[發明專利]浮式片材制造裝置及方法

有效

• 申請號: 200980114977.3
• 申請日: 2009-03-13
• 公開（公告）號: CN102017178A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 彼德·L·凱勒曼;法蘭克·辛克萊
• 申請（專利權）人: 瓦里安半導體設備公司
• 主分類號: H01L31/042
• 分類號: H01L31/042
• 代理公司: 北京同立鈞成知識產權代理有限公司 11205
• 代理人: 臧建明

技術領域

本發明涉及制造一材料片材，且特別涉及從熔體制造一結晶材料片材。

背景技術

硅晶圓或硅晶片可被應用于集成電路或太陽能電池產業中。對于太陽能電池的需求，持續隨著對再生性能源(renewable?energy?source)的需求之增加而增加。隨著這些需求的增加，太陽能電池產業的其中一個目標是降低成本對功率的比率。太陽能電池有兩種，即結晶硅太陽能電池與薄膜太陽能電池。大多數的太陽能電池是用結晶硅所制成。目前，占結晶硅太陽能電池的成本最重的是晶圓，而太陽能電池便是作在晶圓上。太陽能電池的效率或在標準照明條件下所制造的功率大小會有部分受限于晶圓的品質。任何降低晶圓的制造成本但不降低晶圓品質的方法將能夠降低成本對功率的比率，并使此干凈能源技術能夠廣泛被利用。

最高效率的太陽能電池可以具有大于20％的效率，這是藉由采用電子等級的單晶硅晶圓來達成，而這樣的晶圓可藉由將單晶硅人造圓柱晶塊鋸切成薄片而制成，其中此人造晶塊是利用丘克拉斯基法(Czochralski?method)所成長而成。人造晶塊所切成的薄片的厚度例如小于200微米。為了維持單晶成長，人造晶塊須緩慢地從容置熔體的坩堝成長，其成長速度例如小于每秒10微米。接下來的鋸切制程會導致每個晶圓約200微米的鋸口損失(kerf?loss)或由鋸身寬度所造成的損失。圓柱人造晶塊亦可被方形化以利于制成一方形太陽能電池。方形化與鋸口損失皆會導致材料的損耗，并增加材料成本。當太陽能電池越薄，每切割一次所造成的硅材料損耗會越大。此外，鑄塊切片技術的限制會使獲得更薄的太陽能電池的能力受到阻礙。

其他太陽能電池是采用從多晶硅鑄塊鋸切而成的晶圓所制成。多晶硅鑄塊可以用較單晶硅快的速度成長而成。然而，由于會產生較多的缺陷與晶界，因此所長成的晶圓的品質會較低，這會導致太陽能電池的效率較低。多晶硅鑄塊的鋸切制程與單晶硅鑄塊或人造晶塊的鋸切制程同樣缺乏效率。

另一個可降低硅材料損耗的解決方法為在離子布植制程后將硅鑄塊切割成晶圓。舉例而言，氫、氦或其他惰性氣體可被布植于硅鑄塊的表面下以形成一布植區。接著進行熱處理、物理處理或化學處理以沿著布植區從鑄塊切出晶圓。雖然沿著離子布植區切割可產生沒有鋸口損失的晶圓，但此方法是否能被經濟地用來制造晶圓仍有待證明。

又一個解決方法為從熔體鉛直地拉出一呈薄帶狀的硅材，且接著讓拉出的硅材冷卻并固化成一薄片。此方法的硅材拉出速率可限制在低于約每分鐘18毫米的范圍。在冷卻并固化硅材時所釋出的潛熱必須沿著鉛直的帶狀硅材移除，這會在帶狀硅材上產生一個大的溫度梯度。此溫度梯度會施加應力于結晶帶狀硅材，且會導致低品質的多晶粒硅材的產生。帶狀硅材的寬度與厚度亦會受到此溫度梯度的限制。舉例而言，寬度會被限制在低于80毫米的范圍，且厚度會被限制在180微米。

從熔體以物理方式地拉出水平的帶狀硅材的方法也已受到測試。在一桿體上貼附晶種，并將其插入熔體中，接著以相對坩堝邊緣較小的角度將桿體與所形成的硅片拉出。此角度會與表面張力互相平衡，以避免熔體從坩堝中溢出。然而，要開始并控制這樣的拉晶制程是困難的。必須有一個入口用來將晶種置入坩堝與熔體中，但這會造成熱量損失。額外的熱量可被加入坩堝中以補償此熱量損失，這會在熔體中產生鉛直的溫度梯度，而導致非層狀流體流動。由于大量的熱量流入溶體中，因此可采用對流氣體冷卻。這樣的對流氣體冷卻是混亂的。氣體與熔體的非層狀流動會阻礙片狀硅材的厚度控制。再者，必須進行困難度可能很高的傾斜角的調校，以平衡在坩堝邊緣形成的液面的重力與表面張力。此外，由于熱量是在片材與熔體之分離點處被移除，因此作為潛熱被移除之熱量與作為顯熱(sensible?heat)被移除之熱量之間存在突然變化，這會在沿著帶狀硅材的這個分界點上造成大的溫度梯度，且可能造成晶體的差排(dislocation)。差排與變形可能會因沿著片狀硅材的溫度梯度而發生。

從熔體水平地分離出的薄片硅材的制造尚未被實行。從熔體水平地分離制造出片狀硅材可能比從鑄塊切片出硅材具有較低的成本，且可降低鋸口損失或由方形化所導致的損失。從熔體水平地分離制造出來的片狀硅材可能比采用氫離子布植的鑄塊所切出的硅材或其他拉出帶狀硅材的方法具有較低的成本。再者，從熔體水平地分離出的片狀硅材的結晶品質能夠被提升，且其會比拉出的帶狀硅材的結晶品質更佳。如此的能夠降低材料成本的長晶方法將會是一個降低晶體太陽能電池的成本的重要的可行步驟。因此，有需要在此領域中提出一種改良的裝置與方法以用來從熔體制造出結晶片材。

發明內容