[发明专利]在经调节压力下使用氦的高温工艺改进

说明书

本申请为国际申请PCT/US2010/047506于2012年3月2日进入中国国家阶段、申请号为201080039231.3、发明名称为“在经调节压力下使用氦的高温工艺改进”的分案申请。

技术领域

本发明一般地涉及在高温操作环境中的材料处理。更加具体地，本发明涉及在高温真空熔炉中生产结晶材料。

背景技术

虽然以下讨论涉及在高温真空熔炉中生产晶体，但是将会清楚，在这里所公开的方法和设备能够被应用于被用于生产各种产品包括但是不限于生产各种玻璃、无定形材料、多晶晶块诸如硅晶块和薄膜的任何高温操作环境。

用于诸如在高温真空熔炉中存在的环境中生产晶体的工艺能够产生任何或者所有的、三种一般类别的、能够影响最终晶体质量的、多余的辅助或者二级反应。它们是：(1)高温化学反应、(2)不稳定化合物的分解，和(3)某些元素的升华或者蒸发。

高温化学反应通常牵涉碳或者难熔金属，诸如经常在高温熔炉的构造中使用的钼和钨。如果这种反应发生，则它们能够使得熔炉劣化。牵涉包含石墨的熔炉的反应的实例包括：

C(s)+2Mo(s)→Mo₂C (1)

和

H₂O(g)+C(s)→CO+H₂(g) (2)

一氧化碳然后能够与任何难熔金属反应并且由此形成碳化物和挥发性物质。

在真空中在高温下钼坩埚也通过类似的反应与Al₂O₃反应以形成：

Al₂O₃(s)+Mo(s)→MoO₂(g)+AlO(g)+Al(g) (3)

以及其它化合物。

在1412℃的熔化温度下和在低于10托的压力下操作的、在二氧化硅坩埚中的硅通过以下反应发生反应以形成气态SiO：

SiO₂(s)+Si(s)→2SiO(g) (4)。

在约1400℃下，气态SiO在低于10托的压力下与碳反应以产生高度反应性的一氧化碳(CO)和SiC。即：

2C(s)+SiO(g)→SiC(s)+CO(g) (5)

碳化硅能够严重地劣化从熔体生长的硅的质量。

而且，CO根据下式在低于10托的压力下与硅反应以形成碳和一氧化硅。

CO(s)+Si(s)→C(s)+SiO(g) (6)

这种反应能够导致SiO气体到熔炉的较低温区域中的表面上的、多余的沉积。另外，碳化硅能够严重地劣化从熔体生长的硅的质量。

在升高的操作温度下，某些化合物变得不稳定并且分解。例如：

2MgO(g)→2Mg(s)+O₂(g) (7)

由此自由氧能够与在熔炉自身中使用的材料和与正在熔炉中被处理的材料这两者反应以形成氧化物。

作为另一个实例，尖晶石根据下式分解成氧化镁和氧化铝，

MgAl₂O₄(s)→MgO(g)+Al₂O₃(s) (8)

其中MgO如上所述地发生反应。

当某些元素或者化合物被升高到高温时，发生升华或者蒸发。如已知的那样，所有的金属和某些难熔材料倾向于在高温下蒸发或者升华。石墨将在高温下升华成碳蒸气。例如，石墨将在2200℃以上升华成碳蒸气。碳蒸气能够与坩埚反应并且污染坩埚内含物。

在晶体制造工艺中，辅助反应诸如以上的反应(1)和升华能够产生气态物质。如已知的那样，这种气体能够在正被处理的材料中被捕捉，从而使得晶体具有例如瑕疵诸如夹杂或物者气泡，这产生了不理想的光散射。

在高温环境中，加热元件也易于受到“热斑”或者“冷斑”的存在所影响，热斑是由于加热元件中的电阻率的变化或者电源变化而引起的，冷斑是例如由于绝缘泄露引起的。在处理期间，热斑和冷斑能够导致非均匀或者非对称的晶体生长。在晶体生长和冷却期间，热斑和/或冷斑在晶体中产生热应力梯度，这能够引起应力缺陷，包括引起晶格畸变和/或破裂的位错。如已知的那样，在热区内侧反应的、以前的反应物或者熔炉构造材料诸如石墨毡或者湿气的细微颗粒的存在能够劣化熔炉性能并且甚至使得通过视口观察变得模糊。

所需要的是这样一种工艺及其控制，其将在高温环境处理期间多余的辅助反应和多余的温度梯度减至最少。