[发明专利]控制晶体生长装置的系统及其熔体再补给系统

说明书

本发明涉及用以生长晶体的装置，更准确地说，涉及用于控制从熔体生长晶体的装置的熔体再补给系统的控制系统。

这是基于1987年5月5日提出的美国专利申请第046，991号的部分继续申请，当前美国专利号为4，936，947。

在制造半导体器件中所用的硅片可以源出于具有多边形截面形状（例如，空心八边形或九边形）的管状晶体的扁平面。将所述管状体在它们的棱角处剖开以形成若干基本上等同尺寸的平片。

美国专利第4544528号所描述类型的装置已用于按照边缘限定薄膜供料生长工艺（EFG工艺，也叫导模法）制造空心晶体。简略地说，这样的装置通常包含：一个用来容纳待生长材料（例如，硅）的熔体的坩埚，一个用以确定生长晶体的形式和造型的毛细管模具，用来加热坩埚和模具并控制模具及熔体温度的加热装置，用以固定在生长晶体中所用晶种的晶种固定组件，以及一个耦合到晶种固定组件用来把管状晶体拔出熔体的拉晶机构。

为生产一种满足商业需要的硅基片，并确保晶体生长过程不会由于与模具供应的熔体分离、或由于管状晶体凝结而过早终止，对生长体的壁厚加以严密控制是必需的。结合使用在美国专利第4544528号中所公开类型的毛细管模具装置，众所周知生长晶体的壁厚随着在模具顶部和生长晶体底部之间形成的弯月形的尺寸和形状而变化。应用壁厚与弯月形的几何特征之间的这种关系，各种结合光学系统的装置，诸如在美国专利第4239583号、第4267151号和第4318769号中所公开的那些装置已开发用来控制晶体生长装置的操作。这些基于光学的系统包含用于观察弯月形高度和形状的光学组件。应用有关由基于光学系统获得的弯月形形状的信息，操作员可调整晶体生长装置的操作以便生产具有所要求壁厚的晶体。

就应用这样的光学监控系统而论存在着某些限制。首先，操作员必须连续监视弯月形的形状，并根据他或她所观察到的来调整晶体生长装置的操作。为避免人为误差、增加晶体生长速率，并降低与使用技术人员有关的费用，最好是使整个晶体生长操作自动化。第二，用已知的光学控制系统，整个弯月形中仅比较小的部分是可观察的。而该小部分的形状未必能够反映出整个弯月形的总体形状的特征。

对于在美国专利第4544528号中举例说明的已知类型晶体生长装置，要生长长度大于约2米的晶体是困难而不实际的。这种困难部分地是由于需要从生长管状晶体的内部排除空气、而用象氩气这样的惰性气体充满其中，部分地是由于在生长晶体的内部容积之内存在温差、在其中产生对流而造成的。

更具体地说，将一种隋性气体（一般为氩气）注射进生长晶体的内部，以便从所述晶体内部排除周围空气。因为象氩气这样的惰性气体比周围空气重，在长度大于约2米的晶体中，晶体内惰性气体气柱达到充分长度（因而也有足够的重量），使得气柱趋于下沉，由此允许周围空气通过其顶端被吸入晶体内。

当采取措施（例如，包封晶体顶端）以防止周围空气进入晶体时，在晶体内产生对流的有害效应显著增大。当包封管顶端时，这些对流在晶体内造成压力波动，使得难于控制晶体生长装置的操作。于是，具有均匀壁厚且长度大于约2米晶体的生长就成为悬而未决的问题。生长晶体所需总时间的大部分消耗在为生长过程的制备晶体生长装置过程中。因此，为提高加工效率最好生长长度大于约2米的晶体。生长长而空心的晶体（例如，长度大于2米的晶体，除非在晶体生长期间采取在坩埚中再补给熔体的措施，否则是不可能实现的。

在美国专利第4544528号已公开类型的晶体生长装置中用以再补给熔体的系统是已知的。由Taylor等人所著题为“用于地面太阳能电池的EFG晶体生长工艺现况”论文（North    Holland出版公司，J.Kalejs，T.Surek和V.Tatarchenko编辑，Amsterdam，1987年）中描晶体领域中有术语粒子效应，所发用粉粒以免混淆述了这种系统。所述Taylor等人的系统包括：一个用以测量生长晶体重量的第一重量传感器，一个用以存贮原料固体颗粒（例如，硅粒）的容器，一个用来有选择地从所述容器提供原材料颗粒给晶体生长装置中坩埚的送料组件，一个用以测量容器中硅粒子重量的第二重量传感器，以及一个用来综合第一和第二重量传感器的输出以便产生一差值信号的控制器。该控制器将所述差值信号与预先设定点比较，并基于该比较，控制器送出一控制信号给送料组件以便使后者在一给定时间间隔内分配一选定量的硅粒子到坩埚内。