專利名稱：使用氣體噴嘴從熔化物表面移離板材的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自熔化物形成板材，更特定地說，涉及自熔化物移離板材。
背景技術(shù)：
硅晶圓或板材可用于例如積體電路或太陽能電池行業(yè)中。隨著對(duì)再生性能源的需求提高，對(duì)太陽能電池的需求持續(xù)提高。大部分太陽能電池是利用硅晶圓(諸如單晶硅晶圓)制得。目前，晶態(tài)硅太陽能電池的主要成本在于制造太陽能電池可用的晶圓。太陽能電池的效率或在標(biāo)準(zhǔn)照明下所產(chǎn)生的功率量部分地受到所述晶圓的品質(zhì)限制。隨著對(duì)太陽能電池的需求提高，太陽能電池行業(yè)的一個(gè)目標(biāo)在于降低成本/功率比。在不降低品質(zhì)的情況下晶圓制造成本的任何降低均將降低成本/功率比，且能夠使所述清潔能源技術(shù)得到更廣泛的使用。最高效率硅太陽能電池可具有大于20%的效率。這些太陽能電池是使用電子級(jí)單晶娃晶圓制造。所述晶圓可通過將使用柴氏方法(Czochralski method)生長的單晶娃圓柱形晶塊切割成薄片來制造。這些薄片的厚度可小于200 μ m。為維持單晶生長，晶塊必須自含有熔化物的坩鍋緩慢生長，諸如小于ΙΟμπι/s。隨后的切割過程引起每個(gè)晶圓約200μπι切割口損失，或因切割刀寬度所致的損失。圓柱形晶塊或晶圓亦可能需要?jiǎng)澐譃榉叫我灾圃旆叫翁柲茈姵亍澐址叫闻c切割口損失均引起材料浪費(fèi)及材料成本提高。因?yàn)樘柲茈姵刈兊幂^薄，所以每次切割的娃廢料百分比提高。切錠技術(shù)(ingot slicing technology)的限制可能阻礙獲得較薄太陽能電池的能力。其他太陽能電池是使用自多晶硅錠所切割成的晶圓來制造。多晶硅錠可比單晶硅生長得更快。然而，所得晶圓的品質(zhì)因存在較多缺陷及晶界而降低，且所述較低品質(zhì)引起太陽能電池效率降低。多晶硅錠的切割過程同單晶硅錠或晶塊一樣效率低。又一解決方案為自熔化物垂直拉起薄娃帶，接著使拉起的娃冷卻且固化成板材。所述方法的拉速可限于小于約18毫米/分鐘。在硅冷卻及固化期間所移離的潛熱必須沿垂直硅帶移離。由此沿硅帶產(chǎn)生較大溫度梯度。所述溫度梯度對(duì)晶態(tài)硅帶產(chǎn)生應(yīng)力，且會(huì)產(chǎn)生不良品質(zhì)的多晶粒硅。硅帶的寬度及厚度亦可能因所述溫度梯度而受限制。舉例而言，寬度可能限于小于80mm,且厚度可能限于180 μ m。自熔化物水平制造板材的成本可小于自晶錠所切的硅，且可消除切割口損失或因劃分方形所致的損失。自熔化物水平制得的板材的成本亦可小于自熔化物垂直拉起的硅帶。此外，與自熔化物垂直拉起或以一定角度拉起的硅帶相比，自熔化物水平制得的板材可改良板材的晶體品質(zhì)。晶體生長方法，諸如可降低材料成本的所述方法，為降低硅太陽能電池成本的主要可行步驟。已測(cè)試自熔化物物理拉出的水平硅帶。在一種方法中，將附著于棒的晶種插入熔化物中且在坩鍋邊緣上方以低角度拉起棒及所得板材。對(duì)角度、表面張力及熔化高度進(jìn)行平衡，以防止熔化物溢出坩鍋。然而，難以啟動(dòng)及控制所述拉出過程。第一，使坩鍋邊緣所形成的彎液面(meniscus)的重力與表面張力平衡的傾角可能難以調(diào)節(jié)。第二，若冷卻板靠近板材與熔化物之間的分離點(diǎn)，則沿硅帶的溫度梯度可能在所述分離點(diǎn)引起晶體錯(cuò)位。第三，熔化物上方的板材傾斜可能在凝固端產(chǎn)生應(yīng)力。所述凝固端可能為板材最薄且最脆而因此會(huì)出現(xiàn)板材錯(cuò)位或斷裂之處。第四，可能需要復(fù)雜拉出裝置以獲得低角度。板材必須在不使熔化物溢出的情況下自熔化物表面移離。因此，板材下側(cè)與熔化物之間的彎液面必須保持穩(wěn)定或附著于容器。之前，已降低位于彎液面熔化物一側(cè)的壓力，以維持彎液面穩(wěn)定性。在一個(gè)實(shí)例中，低角度娃板材(low angle silicon sheet,LASS)方法是使板材以小角度傾斜且在熔化物上拉起。由此在熔化物中產(chǎn)生負(fù)壓(相對(duì)于大氣壓)且提供橫越彎液面的壓力。在另一實(shí)例中，熔化物會(huì)溢出溢道(spillway)邊緣。溢道頸部中的流體降落可在熔化物中提供負(fù)壓以穩(wěn)定彎液面。然而，此項(xiàng)技術(shù)中需要一種自熔化物移離板材的方法，更特定地說，以局部壓力自熔化物移離板材的改良方法
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種板材制造裝置。此裝置包括設(shè)置為可容納一種材料的熔化物的容器。冷卻板緊鄰熔化物安置，且設(shè)置為可形成水平臥于緊鄰冷卻板的熔化物上的所述材料的板材。第一氣體噴嘴設(shè)置為可將氣體導(dǎo)向容器邊緣。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種板材制造方法。此方法包括水平移動(dòng)一種材料的熔化物表面上的所述材料的板材。自第一氣體噴嘴將氣體導(dǎo)向熔化物的彎液面，且自熔化物移離板材。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種形成板材的方法。此方法包含將晶種施加于一種材料的熔化物中。自第一氣體噴嘴將氣體導(dǎo)向針對(duì)晶種所形成的熔化物的彎液面。凝固熔化物的一部分，以形成水平臥于熔化物表面上的所述材料的板材。自熔化物移離板材。


為更好地了解本發(fā)明，參考附圖，附圖并入本案供參考，并且其中圖1為將板材與熔化物分離的裝置的實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖2為將板材與熔化物分離的裝置的第二實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D；圖3為LASS的穩(wěn)定彎液面的橫截面?zhèn)纫晥D；圖4為使用氣體沖擊法穩(wěn)定彎液面的實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖5為說明氣體噴嘴所產(chǎn)生的壓力分布的橫截面圖；圖6為使用溢道、使用氣體沖擊法穩(wěn)定彎液面的實(shí)施例的橫截面圖；圖7為板材形成中的氣體噴嘴的第一實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖8為板材形成中的氣體噴嘴的第二實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖9為板材形成中的氣體噴嘴的第三實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D；圖10A-D說明氣體噴嘴的穩(wěn)定作用使種晶可行；和。圖11為氣體噴嘴的實(shí)施例的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式配合太陽能電池來描述本文中的裝置及方法的實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例亦可用以制造例如積體電路、平面面板(flat panel)、LED或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他基板。此夕卜，盡管熔化物在本文中經(jīng)描述為硅，但熔化物可含有鍺、硅及鍺、鎵、氮化鎵、其他半導(dǎo)體材料或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他材料。因此，本發(fā)明不限于下述特定實(shí)施例。圖1為將板材與熔化物分離的裝置的實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。板材形成裝置21具有容器16。容器16可為例如鎢、氮化硼、氮化鋁、鑰、石墨、碳化硅或石英。容器16設(shè)置為可含有熔化物10。所述熔化物10可為硅。板材13將在熔化物10上形成。在一種情況下，板材13將至少部分浮動(dòng)于熔化物10內(nèi)。盡管板材13在圖1中說明為浮于熔化物10中，但板材13可至少部分地浸沒于熔化物10中或可浮在熔化物10頂部上。板材13定位的深度部分地依據(jù)板材13與熔化物10的相對(duì)密度。在一種情況下，板材13中僅10%自熔化物10頂部上方突出。熔化物10可在板材形成裝置21內(nèi)循環(huán)。所述容器16界定至少一個(gè)通道17。 所述通道17設(shè)置為可容納熔化物10，且熔化物10自通道17的第一點(diǎn)18流至第二點(diǎn)19。熔化物10可因例如壓差、重力、泵或其他傳輸方法而流動(dòng)。接著，熔化物10溢出溢道12。所述溢道12可為坡道、堰、凸緣、小擋板或拐角，且不限于圖1中所說明的實(shí)施例。溢道12可為容許板材13與熔化物10分離的任何形狀。在一個(gè)特定實(shí)施例中，容器16可維持在稍高于約1685K的溫度下。對(duì)于娃，1685K表示凝固溫度或界面溫度。通過維持容器16的溫度稍高于熔化物10的凝固溫度，冷卻板14可使用輻射冷卻來發(fā)揮功能，以獲得熔化物10之上或之中的板材13的所需凝固速率。所述特定實(shí)施例中的冷卻板14是由單一節(jié)段或區(qū)段構(gòu)成，但亦可包含多個(gè)節(jié)段或區(qū)段?？杉訜嵬ǖ?7的底部高于熔化物10的熔融溫度，以使位于界面處的熔化物10中產(chǎn)生小的垂直溫度梯度，以防止在板材13上發(fā)生組成過冷(costitutional supercooling)或形成樹枝狀結(jié)晶或分支性突出。然而，容器16可具有高于熔化物10的熔融溫度的任何溫度。此舉防止熔化物10在容器16上固化?？赏ㄟ^將板材形成裝置21至少部分或完全封閉于外殼內(nèi)，以使板材形成裝置21維持在稍高于熔化物10的凝固溫度的溫度下。若外殼將板材形成裝置21維持在高于熔化物10的凝固溫度的溫度下，則可避免或降低加熱板材形成裝置21的需要，且外殼中或外殼周圍的加熱器可補(bǔ)償任何熱損失。此外殼可因各向異性傳導(dǎo)率而為等溫的。在另一特定實(shí)施例中，加熱器不安置于外殼上或外殼中，而是安置于板材形成裝置21中。在一種情況下，可通過將加熱器插入容器16內(nèi)及使用多區(qū)溫度控制，將容器16的不同區(qū)域加熱至不同溫度。外殼可控制板材形成裝置21所安置的環(huán)境。在一個(gè)特定實(shí)施例中，外殼含有惰性氣體。所述惰性氣體可維持在熔化物10的凝固溫度以上。惰性氣體可減少溶質(zhì)添加至熔化物10中，向熔化物10中添加溶質(zhì)會(huì)在板材13形成期間引起組成不穩(wěn)定。冷卻板14可除去熱，使板材13能夠在熔化物10上形成。當(dāng)冷卻板14的溫度降低至熔化物10的凝固溫度以下時(shí)，冷卻板14可使板材13凝固于熔化物10之上或之中。所述冷卻板14可使用輻射冷卻，且可由例如石墨、石英或碳化硅制造。在板材13形成的同時(shí)可減少對(duì)熔化物10的干擾，以防止在板材13中產(chǎn)生瑕疵。冷卻熔化物10表面上的板材13或浮在熔化物10上的板材13可緩慢且大面積地移離熔融潛熱，同時(shí)具有相對(duì)較大的板材 13 萃取速率(extraction rate)。在熔化物10上形成板材13之后，使用溢道12將板材13與熔化物10分離。熔化物10自通道17的第一點(diǎn)18流至第二點(diǎn)19。板材13將隨熔化物10 —起流動(dòng)。板材13的所述傳輸可為連續(xù)動(dòng)作。在一種情況下，板材13的流速可與熔化物10的流速大約相同。因此，板材13可以相對(duì)于熔化物10的靜止?fàn)顟B(tài)形成及傳輸?？筛淖円绲?2的形狀或溢道12的取向(orientation)，以改變?nèi)刍?0或板材13的速度分布。熔化物10在溢道12處與板材13分離。在一個(gè)實(shí)施例中，熔化物10的流動(dòng)使熔化物10傳輸越過溢道12，且可使板材13至少部分地傳輸越過溢道12。因?yàn)闊o外部應(yīng)力施加于板材13，所以此舉可將板材13斷裂減到最小或防止板材13斷裂。當(dāng)然，亦可拉出板材13或?qū)ζ涫┘右恍┩饬?。在所述特定?shí)施例中，熔化物10將溢出溢道12而遠(yuǎn)離板材13。冷卻可不應(yīng)用于溢道12,以防止對(duì)板材13產(chǎn)生熱震(thermal shock)。在一個(gè)實(shí)施例中，溢道12處的分離是在近似等溫(near-1sothermal)的條件下發(fā)生。在一個(gè)實(shí)施例中，板材13可能傾向于直行越過溢道12。在一些情況下，所述板材13可能在越過溢道12之后得到支撐以防止斷裂。當(dāng)然，可利用冷卻板14的整個(gè)長度上的不同冷卻溫度、熔化物10的不同流動(dòng)速率 或板材13的拉速、板材形成裝置21的各種區(qū)段的長度或板材形成裝置21內(nèi)的時(shí)序進(jìn)行過程控制。若熔化物10為硅，則板材13可為使用板材形成裝置21所形成的多晶或單晶板材。圖1僅為可利用熔化物10形成板材13的板材形成裝置的一個(gè)實(shí)例?？纱嬖谒桨宀?3生長的其他裝置或方法。本文所述的實(shí)施例可應(yīng)用于任何水平板材13生長方法或裝置。因此，本文所述的實(shí)施例不僅僅限于圖1的特定實(shí)施例。舉例而言，圖2為將板材與熔化物分離的裝置的第二實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。在板材形成裝置31中，容器16含有熔化物13。板材13在通過冷卻板14形成之后自熔化物10拉出。盡管在圖2中呈水平狀態(tài)，但板材13亦可相對(duì)于熔化物10呈一定角度。在圖1至圖2的實(shí)施例中，熔化物10可圍繞板材形成裝置21或板材形成裝置31 (諸如圍繞板材形成裝置21或板材形成裝置31的各側(cè))循環(huán)。當(dāng)然，在部分或所有的板材13形成過程中，熔化物10亦可為不動(dòng)的。當(dāng)液體與氣體接觸時(shí)，形成彎液面界面。所述界面遵循楊-拉普拉斯方程(Young-Laplace Equation)。在二維中，其采取以下形式ΔΡ = --
K
\ ^ I
I丨U 7 ----575-
(,)其中Λ P為橫越界面的壓差，σ為液體表面張力，且R為表面曲率半徑。圖3為LASS的穩(wěn)定彎液面的橫截面?zhèn)纫晥D。就圖3的坐標(biāo)系而言，曲率半徑可以描述彎液面的直線的一階及二階導(dǎo)數(shù)表示。圖3中橫越彎液面27的壓差是由重力所致的熔化物10液體中的液體靜壓力(Pgy)引起。因此，楊-拉普拉斯方程變成二階微分方程
f2-V 3/2f| = -1(^(x))| 1 + |^ ! dx" σ^ \δχJ 》圖3中所說明的彎液面27的凹面形狀是由相對(duì)于大氣壓(PatmJ的負(fù)壓(P1)提供。所述凹面形狀如下形成提起板材13且使其相對(duì)于X軸呈斜角，以使板材13在容器16的壁緣處的高度提升，同時(shí)板材13的凍結(jié)鋒面(freezing front)降低至熔化物10高度。在圖3中，α表示彎液面27中的熔化物10與板材13之間的接觸角，且Θ表示彎液面27中的熔化物10與容器16之間的接觸角。熔化物10由硅構(gòu)成且容器16由石英構(gòu)成時(shí)，Θ為約87°。這些角可基于材料而變。盡管熔化物10液面可位于圖3中的X軸，但熔化物10液面可位于相對(duì)于容器16的其他處。氣體噴嘴可通過提高熔化物的局部壓力而用以穩(wěn)定彎液面。舉例而言，可提高位于彎液面氣體側(cè)的局部壓力。使用本文所述的實(shí)施例穩(wěn)定彎液面與任何熔化物流動(dòng)方式無關(guān)，因此晶體預(yù)置(crystal initiation)可發(fā)生于熔化物開始流動(dòng)之前,從而在使用熔化物流動(dòng)的系統(tǒng)中簡化種晶。可使用本文所述的實(shí)施例使板材水平生長，從而消除生長速率(亦即移熱)相對(duì)于一定角度下的拉速的復(fù)雜平衡。板材生長可位于與熔化物發(fā)生分離的容器邊緣的上游。圖4為使用氣體沖擊法穩(wěn)定彎液面的實(shí)施例的橫截面?zhèn)纫晥D。在此實(shí)施例中，水平拉出板材13。容器16的壁低于熔化物10表面高度，在此情況下，其位于X軸與y軸的相 交處或板材13所定位處。通過在板材13下形成彎液面27防止熔化物10溢出。當(dāng)然，盡管未說明，但熔化物10仍可循環(huán)越過容器16的邊緣(諸如使用圖1中所說明的溢道12)，且仍形成彎液面27，如圖6中說明。返回圖4，維持拱形彎液面27的壓差是由彎液面27下的氣體噴嘴22提供，其向彎液面27或容器16的邊緣傾斜，如背離氣體噴嘴22的箭頭所指示。在此情況下，楊-拉普拉斯方程采取以下形式
權(quán)利要求
1.一種板材制造裝置，包括 容器，設(shè)置為用以容納材料的熔化物； 冷卻板，緊鄰所述熔化物安置，所述冷卻板設(shè)置為用以形成所述材料的板材，所述板材水平臥于緊鄰所述冷卻板的所述熔化物上；以及 第一氣體噴嘴，設(shè)置為用以將氣體導(dǎo)向所述容器的邊緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制造裝置，還包括設(shè)置為用以使所述熔化物流動(dòng)的泵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的板材制造裝置，其中所述熔化物設(shè)置為用以在所述容器內(nèi)循環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制造裝置，還包括設(shè)置為用以將所述氣體導(dǎo)向所述容器的所述邊緣的第二氣體噴嘴，所述第二氣體噴嘴安置于所述第一氣體噴嘴的對(duì)面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制造裝置，還包括鄰接所述第一氣體噴嘴所安置的支撐臺(tái)，所述支撐臺(tái)設(shè)置為用以支撐所述板材。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制造裝置，還包括壓力單元，所述壓力單元環(huán)繞所述板材，且具有高于所述壓力單元外部的壓力，其中所述第一氣體噴嘴位于所述壓力單元內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制造裝置，其中所述材料為硅或硅與鍺。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板材制造裝置，其中所述板材與所述熔化物在所述容器的所述邊緣分離且在所述熔化物中形成彎液面，且其中所述第一氣體噴嘴將所述氣體導(dǎo)向所述彎液面。
9.一種制造板材的方法，包括 水平移動(dòng)一種材料的熔化物表面上的所述材料的板材； 于所述熔化物的彎液面處，自第一氣體噴嘴引導(dǎo)氣體；以及 自所述熔化物移離所述板材。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造板材的方法，其中所述引導(dǎo)設(shè)置為用以提高所述彎液面的所述熔化物內(nèi)的局部壓力。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造板材的方法，其中所述板材與所述熔化物以相等速度移動(dòng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造板材的方法，還包括自第二氣體噴嘴引導(dǎo)所述氣體，藉此平衡自所述第一氣體噴嘴引導(dǎo)所述氣體所引起的力。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造板材的方法，其中所述材料為硅或硅與鍺。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造板材的方法，其中所述氣體具有設(shè)置為用以穩(wěn)定所述彎液面的壓力。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造板材的方法，其中所述移離包括在溢道將所述板材與所述熔化物分離。
16.—種形成板材的方法，包括 將晶種施加于一種材料的熔化物； 在針對(duì)所述晶種形成的所述熔化物的彎液面處，自第一氣體噴嘴引導(dǎo)氣體； 凝固所述熔化物的一部分以形成所述材料的板材，所述板材水平臥于所述熔化物的表面上；以及 自所述熔化物移離所述板材。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的形成板材的方法，還包括使所述板材與所述熔化物以相等速度流動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的形成板材的方法，其中所述材料為硅或硅與鍺。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的形成板材的方法，其中所述氣體具有設(shè)置為用以穩(wěn)定所述彎液面的壓力。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的形成板材的方法，其中所述移離包含在溢道將所述板材與所述熔化物分離。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的形成板材的方法，其中所述引導(dǎo)設(shè)置為用以提高所述彎液面的所述熔化物內(nèi)的局部壓力。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施例中，一種板材制造裝置包括設(shè)置為可容納一種材料的熔化物的容器。冷卻板緊鄰熔化物安置且設(shè)置為可在熔化物上形成所述材料的板材。第一氣體噴嘴設(shè)置為可將氣體導(dǎo)向容器邊緣。水平移動(dòng)位于熔化物表面上的材料板材且自熔化物移離板材。第一氣體噴嘴可導(dǎo)向彎液面且可穩(wěn)定所述彎液面或提高彎液面內(nèi)的局部壓力。
文檔編號(hào)C30B29/64GK103025926SQ201180031762
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月6日
發(fā)明者彼德·L·凱勒曼, 葛列格里·D·斯羅森, 孫大為 申請(qǐng)人:瓦里安半導(dǎo)體設(shè)備公司