美國政府已繳清本發(fā)明的權(quán)利金且在有限的情形下有權(quán)要求專利權(quán)人以合理的條件許可他人，如美國能源部(U.S.Department of Energy)所授予的合同號DE-EE0000595的條款所規(guī)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)施例是有關(guān)于結(jié)晶材料從熔體(melt)的成長，且特別是有關(guān)于從熔體形成單晶片。

背景技術(shù)：

硅晶圓或硅晶片可應(yīng)用于例如積體電路或太陽能電池產(chǎn)業(yè)。當(dāng)再生能源的需求不斷增加時(shí)，太陽能電池的需求也不斷增加。太陽能電池產(chǎn)業(yè)的主要成本在于用以制造太陽能電池的晶圓或晶片。降低晶圓或晶片的成本可減少太陽能電池的成本，并使得再生能源技術(shù)更為普及。已被研究用于降低太陽能電池的材料成本的有前途的方法是水平帶狀生長(horizontal ribbon growth，HRG)技術(shù)，結(jié)晶片是從熔體的表面水平地拉出。在此方法中，熔體的部分表面充分地冷卻以局部地通過晶種的幫忙開始長晶，接著沿熔體的表面抽拉以形成結(jié)晶片。通過提供裝置快速地從熔體表面開始長晶的區(qū)域移除熱可達(dá)成局部冷卻。在適當(dāng)條件下，結(jié)晶片的穩(wěn)定領(lǐng)導(dǎo)前沿(leading edge)可在此區(qū)建立。

為了確保成長穩(wěn)定性，直接在結(jié)晶片的領(lǐng)導(dǎo)前沿下方提供足夠的穿過熔體的熱流可能是有效的方法。為了使結(jié)晶片的厚度少于200微米(μm)，也需要在結(jié)晶片已形成的部分的下方提供均勻熱流。然而，因?yàn)閹讉€(gè)原因，要在硅熔體內(nèi)控制熱流是很有挑戰(zhàn)的。首先，熔融的硅具有很高的熱傳導(dǎo)性，因此從容納熔體的坩堝的底部導(dǎo)入的熱在到達(dá)熔體表面前就散開了。此外，容納硅熔體的坩堝的材料是熔硅(fused silica)，因?yàn)樗诟邷貢r(shí)也不會(huì)跟硅(silicon)產(chǎn)生反應(yīng)。然而，熔硅是很好的熱隔絕體，因此需要很大的熱梯度才能將相當(dāng)?shù)臒醾鬟f給硅熔體。所以，被加熱的熔硅坩堝的外部溫度必須維持在遠(yuǎn)高于熔體的溫度。然而，熔硅在1880K的溫度以上軟化，限制了可以導(dǎo)入熔體的熱流的量。因此，現(xiàn)有的裝置不能提供足夠的熱流以確保結(jié)晶片的穩(wěn)定成長。

因此，本改善方案在這些與其他考慮下是有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本摘要是以簡化的形式介紹概念的選擇，而后續(xù)會(huì)有進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本摘要并非用以確認(rèn)本申請所要保護(hù)的標(biāo)的的關(guān)鍵特征或基礎(chǔ)特征，也不是用以決定本申請所要保護(hù)的范圍。在一實(shí)施例中，提供用于控制熔體內(nèi)的熱流的裝置。此裝置可包括坩堝，用以容納熔體，熔體具有暴露面。此裝置也可包括加熱器與散熱屏障總成。加熱器配置于所述坩堝的第一側(cè)的下方且用以提供熱以穿過所述熔體而至所述暴露面。散熱屏障總成包括至少一散熱屏障，配置于所述坩堝內(nèi)，并在所述熔體中定義隔離區(qū)與外圍區(qū)。

在另一實(shí)施例，一種用以處理熔體的處理方法包括提供熔體于坩堝，所述熔體具有暴露面，加熱所述坩堝相對于所述暴露面的第一側(cè)，以提供穿過所述熔體而至所述暴露面的熱，以及提供散熱屏障總成于所述坩堝內(nèi)。散熱屏障總成包括至少一散熱屏障且在所述熔體中定義隔離區(qū)與外圍區(qū)，其中流過所述隔離區(qū)而至所述暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從所述隔離區(qū)通過所述至少一散熱屏障而至所述外圍區(qū)的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大于第二熱流密度。

在又一實(shí)施例中，一種用以處理熔體的處理裝置包括加熱器配置于用以容納熔體的坩堝的下方，加熱器用以提供穿過熔體而至熔體的暴露面的熱。此裝置可還包括散熱屏障總成，散熱屏障總成包括配置于所述坩堝內(nèi)的第一散熱屏障與第二散熱屏障，散熱屏障總成并在所述熔體中定義隔離區(qū)與外圍區(qū)，其中經(jīng)過所述隔離區(qū)流而至所述暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從所述隔離區(qū)通過所述至少一散熱屏障至所述外圍區(qū)的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大于第二熱流密度。

附圖說明

圖1A示出符合本實(shí)施例的用于處理熔體的裝置的剖視圖。

圖1B示出散熱屏障的另一實(shí)施例的細(xì)節(jié)。

圖2示出再一實(shí)施例的用于處理熔體的裝置的剖視圖。

圖3A示出本發(fā)明的又一實(shí)施例的裝置在操作時(shí)的剖視圖。

圖3B示出圖3A的裝置的側(cè)面剖視圖。

圖3C示出本發(fā)明的再一實(shí)施例的裝置。

圖4示出包括三種不同幾何尺寸下在熔體的暴露面的熱流的模擬的組合圖。

圖5A示出裝置的一實(shí)施例，其中熱流屏障總成用以在熱穿過熔體時(shí)增加熱流密度。

圖5B示出圖5A的裝置操作的一實(shí)施例。

圖5C示出圖5A的裝置操作的另一實(shí)施例。

圖6示出多種狀況的范例熱流密度曲線。

圖7示出另外多種狀況的范例熱流密度曲線。

圖8示出根據(jù)其他實(shí)施例一的操作范例。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例提供裝置以控制如硅熔體(silicon melt)之類的熔體內(nèi)的熱流。多種實(shí)施例有助于在熔體內(nèi)提供均勻的熱流或集中的熱流，以便控制例如硅之類的半導(dǎo)體材料的連續(xù)結(jié)晶片的水平生長。多種實(shí)施例通過提供容納熱流的散熱屏障而有助于控制熔體內(nèi)的熱流，以便引導(dǎo)熔體內(nèi)的熱流，這樣可解決前述有關(guān)于熔體生長的問題。

多種實(shí)施例提供用于處理熔體的裝置，包括坩堝，用以容納熔體，其中熔體具有暴露面。在用于處理硅熔體的實(shí)施例中，坩堝可由熔硅構(gòu)成。如同傳統(tǒng)裝置，加熱器可配置于坩堝相對于暴露面的第一側(cè)下方，以施加熱通過熔體至?xí)l(fā)生結(jié)晶片的處理的暴露面。不像傳統(tǒng)裝置，在此提供了散熱屏障總成，其包括配置于坩堝內(nèi)的至少一散熱屏障。散熱屏障總成可在熔體中定義隔離區(qū)與外圍區(qū)，其中外圍區(qū)位于隔離區(qū)外。以此原則，加熱器提供的流經(jīng)隔離區(qū)而至暴露面的熱的第一部份具有第一熱流密度，從隔離區(qū)通過至少一散熱屏障至外圍區(qū)的熱的第二部分具有第二熱流密度，第一熱流密度大于第二熱流密度。此特征用以容納或限制熱流，所以表面的熱流會(huì)受規(guī)范而不同于傳統(tǒng)熔體裝置。

圖1A示出符合本實(shí)施例的用于處理熔體的裝置100的剖視圖。裝置100包括加熱器102與坩堝104，坩堝104容納熔體106。在本實(shí)施例與其他實(shí)施例，加熱器102配置于坩堝的第一側(cè)105旁或是下方，第一側(cè)105相對于熔體106的暴露面107。因?yàn)槿垠w106定義上為液態(tài)，坩堝的第一側(cè)105可表示為坩堝104的底部，且坩堝104可還包括側(cè)壁112。因此，側(cè)壁112與第一側(cè)105用以容納熔體106。在操作中，裝置100可結(jié)合其他元件(未示出)一起使用，以從后續(xù)將詳述的熔體106抽取結(jié)晶片。除了側(cè)壁112，散熱屏障總成108也被提供在熔體106內(nèi)，其可固定于坩堝104的表面區(qū)109。

在圖1A的范例中，散熱屏障總成108包括第一散熱屏障110與第二散熱屏障111，彼此相對地配置。在多種實(shí)施例中，坩堝104與第一散熱屏障110及第二散熱屏障111都是由熔硅構(gòu)成，這特別適用于硅熔體。散熱屏障總成108可機(jī)械式地固定于坩堝104或可一體成型為坩堝104的一部分。在多種實(shí)施例中，散熱屏障總成108具有低熱傳導(dǎo)性，以熱傳導(dǎo)性低于0.1W/cm-K。這樣的熱傳導(dǎo)性遠(yuǎn)低于熔融的硅，熔融的硅的熱傳導(dǎo)性在1685K的溫度被決定為約0.6W/cm-K的范圍。例如，熔硅的熱傳導(dǎo)性在硅的熔融溫度的溫度范圍被決定為約0.05W/cm-K的范圍，這樣的范圍低了硅熔體的熱傳導(dǎo)性一個(gè)等級(order)以上。低熱傳導(dǎo)性的特點(diǎn)有助于在后面所述的實(shí)施例中限制了施加于例如熔體106的熔體的熱的熱流。其他作為散熱屏障的適當(dāng)范例包括由內(nèi)部分和外殼構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，外殼接觸熔融硅(molten silicon)，外殼是由熔硅(fused silica)構(gòu)成。如此，外部分以不跟熔融硅產(chǎn)生反應(yīng)的材料呈現(xiàn)。圖1B示出散熱屏障的另一實(shí)施例的細(xì)節(jié)。在一范例中，散熱屏障120可以是整個(gè)由例如熔硅的單一材料構(gòu)成的實(shí)心結(jié)構(gòu)。在另一范例中，散熱屏障130可具有例如為熔硅的材料構(gòu)成的殼132，熔硅適合用于硅熔體，因?yàn)槿酃璨灰着c硅產(chǎn)生反應(yīng)。此外，散熱屏障130可包括內(nèi)部分134，用以使得散熱屏障的整體的熱傳導(dǎo)性較低。在此范例的散熱屏障130，如果殼132由熔硅構(gòu)成則可完全包圍內(nèi)部分134，內(nèi)部分134可具有甚至低于熔硅的熱傳導(dǎo)性，以散熱屏障的熱傳導(dǎo)性低于0.05W/cm-K。例如，內(nèi)部分134可包括具有低熱傳導(dǎo)性的氣體介質(zhì)或其他介質(zhì)。在一范例，內(nèi)部分134可包括硅氣膠(silica aerogel)或其他具有非常低熱傳導(dǎo)性的結(jié)構(gòu)。這樣的散熱屏障130的整體熱傳導(dǎo)性在一些例子中可以是0.02W/cm-K或更低。因?yàn)閮?nèi)部分134可由熔硅殼密封，內(nèi)部分134可由可能與熔融硅產(chǎn)生反應(yīng)的低熱傳導(dǎo)性材料構(gòu)成，例如氧化鋯(zirconia)構(gòu)造物。實(shí)施例并不局限于此。

圖2示出再一實(shí)施例的用于處理熔體的裝置200的剖視圖。此實(shí)施例與裝置100共用除了下方所述之外的相同元件。特別是，提供了坩堝架202，其也可作為熱增強(qiáng)器。在一些實(shí)施例，坩堝架容納至少一隔絕間隙物，例如圖2，其中坩堝架202具有隔絕間隙物204，其在一些例子中可對齊第一散熱屏障110與第二散熱屏障111。在一些實(shí)施例中坩堝架可由碳化硅構(gòu)成，且可限制加熱器102產(chǎn)生的熱流向熔體106。例如加熱器102產(chǎn)生的熱可沿著平行于如所示的卡氏座標(biāo)的Y軸的方向向上流，并可局限在第一散熱屏障110與第二散熱屏障111之間的區(qū)域。如此加熱器102產(chǎn)生的熱流的大部分可在散熱屏障總成108上方的區(qū)域從熔體106的暴露面206向外流動(dòng)。如下述，在適當(dāng)設(shè)計(jì)過的散熱屏障總成108的一些實(shí)施例中，熱流可集中于暴露面206。例如，可在暴露面206實(shí)現(xiàn)40瓦/平方厘米(W/cm²)的熱流。在其他實(shí)施例，熱流在暴露面206可變得均勻。

如圖2所示，裝置200包括結(jié)晶器208，其可做為散熱件以幫助快速移除從暴露面206流出的熱。當(dāng)熱流向暴露面206，為了結(jié)晶成片，熱可局部地快速移除，以使從暴露面206流出的熱大于流向暴露面206的熱。例如結(jié)晶器208可通過提供冷卻塊做為散熱件而移除熱或可提供氣體至暴露面206以移除熱。實(shí)施例并不局限于此。這樣的快速移除熱可導(dǎo)致熔體106的材料在其中固化的結(jié)晶區(qū)的形成，使用如下述的水平帶狀生長技術(shù)允許結(jié)晶片從熔體抽取。多種實(shí)施例通過提供散熱屏障總成簡化此方法，其中散熱屏障總成集中足夠的熱流至表面206以穩(wěn)定結(jié)晶片的成長過程。在其他實(shí)施例，散熱屏障總成108以均勻的方式導(dǎo)引熱流至暴露面206，此均勻熱流例如可用以處理已經(jīng)形成的結(jié)晶片。

在不同實(shí)施例，散熱總成可以不同方位設(shè)置在坩堝內(nèi)。在慣例上，結(jié)晶片的拉動(dòng)方向可平行于Z軸。如圖1A與圖2所示的裝置100或裝置200可視為位于Y-Z平面(側(cè)視)或在X-Z平面(端視)，其中Z軸平行于結(jié)晶片的拉取方向。此外，第一散熱屏障110與第二散熱屏障111相對于Y軸的方位可在不同實(shí)施例中變化。特別是，在適于提供均勻加熱的實(shí)施例，第一散熱屏障110與第二散熱屏障111可平行于Y軸，且因此可具有垂直于暴露面206的壁，如下面關(guān)于圖3A與圖4的細(xì)節(jié)。在適于提供集中的熱流的實(shí)施例中，第一散熱屏障110與第二散熱屏障111可以但非必要如圖5A至圖8所述的與Y軸形成非零夾角。

接著圖3A示出本發(fā)明的又一實(shí)施例裝置300在操作時(shí)的剖視圖。圖3B示出圖3A的裝置300的側(cè)面剖視圖。如所示出，裝置300包括其操作已于前面敘述過的坩堝330與坩堝架202。在此實(shí)施例，散熱屏障總成331包括第一散熱屏障332與第二散熱屏障334，其鄰近坩堝330的表面320。第一散熱屏障332與第二散熱屏障334可設(shè)置為平行于Y軸且因此垂直于熔體106的暴露面322。特別是，第一散熱屏障332可具有第一壁326，第二散熱屏障334可具有面對第一壁326的第二壁328，如此第一壁326與第二壁328定義隔離區(qū)304的側(cè)邊。第一壁326可平行于第二壁328，且可垂直于暴露面322而延伸。

在操作時(shí)，加熱器312產(chǎn)生通過坩堝架202與坩堝330而進(jìn)入熔體106的熱流302。如已描述的，熔體可以是硅，而第一散熱屏障332與第二散熱屏障334可由熔硅構(gòu)成，其在硅的熔融溫度具有遠(yuǎn)低于硅的熱傳導(dǎo)性。借此，熱流302可被局限在第一散熱屏障332與第二散熱屏障334所定義的隔離區(qū)304內(nèi)。通過可由熔融硅構(gòu)成的隔離區(qū)304的熱流密度可以是從熔體106的隔離區(qū)304向外流進(jìn)外圍區(qū)324的熱的熱流密度的10倍以上。為了清晰，后者的熱流未于圖3A中被指出。此外，通過適當(dāng)?shù)募訜崞?12的架構(gòu)，熱流密度可均勻通過隔離區(qū)304，因此從隔離區(qū)304的頂部向外的熱流密度在點(diǎn)A與B之間可具有相同值。

如圖3A所示，裝置300包括結(jié)晶器306，其可從表面322移除熱。裝置300也可包括晶體拉具(未示出)。當(dāng)熱流充分快速地離開表面322，從熔體106的結(jié)晶可以開始，晶體拉具可沿著平行于Z軸的拉取方向315抽拉結(jié)晶片308。如圖3B所示，第一散熱屏障332與第二散熱屏障334位于坩堝330內(nèi)，以使隔離區(qū)304在以拉取方向315拉取結(jié)晶片308時(shí)位于結(jié)晶片308的一部分的下方。當(dāng)結(jié)晶片308固化且被拉往圖3B的右側(cè)時(shí)，結(jié)晶片308可能在平行于Y軸的方向上獲得大于所要的厚度。在此例中，加熱器312可用以產(chǎn)生熱流302于隔離區(qū)304內(nèi)，以使結(jié)晶片308的一部分被熔回而減少厚度。當(dāng)結(jié)晶片被抽拉通過隔離區(qū)304，熱流302可讓鄰近于結(jié)晶片308的熔體106產(chǎn)生足夠的溫度而使結(jié)晶片例如沿著其下表面熔融。結(jié)晶片308的厚度可接著在其被抽拉通過隔離區(qū)304時(shí)逐漸地減少。因?yàn)闊崃魑挥诟綦x區(qū)304內(nèi)，裝置300可提供結(jié)晶片308均勻熱流，使結(jié)晶片的厚度在點(diǎn)A與B之間均勻地減少。

在圖3A與3B的實(shí)施例中，可提供額外的加熱器于坩堝330的其他部分的下方，以在至少兩個(gè)加熱區(qū)提供熱至熔體106而使在隔離區(qū)304外的其他部分熔體106維持于所要的熔融溫度。然而，因?yàn)榈谝簧崞琳?32與第二散熱屏障334限制熱流于隔離區(qū)304內(nèi)，熱流的方向可被導(dǎo)引為垂直于暴露面322，且熱流密度可橫跨隔離區(qū)304被維持在均勻值，此熱流密度可不同于外圍區(qū)324。

為了整理隔離區(qū)內(nèi)的熱流，加熱器與散熱屏障總成的幾何條件可調(diào)整。圖3C示出本發(fā)明的再一實(shí)施例的裝置350。為了簡化，裝置350沒有包括坩堝架，但在多種實(shí)施例中都可包括坩堝架。如所示，裝置350容納坩堝364與散熱屏障總成366，散熱屏障總成366包括第一熱傳屏障356與第二散熱屏障358，其可如圖3A與3B的實(shí)施例般平行于Y軸地延伸。加熱器352作為橫跨加熱器寬度d₂的均勻熱源。加熱器352可產(chǎn)生熱流354，其穿過第一散熱屏障332與第二散熱屏障334所定義的隔離區(qū)360而朝向熔體106的表面362續(xù)行。為了增加隔離區(qū)360內(nèi)的熱流354的均勻性并增加在暴露面362的點(diǎn)C與D之間的熱流的均勻性，隔離區(qū)寬度d₁可相對于加熱器寬度d₂調(diào)整。在一些例子中，加熱器寬度d₂可大于隔離區(qū)寬度d₁。

圖4示出包括三種不同幾何尺寸下熔體的暴露面在深13毫米(mm)處的熱流的模擬的組合圖。此結(jié)果是基于電腦流體動(dòng)力計(jì)算所得，其應(yīng)用于硅熔體，且沿著熔體下緣提供有均勻熱源404。熔硅制成的散熱屏障402具有5mm的寬度(沿著X軸)與10mm的高度(沿著Y軸)，其鄰近于隔離區(qū)，隔離區(qū)具有60mm的全寬度以及30mm的半寬度，如圖4所示。在熔體底部(沿著Y軸)，所有幾何尺寸的熱流密度(q”)為10瓦/平方厘米(W/cm²)。曲線406表示當(dāng)熔體內(nèi)沒有散熱屏障時(shí)對稱架構(gòu)的一半的熱流密度架構(gòu)，以沿著熔體的表面平行于X軸的位置函數(shù)表示。如所示，熔體表面的熱流密度在中心區(qū)(X＝0)是非常接近熔體底部的初始熱流的10W/cm²。熱流密度以朝著均勻熱源的邊緣的方向逐漸減少，使熱流密度在X＝30mm處少于7W/cm²，這依然是直接位于均勻熱源404上方。曲線408表示具有散熱屏障402且均勻熱源404恰延伸于在X＝30mm處的隔離區(qū)412的邊緣時(shí)的熱流密度架構(gòu)。如所示，熱流密度更均勻且維持介于9-10W/cm²的值直到25mm。曲線410表示具有散熱屏障402且均勻熱源延伸超過在X＝35mm處的隔離區(qū)412的邊緣時(shí)的熱流密度架構(gòu)。如所示，熱流密度仍更均勻且維持接近10W/cm²的值直到25mm。從圖4的結(jié)果可看到通過適當(dāng)?shù)匕才派崞琳吓c熱源，熔體表面的均勻熱流可調(diào)整為所要的寬度。這可應(yīng)用在結(jié)晶片成長裝置，通過安排均勻熱流的區(qū)域?qū)挾群w結(jié)晶片在垂直于其拉取方向的橫向方向上的要處理的寬度。這示出在圖4，結(jié)晶片420的半寬度是25mm，當(dāng)結(jié)晶片420如圖所示定位時(shí)，整體寬度(未示出的另一半是在X＝0處的左側(cè))可受到相同的熱流。

在其他實(shí)施例，散熱屏障的性質(zhì)可用于集中提供在熔體的表面的熱流。圖5A示出裝置500的一實(shí)施例，其中散熱屏障總成501排成在熱穿過熔體106時(shí)增加熱流密度。裝置包括加熱器502、加熱器504與加熱器506，其位于坩堝514的不同部分的下方。坩堝架510位于坩堝514與加熱器之間。坩堝架510包括隔絕間隙物512，其沿著坩堝514底部定義彼此分開的區(qū)域，這些區(qū)域可由加熱器502、加熱器504或加熱器506分別加熱。加熱器502位于散熱屏障總成501下方，散熱屏障總成501是由第一散熱屏障516與第二散熱屏障518構(gòu)成。第一散熱屏障516與第二散熱屏障518的每一個(gè)都與熔體106的暴露面524形成夾角，這樣在散熱屏障總成501的更由暴露面524的部分之間的距離相較于靠近暴露面524的部分之間的距離更大。進(jìn)一步如圖5A所示，第一散熱屏障516與第二散熱屏障518位于暴露面524下方，散熱屏障總成的頂部定義平面522，其位于熔體106內(nèi)。在一些范例中，熔體106沿著平行于Y軸的方向的深度h_m可以是10mm至20mm，而平面522與暴露面524之間的距離h₁可以是1mm至5mm。裝置500可還包括結(jié)晶器520，位于散熱屏障總成501上方。在某些實(shí)施例，第一散熱屏障516與第二散熱屏障518可相對暴露面524構(gòu)成相同夾角，在其他實(shí)施例，第一散熱屏障516可相對暴露面525構(gòu)成第一夾角，第二散熱屏障518可相對暴露面524構(gòu)成第二夾角，第一夾角不同于第二夾角。如果非對稱的熱通量分布產(chǎn)生，第一散熱屏障516與第二散熱屏障518非對稱的方位是有用的。

在操作時(shí)，裝置500可使用加熱器502、加熱器504與加熱器506的任何組合加熱熔體106。當(dāng)加熱器502啟動(dòng)時(shí)，傳送至熔體106的熱流可集中于暴露面524。集中的熱流可用于穩(wěn)定在暴露面524或附近產(chǎn)生的結(jié)晶片的生長。為了讓結(jié)晶發(fā)生，熱可以比集中的熱流提供至暴露面524更快的速度被移除。

圖5B示出裝置500操作的一實(shí)施例。在此范例，加熱器502啟動(dòng)并施加熱于熔體106。加熱器504與加熱器506也可被啟動(dòng)，但在此為了簡化而未做考慮?？杉僭O(shè)在一范例中熔體106是硅且暴露面524的溫度是1685K，這是硅的熔融溫度。如所示，熱流530向上移動(dòng)通過坩堝架510且進(jìn)入散熱屏障總成501定義的隔離區(qū)534(如圖5A)。散熱屏障總成501是屏障熱流朝外進(jìn)入外圍區(qū)536。借此，集中的熱流532產(chǎn)生于散熱屏障總成501的上部分。

如前述，坩堝514的適當(dāng)材料是熔硅，因?yàn)椴灰着c硅熔體反應(yīng)，且不會(huì)在硅熔體引入金屬污染物。然而，如下述，熔硅坩堝的軟化點(diǎn)與熱阻抗限制了通過坩堝514的底部的熱流。這樣的限制部分是因?yàn)槿酃杈哂械蜔醾鲗?dǎo)性，因此坩堝的內(nèi)外會(huì)產(chǎn)生很大的溫差。熔硅的熱傳導(dǎo)性(～.05W/cm-K于1700K)讓4mm厚的坩堝在被施加20W/cm²的熱流時(shí)產(chǎn)生160K的溫差，需要在坩堝外維持至少1845K的溫度以使熔體底部的硅熔體維持在1685K的熔融溫度。然而，熔體具有有限的例如12mm深度，在熔體的底部與頂部之間也會(huì)有溫差，其在15W/cm²至20W/cm²的熱流下可為30至40K，故熔體底部的熔融溫度通常至少1715K至1725K以產(chǎn)生1685K的表面熔融溫度。

當(dāng)傳統(tǒng)裝置中提供20W/cm²的熱流密度于二氧化硅(silica)坩堝時(shí)，上述的考慮因此設(shè)定了一個(gè)約1885K的最低溫度以維持熔體表面于硅的熔融溫度1685K。然而，傳統(tǒng)裝置的熱流密度被限制于20W/cm²，不足以穩(wěn)定結(jié)晶硅片的生長。散熱屏障總成501通過集中熱流朝向暴露面524而解決此問題。在一特別的范例，可假設(shè)導(dǎo)引通過坩堝514的底部而進(jìn)入隔離區(qū)534的底部分的熱流530是15W/cm²，其中隔離區(qū)534的面積是A₁。為了說明，散熱屏障總成501可具有角度，以使隔離區(qū)在平面522處的面積是A₁/3，其增強(qiáng)熱流以使熱流532具有約45W/cm²的值。硅(Si)的給定傳導(dǎo)率是0.6W/cm-K，溫度梯度變化是從熔體506的底部的約3K/mm至平面522的約7K/mm，平均約5K/mm。借此，從坩堝514的底部至散熱屏障總成501的頂部的凈溫差為50K，假設(shè)散熱屏障總成501的高度為10mm。在范例中，平面522比暴露面524低3mm，熔體106在平面522的溫度較暴露面524的溫度高出3mm乘以7K/mm，或21K，使坩堝底部的溫度高于暴露面524的溫度約71K。借此，熔體106底部的溫度可維持在1685K加上71K或1756K。

熔硅的給定熱傳導(dǎo)率在1700K為約0.05W/cm-K，熱流密度15W/cm²的熱流從加熱器502施加于坩堝514而建立約30K/mm的溫度梯度。對于4mm的合理的坩堝514的厚度，這使得坩堝514的底部表面538的溫度較熔體106底部的溫度高出30K/mm乘以4mm，或120K，或坩堝514的底部表面538的溫度為1756K加上120K等于1876K。此溫度低于可能使坩堝514嚴(yán)重軟化的溫度。

借此，既然僅產(chǎn)生15W/cm²的熱流密度通過坩堝514的底部，裝置500可傳送約45W/cm²的熱流至平面522而不需妥協(xié)坩堝，這是使用傳統(tǒng)裝置無法達(dá)成的?？商岢?，對于進(jìn)入坩堝底部的給定熱流，使用具有角度的散熱屏障總成相較于未使用散熱屏障的傳統(tǒng)裝置平均可創(chuàng)造更高的熱梯度。例如，施加15W/cm²于傳統(tǒng)裝置會(huì)使整個(gè)熔體產(chǎn)生約3K/mm的熱梯度，而上述實(shí)施例的平均熱梯度卻是5K/mm。然而，為了在熔體表面產(chǎn)生45W/cm²，傳統(tǒng)裝置需要在熔體的底部產(chǎn)生45W/cm²，這會(huì)導(dǎo)致90K/mm的溫度梯度或跨過4mm厚的坩堝的360K的溫差。此外，45W/cm²的熱流密度會(huì)在硅熔體內(nèi)產(chǎn)生超過7K/mm的熱梯度，導(dǎo)致穿過10mm深的熔體的70K的溫差。借此，坩堝外的溫度需要至少1685K加上70K加上360K，或2115K，以在熔體表面產(chǎn)生1685K的溫度。然而，熔硅坩堝的整體性在2115K將因?yàn)樵诖烁邷叵庐a(chǎn)生的嚴(yán)重軟化或流動(dòng)而無法維持。

圖5C示出另一實(shí)施例的裝置500的操作，其中結(jié)晶器520從暴露面524移除熱，如同熱流537。熱流537可超出熱流532，以使結(jié)晶發(fā)生在散熱屏障總成501上方的暴露面。晶體拉具(未示出)可通過沿著如所示的拉取方向515抽拉結(jié)晶片540。裝置500用于形成結(jié)晶片的優(yōu)點(diǎn)是裝置500可以在熔體表面產(chǎn)生超過20W/cm²的熱流密度，例如傳統(tǒng)裝置無法達(dá)成的從30W/cm²至50W/cm²。發(fā)明人確認(rèn)這樣高的熱流密度有助于穩(wěn)定結(jié)晶片在水平生長裝置的生長。

為了方便沿著熔體表面的結(jié)晶材料片的生長，散熱屏障總成501的頂部可位于熔體表面的下方。然而，高熱流密度仍可傳送至熔體表面，即使當(dāng)散熱屏障總成沒有延伸至表面。圖6示出多種狀況的范例熱流密度曲線。此結(jié)果是基于電腦流體動(dòng)力計(jì)算所得，其應(yīng)用于硅熔體，其中15W/cm²的熱流提供于深13mm的熔體的底部。散熱屏障總成的頂部可假設(shè)為低于熔體表面3mm。曲線602表示熔體內(nèi)沒有散熱屏障的狀況。在此狀況，熱流密度的寬峰具有少于12W/cm²的峰值。曲線604表示散熱屏障總成具有角度的狀況，且是計(jì)算位于散熱屏障總成的頂部的熱流密度。在此狀況，觀察到窄的波峰，其具有5mm至6mm的半峰全幅值(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)，且具有35W/cm²的峰值，表示使用散熱屏障總成增強(qiáng)熱流密度所得。曲線606表示散熱屏障總成具有角度的狀況，且是計(jì)算位于低于熔體表面1mm處的熱流密度。在此狀況，觀察到窄的波峰，其具有30W/cm²的峰值，表示熱流密度仍有被增強(qiáng)。曲線608表示散熱屏障總成具有角度的狀況，且是計(jì)算位于熔體表面的熱流密度。在此狀況，觀察到窄的波峰，其具有28.5W/cm²的峰值，表示熱流密度的主要部分仍由具有角度的散熱屏障總成增強(qiáng)。

熔體表面的熱流密度的實(shí)際增強(qiáng)量可通過調(diào)整散熱屏障的角度以及其與熔體表面的距離而調(diào)整。圖7示出多種狀況的范例熱流密度曲線，其中散熱屏障總成的頂部的散熱屏障之間的距離有變化。在圖7，所有熱流密度曲線所反應(yīng)的計(jì)算都是基于散熱屏障總成的底部與坩堝底部有25mm的距離的狀況。通過調(diào)整擴(kuò)散屏障壁的角度，擴(kuò)散屏障總成的頂部的距離可以調(diào)整。曲線702是散熱屏障總成的頂部的距離25mm的狀況，使隔離區(qū)具有固定的寬度。在此例，產(chǎn)生具有最大值26.3W/cm²的寬峰。曲線704是散熱屏障總成的頂部的距離12mm的狀況。在此例，產(chǎn)生具有最大值37.4W/cm²的窄峰。曲線706是散熱屏障總成的頂部的距離8mm的狀況。在此，產(chǎn)生具有最大值42.4W/cm²的窄峰。曲線708是散熱屏障總成的頂部的距離4mm的狀況。在此，產(chǎn)生具有最大值44.1W/cm²的更窄窄峰。曲線710是散熱屏障總成的頂部的距離3mm的狀況。在此，產(chǎn)生具有最大值42.9W/cm²的更窄窄峰。曲線712是散熱屏障總成的頂部的距離2mm的狀況。在此，產(chǎn)生具有最大值40.6W/cm²的更窄窄峰。曲線714是散熱屏障總成的頂部的距離1mm的狀況。在此，產(chǎn)生具有最大值35W/cm²的更窄窄峰。距離少至4mm以下而減少的最大熱流值可歸咎于熱可在高熱傳導(dǎo)性的熔融硅內(nèi)傳遞的距離減少所造成的熱阻抗的增加。

從上述結(jié)果可觀察到使散熱屏障總成具有角度而使散熱屏障總成的頂部的距離從25mm減少至4mm可增加熱流密度的峰值。更可觀察到當(dāng)頂部的距離為4mm或更小時(shí)，可產(chǎn)生極大峰值。借此，這些結(jié)果顯示可通過調(diào)整散熱屏障總成的頂部與底部的距離而調(diào)整熱流密度。從上面也可歸納出熱流密度的波峰的寬度如FWHM可調(diào)整以維持窄峰，借以在窄區(qū)域內(nèi)傳遞熱，適于穩(wěn)定硅片的領(lǐng)導(dǎo)前沿。

在其他實(shí)施例，用于處理熔體的裝置可包括多個(gè)散熱屏障總成。在一實(shí)施例，裝置可包括第一散熱屏障總成以產(chǎn)生集中的熱流于熔體表面以及第二散熱屏障以在熔體的目標(biāo)區(qū)產(chǎn)生均勻熱流。圖8示出裝置800的操作范例，包括前述的裝置500與裝置300的散熱屏障總成元件。特別是，散熱屏障總成501如前所述用以產(chǎn)生集中的熱流532。此熱流可超過例如30W/cm²，且可用以穩(wěn)定結(jié)晶片804的領(lǐng)導(dǎo)前沿806的生長。這可在熱流537被結(jié)晶器520從暴露面524移除時(shí)發(fā)生，且發(fā)生結(jié)晶。裝置800也包括加熱器352與散熱屏障總成366，其操作已參考圖3C于前面說明。特別是，散熱屏障總成366與加熱器352可提供熱流沿著Y軸朝向結(jié)晶片804，其在橫跨結(jié)晶片804平行于X軸的寬度上有均勻的熱流密度，如圖3C與圖4所示。借此，散熱屏障總成366可以均勻的方式橫跨結(jié)晶片804的寬度熔融回部分的結(jié)晶片804，如圖8。因此，裝置800不僅提供改善的熱流以穩(wěn)定結(jié)晶片的領(lǐng)導(dǎo)前沿，并均勻熱流以均勻地處理結(jié)晶片，借以橫跨結(jié)晶片的寬度地均勻地熔融回結(jié)晶片。

本發(fā)明不局限于在此的特定實(shí)施例的范圍。實(shí)際上，除了在此所述的之外，本發(fā)明的其他多種修改實(shí)施例對于本領(lǐng)域具有通常知識(shí)者而言再參考前述說明與附圖后將是顯而易見的。因此，其他多種修改實(shí)施例皆落于本發(fā)明所欲保護(hù)的范圍。此外，雖然本發(fā)明以文字?jǐn)⑹鰹樵谔囟ōh(huán)境下為了特定目的而有特定實(shí)施手段，本領(lǐng)域具有通常知識(shí)者可確認(rèn)其實(shí)用性并不局限于此，且本發(fā)明可在任何環(huán)境下為了任何目的被執(zhí)行。借此，隨附的權(quán)利要求書應(yīng)該在不脫離本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)被建構(gòu)。