥1                          (6)

k越接近1，则从最小化由等式(4)给出的磁动势的角度来说结构就越理想。

k的值可以使用位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室于1987年在其第LA-UR-87-115号技术报告中提出的POISSON/SUPERFISH编码(POISSON/SUPERFISH，LA-UR-87-115，1987 Los Alamos NationalLaboratory，Los Alamos，NM 87545)从理论上计算出来。图12示出了如此计算对图3和图4的实施例的结果。等高线180代表等值递增的磁流管(tubes of magnetic flux)。k与y₁/G的比值在图3中被描画出。如图4中所示，对于y₁＝56mm，G＝200mm的情况，我们得到

      k＝1.12                        (7)

对于图2中所示类型的传统偶极子，如图14中所示，k与R/G的比值要高得多，其中R是磁极半径。例如，就图3中所示熔炉而言，G＝500mm，对于磁极端部半径R＝125mm，则

       k＝1.57                            (8)

从图12可以看到，包围线圈组112的外壳120实际上容纳着该磁场。唯一显著的场泄漏是来自场夹持构件130的开口166。次要的泄漏可出现在该系统中可能存在的其它孔隙处，例如作为系统构造或者装配的结果的孔182。如图15A和图15B中所示，与应用于该相同熔炉的水平场磁体相比较，本发明的实施例可将杂散磁场减少到1/10或者1/100。在图15A中，被字母A到L标识的垂直轴是室100中沿Z轴的物理位置——从室100的顶部开始到底板为止。在图15B中，A到F是侧向位置，即，沿X轴，在z＝0处，穿过室100的操作面(front)。

在商用系统中获得低线圈功率耗散是很重要的，因为这直接影响生产工厂的运行和资本成本。在平均匝长度为L、铜横截面面积为A的圆柱状线圈情况下，功率耗散P为

$P=\frac{J^{2}L}{\mathrm{\σA}}=\frac{k^2{B}_0^2{G}^{2}L}{\mathrm{\σ}{\mathrm{\μ}}_0^{2}A}----\left(9\right)$

其中σ为线圈绕组材料的电导率。从资本成本的观点来看，线圈导体的体积V也是很重要的：

      V＝LA                          (10)

下面的表格示出在垂直场磁体情况下，线圈功率为2.8kW，铜体积为0.038m³，在硅熔体上产生一个2000高斯(Gauss)的场。这仅是用传统的水平场、偶极磁体获取相同磁场所需的功率的40％和所需铜体积的60％。垂直场磁体的质量M也显著地少了。

参数               垂直场磁体               水平场磁体

线圈导体              铜                       铜

B₀(Gauss)            2,000                    2,000

G(mm)                 200                      500

k                     1.12                     1.57

L(mm)                 2,100                    1,225

A(mm²)               18,080                   51,600

V(m³)                0.038                    0.063

M(kg)                 890                      2490

P(kW)                 2.80                     7.40

其它与晶体生长相关的商用优点可通过本发明的多种多样的实施例来实现。例如，使用相同的生长器皿，与例如图2中所示的传统配置的2000高斯相比，一个1500高斯的磁场能稳定晶体生长。参照等式(9)，以这个较低的稳定磁场操作将线圈功率从2.8kW减少到1.58kW，也就是减少了43％。

另一个示例性的优点是产生了更长的平均晶体长度。例如大约9.4m的长度已经被制造出，远远超出现代商用可行的4.5m。

另一个示例性的优点是能够将石英坩埚的侵蚀速率降低大约50％。作为例证，一个2mm的坩埚壁厚度提供18天的运行，相比之下，一个使用图2的配置的系统提供9天的运行。

熔炉室100中的工作容积V_w可通过在空间上把室100的尺寸缩放S倍来变得更小或更大，在这种情况下

       V_w∝S³                            (11)

根据等式(9)线圈功率因子Pσ/B²与S成正比，即，

      Pσ/B²∝S∝V_w ^1/3                   (12)

根据等式(3)可以得出为了避免饱和，铁磁性外壳120质量必须随S³变化而变化。线圈组112质量也将随S³变化而变化，并由此磁发生器质量M作为一个整体随S³变化而变化，也就是说，

      M∝S³∝V_w             (13)

考虑以上的比例关系，本发明的各种实施例的不依赖于缩放比例的(scale independent)品质因数fm(figure of merit)是

     f_m＝B²V_w ^4/3/PMσ                (14)

如果使用冷冻冷却来降低σ，功率P不但包括绕组上耗散的电阻性功率还应该包括制冷机所消耗的功率。

线圈功率P和磁发生器质量M实际上分别是运行成本和资本成本的度量。对于特定的磁场B当它们减小时，品质因数相应地增大。

参照图3，下圆柱体104围起一个圆柱状工作容积V_w，示例性地，该容积直径为585mm，高为300mm，其值为

            V_w＝0.7854×300×585²＝8.0635×10⁷mm³

取σ＝5.8×10⁴mm/ohm作为铜绕组的电导率，且如以上表格中所给出的B＝2,000Gs，P＝2,800W，M＝890kg，等式(15)给出品质因数

                    f_m＝0.964OhmGs²mm³/kgW

通过比较，表格中所描述的传统水平磁体品质因数f_m＝0.137，比垂直场磁体的品质因数小6被。使用本发明，能够获得大于0.5左右的品质因数。

快速、方便的接触熔炉室100的内部零件，以更换被侵蚀的坩埚、去除沉积的硅和维护内部熔炉器皿是很重要的。参照图3，通过利用例如螺旋提升机或绞盘的机械装置将室100、线圈组112以及外壳120的零件122、124和126作为一个整体部件提升接触到生长器皿组件142。提升之后，绕X或Y轴的90度旋转提供了进入室100清洁和维护的方便途径。参照图3，由任何合适的材料，例如不锈钢制成的基部法兰184被焊接到室100的基部，以辅助形成要被提升的零件的整体部件。线圈组112可以利用，例如，六个拧入下冷却板116D的M12螺栓被紧固于基部法兰184。用于提升和旋转整体部件的机械装置可以用螺栓紧固到筒套120和基部法兰184上。在过渡环128的外表面和上部法兰124的内表面之间有一个大约1mm的小间隙。这个间隙方便了熔炉和磁体的组成部分的装配。这样一个小间隙并不显著增加所需的磁动势或者线圈功率，或者外部杂散磁场。

操作和使用

为了生产蹼状枝晶的结合了线圈组112的熔炉室100的操作将通过以下示例说明。示例不应被解释成对本发明实施例的范围的限制。石英坩埚16(图1)起初装有275g高纯度的小硅片，然后被放置在生长器皿组件142的钼制基座162(图10)之中。钼制盖子154和钼制挡板堆156被放置到位。当生长器皿组件142安装完成，熔炉室100的上部分被下降到位。室100的内部被抽空并检测以保证室100不会有到外部环境的泄漏。泄漏检测之后，室内部回充入惰性气体氩。接着加热器160(图10)被加上电压，功率水平为22kW，以便熔化硅料。将硅的温度从室温提高到稍微超出它的熔点1412℃需要大约45分钟。一旦硅被熔化，加热器160的功率被降低到约为9kW以维持硅处于熔化状态。然后打开给线圈112(图3)的冷却液，经过5分钟这些线圈匀速上升到2kW的功率水平，以在硅熔体的中心产生1250Gs的磁场强度。1250Gs被发现足以稳定蹼状枝晶的生长。在晶体生长运行的过程中，一般为两个星期，场强度保持固定在1250Gs。

晶体的生长由将枝晶晶种浸入熔融硅中并调整硅的温度直到晶种18既不熔化也不凝结，而是“保持”在熔点1412℃开始。接着硅熔体的温度被降低若干度，使得硅开始在该单个晶体晶种上凝结，并且在熔体的表面固体硅“翼”以线性方式从枝晶晶种18向外生长。当这个“翼展(wingout)”达到大约4cm的长度时，枝晶晶种开始被向上拉并且在“翼展”的端部形成围绕的枝晶。一层熔融硅的薄膜形成于这些围绕的枝晶和上面的“翼展”之间，并且这层薄膜凝结形成薄(100μm)单晶体硅带。对拉的速度和熔化温度做出调节直到达到蹼状晶体从熔体中以大约1.8cm/min的速率被拉出的稳定状态。为了补偿被拉出的固体晶体材料，熔体用倒入区12B(图1)并熔化的小硅片来补充。蹼状晶体经过几米的长度后自然地加宽到6cm，然后在它的生长过程中保持在那个稳定态值上。晶体由于多种原因中的任何一个原因结束之后，另一个晶体如上所述地开始了。垂直磁场强度在整个晶体生长运行过程中保持不变，该过程一般持续大约两个星期。一旦运行完成，供给加热器的功率被降低到0，硅熔体凝结。这个时候供给线圈112的功率也被降低到0，并且为了清洁和下次运行，启动室被允许冷却到室温。

尽管已经示出和说明的本发明的特定实施例，但是一个本领域的普通技术人员可以发现可以做出改变和改进，而在其更广泛的各方面不背离本发明实施例。例如，由本发明的方法和系统所提供的优点适用于，但不限于，蹼状硅枝晶的生长。包括了例如锗的多种其它成分的蹼状枝晶也可以利用本发明的方法和系统被生长。因此，所附权利要求将在其范围中包含所有这样落入了本发明实施例的真正精神和范围的改变、等效和改进。

Claims (24)

1.一种用于制造半导体衬底的设备，包括：

(a)室；

(b)位于所述室内的生长器皿组件，所述生长器皿组件被用于生长衬底；和

(c)环绕所述室的周边的磁场发生器，所述磁场发生器被用于在生长过程中提供磁场。

2.如权利要求1所述的设备，其中，衬底是蹼状枝晶硅或蹼状枝晶锗。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述磁场发生器产生垂直方向的磁场。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述磁场发生器包括环绕所述室的所述周边的线圈组。

5.如权利要求4所述的设备，还包括与所述线圈组热连通的冷却板。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述冷却板被用于传递通过所述线圈组的所述电流产生的热，其中，所述热被通过分布于所述冷却板中的冷却管流动的水传递，并且其中，所述冷却管与所述线圈组电绝缘，以显著地消除电蚀。

7.如权利要求5所述的设备，其中，所述线圈组与所述冷却板电绝缘。

8.如权利要求4所述的设备，其中，所述线圈组涂有环氧树脂并用玻璃纤维带缠绕。

9.如权利要求1所述的设备，还包括至少部分包围所述磁场发生器的外壳，用于将该磁场容纳在外壳内部。

10.如权利要求1所述的设备，还包括至少部分包围所述磁场发生器的外壳，用于控制室内部的磁场的方向。

11.如权利要求1所述的设备，还包括至少部分包围所述磁场发生器的外壳，用于增强所述生长器皿组件处的磁场强度。

12.如权利要求1所述的设备，还包括至少部分包围所述磁场发生器的外壳，其中，所述外壳由铁磁性材料制成。

13.如权利要求1所述的设备，还包括包围靠着所述室的壁的所述磁场发生器的外壳，其中，所述外壳包括一个筒套体，该筒套体具有从其一端延伸出的上部法兰和与所述上部法兰相反并包围所述筒套体的另一端的基部法兰。

14.如权利要求13所述的设备，其中，所述外壳还包括一个设置在所述室内并位于所述生长器皿组件上方的场夹持构件；所述场夹持构件有一个开口，通过该开口所述衬底可从所述生长器皿组件被抽出；并且所述场夹持构件与位于所述室外部的所述上部法兰磁连通。

15.如权利要求14所述的设备，其中，一个过渡环将所述上部法兰磁耦合到所述场夹持构件。

16.如权利要求15所述的设备，其中，所述室包括：

包围下部室体的上部室罩，所述上部室罩和所述下部室体由被间隔分开的复壁结构所构成，所述间隔被用于在所述复壁结构中循环冷却液以去除由所述室产生的热，

其中，所述过渡环被耦合在所述上部室罩和所述下部室体之间，所述过渡环包括分别与所述间隙对齐的多个开口，以使得所述冷却液能在所述复壁结构之中循环。

17.如权利要求1所述的设备，还包括设置于所述室中并支撑所述生长器皿组件的场成形板，所述场成形板增强所述生长器皿组件之上的磁场。

18.如权利要求1所述的设备，还包括设置于所述室中并支撑所述生长器皿组件的场成形板，其中，所述场成形板具有可变的厚度以限定出所选择的几何结构。

19.一种用于被用来制造蹼状枝晶的熔炉室的磁场系统，包括：

线圈组，用于在所述熔炉室内部提供磁场；和

铁磁性外壳，用于将所述磁场基本上容纳在所述熔炉室内部，

其中，所述磁场大致沿垂直方向。

20.如权利要求19所述的磁场发生器，其中，所述线圈组包括至少一个绕组单元和与所述绕组单元热连通的冷却板。

21.如权利要求19所述的磁场发生器，其中，所述绕组单元被环绕所述熔炉室的周边设置。

22.一种用于制造半导体衬底的方法，包括以下操作：

(a)提供一个具有生长器皿组件的室，所述生长器皿组件容纳熔体；

(b)从所述熔体中生长衬底；和

(c)在所述生长操作中利用磁场发生器来向所述熔体施加磁场，

其中，所述磁场沿衬底生长的纵向方向施加；并且

其中，所述磁场发生器外接所述室的周边。

23.一种根据权利要求22的方法所产生的蹼状枝晶。

24.如权利要求22所述的方法，还包括一个铁磁性外壳，用于把磁场基本上容纳在所述室中。

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