浮式片材制造装置及方法

专利名称：浮式片材制造装置及方法
技术领域：
本发明涉及制造一材料片材，且特别涉及从熔体制造一结晶材料片材。
背景技术：
硅晶圆或硅晶片可被应用于集成电路或太阳能电池产业中。对于太阳能电池的 需求，持续随着对再生性能源(renewable energy source)的需求之增加而增加。随着这 些需求的增加，太阳能电池产业的其中一个目标是降低成本对功率的比率。太阳能电池 有两种，即结晶硅太阳能电池与薄膜太阳能电池。大多数的太阳能电池是用结晶硅所制 成。目前，占结晶硅太阳能电池的成本最重的是晶圆，而太阳能电池便是作在晶圆上。 太阳能电池的效率或在标准照明条件下所制造的功率大小会有部分受限于晶圆的品质。 任何降低晶圆的制造成本但不降低晶圆品质的方法将能够降低成本对功率的比率，并使 此干净能源技术能够广泛被利用。最高效率的太阳能电池可以具有大于20%的效率，这是藉由采用电子等级的单 晶硅晶圆来达成，而这样的晶圆可藉由将单晶硅人造圆柱晶块锯切成薄片而制成，其中 此人造晶块是利用丘克拉斯基法(Czochralskimethod)所成长而成。人造晶块所切成的薄 片的厚度例如小于200微米。为了维持单晶成长，人造晶块须缓慢地从容置熔体的坩埚 成长，其成长速度例如小于每秒10微米。接下来的锯切制程会导致每个晶圆约200微米 的锯口损失(kerfloss)或由锯身宽度所造成的损失。圆柱人造晶块亦可被方形化以利于 制成一方形太阳能电池。方形化与锯口损失皆会导致材料的损耗，并增加材料成本。当 太阳能电池越薄，每切割一次所造成的硅材料损耗会越大。此外，铸块切片技术的限制 会使获得更薄的太阳能电池的能力受到阻碍。其他太阳能电池是采用从多晶硅铸块锯切而成的晶圆所制成。多晶硅铸块可以 用较单晶硅快的速度成长而成。然而，由于会产生较多的缺陷与晶界，因此所长成的晶 圆的品质会较低，这会导致太阳能电池的效率较低。多晶硅铸块的锯切制程与单晶硅铸 块或人造晶块的锯切制程同样缺乏效率。另一个可降低硅材料损耗的解决方法为在离子布植制程后将硅铸块切割成晶 圆。举例而言，氢、氦或其他惰性气体可被布植于硅铸块的表面下以形成一布植区。接 着进行热处理、物理处理或化学处理以沿着布植区从铸块切出晶圆。虽然沿着离子布 植区切割可产生没有锯口损失的晶圆，但此方法是否能被经济地用来制造晶圆仍有待证 明。又一个解决方法为从熔体铅直地拉出一呈薄带状的硅材，且接着让拉出的硅材 冷却并固化成一薄片。此方法的硅材拉出速率可限制在低于约每分钟18毫米的范围。在 冷却并固化硅材时所释出的潜热必须沿着铅直的带状硅材移除，这会在带状硅材上产生 一个大的温度梯度。此温度梯度会施加应力于结晶带状硅材，且会导致低品质的多晶粒 硅材的产生。带状硅材的宽度与厚度亦会受到此温度梯度的限制。举例而言，宽度会被 限制在低于80毫米的范围，且厚度会被限制在180微米。
从熔体以物理方式地拉出水平的带状硅材的方法也已受到测试。在一杆体上贴 附晶种，并将其插入熔体中，接着以相对坩埚边缘较小的角度将杆体与所形成的硅片拉 出。此角度会与表面张力互相平衡，以避免熔体从坩埚中溢出。然而，要开始并控制 这样的拉晶制程是困难的。必须有一个入口用来将晶种置入坩埚与熔体中，但这会造成 热量损失。额外的热量可被加入坩埚中以补偿此热量损失，这会在熔体中产生铅直的温 度梯度，而导致非层状流体流动。由于大量的热量流入溶体中，因此可采用对流气体冷 却。这样的对流气体冷却是混乱的。气体与熔体的非层状流动会阻碍片状硅材的厚度控 制。再者，必须进行困难度可能很高的倾斜角的调校，以平衡在坩埚边缘形成的液面的 重力与表面张力。此外，由于热量是在片材与熔体之分离点处被移除，因此作为潜热被 移除之热量与作为显热(sensible heat)被移除之热量之间存在突然变化，这会在沿着带状 硅材的这个分界点上造成大的温度梯度，且可能造成晶体的差排(dislocation)。差排与变 形可能会因沿着片状硅材的温度梯度而发生。从熔体水平地分离出的薄片硅材的制造尚未被实行。从熔体水平地分离制造出 片状硅材可能比从铸块切片出硅材具有较低的成本，且可降低锯口损失或由方形化所导 致的损失。从熔体水平地分离制造出来的片状硅材可能比采用氢离子布植的铸块所切出 的硅材或其他拉出带状硅材的方法具有较低的成本。再者，从熔体水平地分离出的片状 硅材的结晶品质能够被提升，且其会比拉出的带状硅材的结晶品质更佳。如此的能够降 低材料成本的长晶方法将会是一个降低晶体太阳能电池的成本的重要的可行步骤。因 此，有需要在此领域中提出一种改良的装置与方法以用来从熔体制造出结晶片材。

发明内容
根据本发明的第一态样，提供一种片材制造装置。片材制造装置包括一容器， 其定义出一通道，以容纳一材料的一熔体。熔体会从通道的一第一位置流动至一第二 位置。一冷却板配置于邻近熔体的位置，以在熔体上形成此材料的一片材。一溢流道 (spillway)配置于通道的第二位置。溢流道用以将片材从熔体分离。根据本发明的第二态样，提供一种片材制造方法。片材制造方法包括使一材料 的一熔体流经一通道。冷却熔体，并在熔体上形成此材料的一片材。使片材与熔体流 动，且从熔体分离出片材。根据本发明的第三态样，提供一种片材制造装置。片材制造装置包括一第一通 道，以容纳一材料的一熔体。熔体会从通道的一第一位置流至一第二位置。一冷却板配 置于邻近第一通道的位置，以在熔体上形成此材料的一片材。一溢流道配置于第一通道 的第二位置。溢流道配置于熔体内，以将片材从熔体分离出，其中熔体会流动而远离片 材。熔体会在一第二通道中被输送至第一通道的第一位置。


为更好地理解本揭示案，参看附图，其以引用的方式并入本文中，且其中图1为一实施例的用以将片材从熔体分离的装置的侧剖面图。图2为图1所示的装置的实施例的上视平面图。图3为图1所的示的装置的实施例的前视剖面图。
图4为图1所示的装置的前视剖面图，其中此装置采用磁流体动力泵。图5为图1所示的装置的实施例的侧剖面图，其中此装置采用磁流体动力泵。图6为图1所示的装置的实施例的前视剖面图，其中此装置采用螺旋泵。图7为图1所示的装置的实施例的上视平面图，其中此装置采用螺旋泵。图8为一实施例的在熔体上使一片材凝固的侧剖面图。图9为图1所示的装置的实施例的上视平面图，其中此装置具有一经塑形的冷却 板。图10为图1所示的装置的实施例的侧剖面图，其中装置具有一冷却轮。图11为硅与锗系统的二元相图。图12示出一实施例的渐进型能带间隙片材。图13为锗系统的二元相图的一部分。图14为一实施例的系统整合的侧剖面图。图15为采用空气轴承的片材运送的一实施例的剖面图。图16为一实施例的适用于太阳能电池制造的系统整合。图17A至图17C示出晶粒界控制的一实施例。图18为欧姆加热的一实施例的前视剖面图。图19为片材制造的另一实施例的侧剖面图。图20为另一实施例的用以从熔体中分离出片材的装置的侧剖面图。
具体实施例方式以下所描述的装置与方法的实施例是有关于太阳能电池。然而，这些实施例也 可用于制造集成电路、平面面板或所属领域中的技术人员所熟知的其他基板。再者，虽 然此处所描述的熔体是以硅为例，但本发明的熔体也可包括锗、硅与锗的混合物或其他 所属领域的技术人员所熟知的材料。因此，本发明不以下述的具体实施例为限。图1为一实施例的用以将片材从熔体分离的装置的侧剖面图。片材形成装置21 具有一容器(vessel) 16及板件(panel) 15与20。容器16与板件15、20的材质例如是钨 (tungsten)、氮化硼(boron nitride)、氮化招(aluminum nitride)、销(molybdenum)、石墨 (graphite)、碳化硅(silicon carbide)或石英(quartz)。容器16是用来容置一熔体10。熔 体10例如是硅(silicon)。在一实施例中，可藉由进料器11补充熔体10。进料器11可 包含固态硅。在另一实施例中，熔体10可以是被泵打进容器16中。熔体10上会形成 一片材13。举例而言，片材13会有至少一部分在熔体10中浮动。如图1所示，当片 材13在熔体10中浮动时，片材13会有至少一部分被熔体10淹没，或在熔体10的顶部 浮出。在一实施例中，只有10%的片材13从熔体10的顶部往上突出。容器16定义出至少一通道17。通道17是用以容纳熔体10，且熔体10从通道 17的一第一位置18流动至一第二位置19。在一实施例中，通道17中的环境是平静的， 以避免在熔体10中产生涟漪。熔体10可因压力差、重力或其他传输方法而流动。接 着，熔体10会流过溢流道(spillway) 12。溢流道12例如是一斜坡、一堰、一小型的坝或 一角落，但不以图1所示的实施例为限。溢流道12可以是呈任何让片材13从熔体10中 分离出的形状。
在本具体实施例中，板件15有部分延伸至熔体10的液面下方，这可避免波浪或 涟漪干扰在熔体10上形成的片材13。波浪或涟漪会因从进料器11加入熔体材料、藉由 泵打入熔体材料或其他所属领域的技术人员所熟知的原因而产生。在一具体实施例中，容器16与板件15及20的温度可以维持在约略高于1687K 的温度。对硅而言，1687K代表结晶温度(Te)。藉由使容器16与板件15及20维持在 略高于凡的温度，冷却板14可用以产生辐射冷却，以使在熔体10上或熔体10中的片材 达到预期的冷却凝固速率。在本实施例中，冷却板14是由单一的部件或片段所组成。通 道17的底部25可被加热至Te以上，以在熔体10中产生小的垂直温度梯度，藉此避免在 片材13上产生本质上的过度冷却、树枝状结晶或枝状凸起。然而，容器16与板件15及 20的温度可以是任何高于熔体10的熔点的温度，这可避免熔体10在容器16与板件15及 20上固化。藉由一包覆件26将至少部分或全部的装置21包覆其中，装置21的温度可维持 在约略高于T。的温度。虽然图1所示的包覆件26仅部分环绕或包覆装置21，包覆件也 可完全包覆装置21，且装置21并不仅仅以图1所示的实施例为限。当包覆件26使装置 21的温度维持在高于T。的温度时，便可不需或减少对装置21的加热，且包覆件26中或 包覆件26周围的加热器可补偿任何的热量损失。包覆件26可为等温，且其热传导性可 为非各向同性。如此的包覆件26可用一衬垫27、一具有加热器的层28及一绝缘体29所 构成，然而，也可采用其他所属领域的技术人员所熟知的设计。衬垫27可导热，且在一 实施例中衬垫27的材质例如是氮化硼(boron nitride，BN)。具有加热器的层28可包括 无线电频率感应力口热(radio frequency inductive heating, RF inductive heating)或其他所属 领域的技术人员所熟知的加热方法。在另一个具体实施例中，加热器不是配置于包覆件 26上或包覆件26中，而是配置于装置21中。在一实施例中，藉由在容器16中嵌入加热 器且采用多区式温度控制，容器16的不同区域可被加热至不同温度。包覆件26可控制装置21所处的环境。在一具体实施例中，包覆件26包含惰性 气体。惰性气体可以维持在高于T。的温度。惰性气体可减少溶质被加入熔体10中，以 避免在片材13形成的过程中产生本质上的不稳定性。装置21包括一冷却板14。当片材13形成于熔体10上时，冷却板14可将热量 抽出。当冷却板14降温至熔体10的凝固点以下时，冷却板14会使片材13在熔体10上 或熔体10中凝固。冷却板14可采用辐射冷却，且可由石墨或碳化硅所制成。冷却板 14可快速、均勻且在量值受到控制的情况下从液态熔体10中移除热量。当片材13形成 时，对熔体10的干扰会被抑制，以避免缺陷产生。与其他带状拉晶法(ribbon pulling method)相比，从熔体10表面所抽出熔化热会
使片材13的产生较快，但仍使片材13维持在低缺陷密度(defect density)。冷却在熔体 10表面的片材13或浮在熔体10上的片材13可使熔化潜热被缓慢地移除，且允许熔体10 在具有较大的水平流动速率时，能够有较大的面积释放热量。从熔体垂直拉出片材具有 大于约每秒300微米(每分钟18毫米)的晶体成长速率，而此处的装置与方法的实施例 可具有相较下很低的晶体成长速率，其接近丘克拉斯基晶体成长速率。在一实施例中， 晶体成长速率可低于约每秒10微米。当片材被垂直拉出熔体表面外时，潜热必须被沿着 片材移除。结晶面积(或片材厚度乘以片材宽度)会较小。以约每分钟18毫米垂直拉出片材需要较高的温度梯度。采用如此的垂直拉晶法会导致低的结晶品质。冷却在熔体 10表面上的片材13或浮在熔体10上的片材除了可提升片材13的品质外，还可增加生产 速度及片材13的尺寸，而这样的生产速度与尺寸皆比从熔体表面垂直拉出的带状材料来得尚。冷却板14的尺寸(例如同时在长度与宽度上)可以增加。相较于同样的垂直成 长速率及产出的片材13厚度，增加冷却板14的长度可允许较快的熔体10流动速率。增 加冷却板14的宽度则可产生较宽的片材。不同于采用垂直的片材拉出方法，此处所描述 的装置与方法的实施例不会造成片材13宽度的先天物理限制。在一具体实施例中，熔体10与片材13以约每秒1公分的速率流动。冷却板14 的长度约20公分，且宽度约25公分。可在约20秒长出约100微米的厚度的片材13。 因此，片材13的厚度成长速率可以是约每秒5微米。可以约每小时10平方米的速率制 造厚度约100微米的片材。在一实施例中，熔体10的温度梯度可以被微小化，这可使熔体10的流动成为层 流或可藉由冷却板14的辐射冷却来形成片材13。冷却板14与熔体10间约300K的温度 差可以每秒7微米的速率在熔体10上或熔体10内形成片材13。在冷却板14下游且在板件20下方的通道17的区域可以是等温的，此等温区域 可允许片材13的退火(annealing)。在片材13形成于熔体10上之后，可利用溢流道12将片材13从熔体10分开。 熔体10从通道17的第一位置18流动至第二位置19。片材13会与熔体10 —起流动。 片材13的传输可以是连续的运动。在一实施例中，片材13的流动速度可以约相同于熔 体10的流动速度。如此一来，片材13可形成并被传送，同时相对于熔体10静止。溢 流道12的形状或方向可被改变，以改变片材13的速度剖面(velocity profile)。熔体10在溢流道12处会与片材13分离。在一实施例中，熔体10的流动会使 熔体10越过溢流道12，且至少有部分会使片材13越过溢流道12，这可减少或避免片材 13中的晶体断裂，因为没有外在应力施加于片材上。在本具体实施例中，熔体10会流过 溢流道12并离开片材13。溢流道12处不会被冷却，以避免对片材13的热冲击。在一 实施例中，溢流道12处的分离在接近等温的状态下发生。由于熔体10可以在让片材13能够适当的冷却与结晶的速度下流动，因此在装置 21中形成的片材13的形成速度可以比垂直地从熔体拉出的方法来得快。片材13的流动 速度会接近熔体10的流动速度，这可降低片材13所受到的应力。当垂直地从熔体拉出 带状材料时，拉力在带状材料上所造成的应力会使拉出带状材料的速度受到限制。在一 实施例中，装置21中的片材13会没有任何如此的拉应力(pulling stress)，这可增进片材 13的品质及生产速度。在一实施例中，片材13会倾向笔直地流出溢流道12外。在一些实施例中，片 材13在流过溢流道12后可以被支撑住以避免断裂。一支撑元件22可用以支撑片材13。 支撑元件22可利用一气体或空气鼓风机来提供一气压差以支撑片材13。当片材从熔体 10分离之后，可缓慢地改变片材13所在的环境温度。在一实施例中，当片材13移动至 更远离溢流道12之处后，可使温度降低。在一实施例中，片材13的成长、片材13的退火及利用溢流道12来使片材13从熔体10分离可发生在等温的环境下。利用溢流道12来分离及大约相等的片材13与熔体 10的流速可使在片材13上的应力与机械应变降至最低，这会增加产生单晶片材13的可能 性。在另一实施例中，可对装置21中的熔体10与片材13施加一磁场，这可抑制熔 体10内的非层流，且可增进片材13的结晶化。图2为图1所示的装置的实施例的上视平面图。图3为图1所示的装置的实施例 的前视剖面图。图2与图3皆示出具有通道30的装置21。如图2所示，熔体10会以如 箭头33所指的方向流经通道17。熔体会流过冷却板14(如图2中以阴影表示的区域)， 且片材13会形成。由图2至图3可看出，冷却板14可以不完全延伸至容置熔体10的侧 壁31、32，这可避免固态片材13靠着侧壁31、32形成。片材13与熔体10会流动而越 过溢流道(spillway) 12，且片材13会从熔体10分离出。熔体10接着会以如箭头34所指 的方向经由通道30流回邻近进料器11的区域。虽然图中示出两个通道30，但也可采用 一或多于二个的通道。此装置并不仅以两个通道30为限。再者，虽然图中所示的通道 30是位于装置21的两侧，但也可采用其他可让熔体10流动的设计。图4为图1所示的装置的前视剖面图，其中此装置采用磁流体动力泵 (magnetohydrodynamic pump, MHD pump)或劳伦兹泵(Lorentz pump)。在本实施 列中， 线圈50、51配置于装置21的上方及下方，且在装置21内产生一个铅直的磁场(B)。在 熔体10两侧的极板56、57提供直流电流至通道30内的熔体10中。极板55与56、极 板56与57以及极板57与58可连接至至少一直流电源供应器，以在熔体10中产生电流 (I),这会产生磁力52、53、54，且这可由向量外积F = IxB所得知，其中F为以牛顿作 单位的力，I为以安培作单位的电流，而B为以特斯拉(Tesla)作单位的磁场。劳伦兹力 会在熔体10中提供一泵抽作用，且熔体10会因磁场的作用而流动。流经熔体10的电流 也会加热熔体10，但不会加热片材13。图5为图1所示的装置的实施例的侧剖面图，其中此装置采用磁流体动力泵。在 本实施例中，装置21包括一个单一的通道81。磁流体动力泵80允许流经装置21的熔 体10藉由磁力与电力产生层流(laminar flow)。磁流体动力泵80包括与图4类似的磁场 与电流，但这是发生在通道81中，而不是在装置21中。利用磁流体动力泵80可使熔体 10以重力的反方向流动。图6为图1所示的装置的实施例的前视剖面图，其中此装置采用螺旋泵(screw pump)。装置21在每个通道30中各包括一螺旋泵70。螺旋泵70可由碳化硅(silicon carbide)所制成，且可在通道30内连续地泵抽熔体10。图7为图1所示的装置的实施例 的上视平面图，其中此装置采用螺旋泵。螺旋泵可延伸至通道30的全部或部分长度。在另一实施例中，采用一泵以使熔体10流经装置21。在一实施例中，此泵为叶 轮泵(impellerpump)。在又一实施例中，转轮(wheel)可用以提升熔体10，并提供熔体 10适当的液压，以产生所需的流速。当然，所属领域的技术人员当知也可应用其他的泵 抽方法，且知道装置21并不仅仅以在此所描述的泵抽方法为限。再者，所属领域的技术 人员会认同装置21的其他设计与配置方法。图8为一实施例的在熔体上使一片材凝固的侧剖面图。熔体10是以如箭头33 所指出的方向流动。在本实施例中，熔体10会通过板件15、冷却板14及板件20下方。熔体10、板件15与板件20的温度可维持在Te或略高一点。在本实施例中，冷却板14 是分段的，且包括冷却段90、91、92、93与94。每一冷却段90、91、92、93与94的温 度可以不同或相近，或者用以让不等量的热从熔体10传递出来。当熔体10流经冷却板 14时，冷却板会将熔体10冷却，以形成片材13。至少根据时间与熔体10的流速，片材 13的结晶速率在每个冷却段90、91、92、93、94皆会受到控制。每个冷却段90、91、
92、93、94的尺寸可用以影响结晶的速率。对从熔体10传递至每一冷却段90、91、92、
93、94的热的控制能力可让片材13的结晶速率受到控制。图9为图1所示的装置的实施例的上视平面图，其中此装置具有一经塑形的冷却 板。冷却板14包括至少一弯曲的边缘100，这可让片材13在形成于熔体10中时的形状受 到控制。在本具体实施例中，当片材13通过边缘100下方时，片材的起始宽度会比最终 宽度窄。当片材13继续流经冷却板14下方，片材13的最终宽度会扩展，这可促进缺陷 与晶粒界(grain boundary)迁移至片材13中受控制的位置，且可提供较佳的晶界(crystal boundary)的生成。在一实施例中，由于呈弯曲形的导引边缘100的作用，片材13的晶 粒会移往片材13的边缘。熔体10的流速会随着制程控制的状态而改变。在一实施例中，熔体10的流速 可约为每秒1公分。在冷却板14下方的时间控制可藉由改变流速来改变，且这可增进片 材13的成长或改变片材13的厚度。维持温度Te也可允许片材13退火，进而提升片材13的品质。为了避免熔体10 中溶质的存在而导致本质上的不稳定性，可在熔体10中维持小的垂直温度梯度。举例而 言，这个垂直温度梯度可以是约每公分1K，这会在片材13形成时在其中产生一垂直温度 梯度。当片材13形成以后，片材13会流动至板件20下方，其可维持在与熔体10相同的 温度上。接着，片材13中不再有垂直的温度梯度，且张力逐渐在片材13中形成，此时 需要进行退火。板件20可使张力受到退火作用，这可降低片材13中的差排(dislocation) 可能性。片材13上的树枝状结晶(dendrite growth)的成长会受到控制。在一实施例中， 控制锗(germanium)与污染物在熔体10中的等级(level)可减少锗所引起的树枝状结晶、 污染物所引起的树枝状结晶或片材13的表面95的粗糙度。在另一实施例中，表面95上 的粗糙或树枝状结晶可藉由抛光、氧化或蚀刻来修复。图10为图1所示的装置的实施例的侧剖面图，其中装置具有一冷却轮。冷却轮 110具有至少一被辐射保护层112所围绕的冷却表面111，其可协助片材13的形成。冷 却轮110可独立于熔体10的发射率之外运作。在本具体实施例中，冷却轮110与冷却段 90、91、92、93、94 一起运作。冷却表面111的材质例如为石墨。在一实施例中，冷却 表面111例如为约40微米厚的石墨。冷却表面111可以在例如约1000K的温度下运转。 在达到平衡温度T。且开始产生片材13之前，每一冷却表面111会从熔体10带走某一量 值的热。在一实施例中，冷却表面111可以在约0.3秒内与熔体10在T。下达到平衡，且 吸收潜热以产生一约10微米厚的片材。由于每一冷却段90、91、92、93、94在独立于 来自熔体10的热流速率的情况下与片材13达到热平衡，所以热转移(heat transfer)会独 立于熔体10的发射率之外。当片材13以箭头33所指的方向流动至冷却段90、91、92、 93、94时，冷却轮110会接着转动以进行下一个量值的热转移。
在一实施例中，只有硅会加入熔体10中。然而，在一些实施例中，硅与锗皆会 被加入熔体10中，以维持所需的硅相对锗的比例，这可藉由采用进料器11加入固态硅 或固态锗来达成。在一实施例中，熔体10可维持在一惰性气体环境中以避免氧化。图 11为硅与锗系统的二元相图。固态硅(密度P约为2.4公克/立方公分)会在纯的液 态硅(密度P约为2.6公克/立方公分)的表面凝固，而此时的结晶温度为1414°C (或 1687K)。在一实施例中，锗可被加入至熔体10中的硅。将锗加到熔体10中的硅可使片 材13更快地成长，且可允许晶格参数的变化，这可补偿片材13的缺陷。若将锗加到熔 体10中的硅时，锗会先留在液态熔体10中。精确的浓度与熔体10的流速或精确的熔体 10成分相关。由于固态结晶片材13具有较低的锗浓度，且因而具有相对剩下的熔体10 较高的熔点，所以固态结晶片材13会稳定而不受温度波动影响。此外，若在熔体10中 采用硅-锗混合物，硅会覆盖容器16与板件15，这会减少熔体10被用来制造容器16与 板件15的材料所污染，这是因为硅的覆盖层会封住这些表面。容器16与板件15的温度 能够允许形成此种覆盖层。所生成的固态膜包含一些锗。若锗低于熔体10的约5%，这只会产生片材13 中些微的能带间隙(band gap)之缩小。能带间隙是在固体中的一个能量范围，在此范 围中，没有电子状态(electron state)存在。对太阳能电池而言，能带间隙决定哪一部分 的太阳光谱会被吸收。将不同的原子加入晶格中会影响片材13的整体能带间隙，这是 因为电子的不同能带会随着晶格的变化而转变。也可采用其他锗的等级，而此为所属领 域的技术人员所熟知。换言之，本实施例并不限定熔体10中的锗仅能是5%。在熔体 10中采用硅与锗的溶液可允许藉由液态熔体10从片材13制造出渐进型能带间隙(graded bandgap)太阳能电池。由硅与锗所制成的渐进型能带间隙太阳能电池已可由化学气相沉 积法(chemical vapor deposition，CVD)所制成，然而在熔体10中采用硅与锗的溶液可减 少制程步骤，且可降低制造成本。图12示出一实施例的渐进型能带间隙片材，而图13为锗系统的二元相图的一部 分。若在熔体10中可产生层流，锗的浓度剖面图会是稳定的，且可获得更纯的片材13。 由于锗的密度大于硅，此浓度剖面图也会使凝固前沿(freezing front)稳定，且增进片材 13的平面性(planarity)。层流也可允许熔体10中的锗的分级。在本实施例中，纯片材 13具有高比例的硅。由于热转移59会让更纯的片材13形成于熔体10上，因此熔体10 中的锗或其他污染物的浓度会上升。图12示出熔体10中的锗的大概的百分浓度。图13 示出熔体10中的液体62与片材13中的固体61。图14为一实施例的系统整合(system integration)的侧剖面图。装置21合并至 一连续流动整合制程机床(continuous-flow integrated process tool)。 片材13例如可被加 工成一集成电路(integrated circuit)、太阳能电池或平面面板。如此一来，当片材13在装 置21中被制造出来之后，便可对片材13加工。在本具体实施例中，至少部分藉由重力 的作用，片材13可以被运送而远离熔体10。当片材13被运送时，滚轮124用以至少部 分支撑片材13。滚轮124也可用来协助片材13的运送。在一实施例中，片材13的弯 曲的曲率可以设计得较小。此片材13的弯曲的曲率可用以降低片材13上的机械应力。 当片材13被运送而远离熔体10时，片材13会被冷却。在一实施例中，片材13会被降
11温至约300K。片材13可藉由特定的冷却元件来冷却、藉由时间的经过来冷却或在加工 元件123中冷却。加工元件123例如是抛光器(polisher)、电浆掺杂装置(plasma doping tool)、沉积装置(deposition tool)或其他加工装置。图15为采用空气轴承(air bearing)的片材运送的一实施例的剖面图。可采用一 空气轴承来代替滚轮124支撑片材13或用以辅助滚轮124。空气轴承122泵抽气体(例 如是氩气)而使其通过入口导管120。接着，空气轴承122泵抽气体而使其通过出口导管 121。空气轴承122所形成的密封性可让气体以低于大气压的压力流动。某些流动速度 也可产生白努利效应(Bernoulli effect)，亦即当气体的流速增加时，压力会减少。图16为一实施例的适用于太阳能电池制造的系统整合。所属领域的技术人员当 知也可采用其他的系统整合，且此制程并不仅仅以图16所示的为限。在本实施例中，以 硅为主要成分的片材13可被装置21所制造。当片材13离开装置21后，滚轮124可至 少部分支撑片材13。可采用电浆掺杂装置130来进行接面掺杂(junction doping)。在一 实施例中，在电浆掺杂装置130中进行接面掺杂时，片材13可处于接地电位。在另一实 施例中，片材13在电浆掺杂装置130中会被施加偏压。在另一可选择的实施例中，当片 材13仍然处于高温时，片材13可在加工装置中被浸入至少一掺杂气体中，以在片材13 中掺杂出接面，而取代采用电浆掺杂装置130来掺杂出接面的方式。接着，一网板印刷 器(screen printer) 131可在片材13上印出接垫(contact)。再来，使用一炉子132来进行 接垫的烧结、氢化及片材13的退火。之后，可使用一切割装置133来划分片材13，以形 成各别的太阳能电池134。空气轴承可用以分开各加工段。所属领域的技术人员当知各 加工段的长度可根据加工时间(process time)来设计，以实现连续流动制程。在另一实施 例中，片材13可以在进行任何加工步骤之前被划分。因此，片材13可以在离开装置21 后被划分。图17A至图17C示出晶粒界控制(grainboundary control)的一实施例。如图17A
所示，侧壁31、32将熔体10容纳于通道17中。熔体10以箭头33所指的方向流向冷却 板14。冷却板14的导引边缘140可导入一温度梯度。冷却板14也可以具有其他的温度 梯度，例如是随着熔体10的流动而沿着冷却板14的长度方向的温度梯度。在另一实施 例中，冷却板14在其整个面积中可具有一均勻的温度。在本具体实施例中，导引边缘140随着跨越片材13的宽度的高温区与低温区而 有变化的温度。如图17B所示，在导引边缘140的此变化温度可使各别的晶体往较温暖 的区域展开，如箭头142所示，这可在片材13中形成一晶粒界141的阵列，如图17C所 示。藉由控制跨越导引边缘140的温度梯度可使应变(strain)缓和。最大的应变会发生在 片材13的边缘，此处具有最高的温度梯度。如果温度梯度保持在低于约每公尺1000°C， 2.5公尺宽的片材13可被制造出来。利用一单一弯曲成长晶粒界(single curved growth boundary)可产生一单晶片材13。在另一实施例中，温度梯度会受到控制，而片材13的 成长、片材13的退火及片材13从熔体10分离皆发生在等温的环境下。在一实施例中，可刻意采用周期性温度波动，这可控制片材13中的晶粒界或增 进晶粒品质。周期性温度波动亦可形成一单晶片材13、提升太阳能电池的效率或使晶体 在一特定的角度成长。图18为欧姆加热的一实施例的前视剖面图。在本实施例中，熔体10被凝固的
12硅151所包围，这可减少片材13中从侧壁31、32或容器16进入熔体10中的污染物。虽 然凝固硅151的温度低于T。，但熔体10与片材13的温度可藉由欧姆加热而保持在一个较 高的温度。欧姆加热可藉由电极150来进行。电极150可由钨(tungsten)所制成。电 极150在沿着熔体10的流动方向上的长度近似于冷却板14的长度。加热区152可控制 片材13的最靠近侧壁31、32的边缘处的温度与晶体成长。用以运送熔体10的磁场或稳 定熔体10中的对流电流(convection current)、用以推进或加热的电流密度(J)、有关产生 粘性阻力(viscous drag)与对流(convection)的熔体10的深度，及用以加热或凝固熔体10 或片材13的环境温度等因素皆可受到控制。图19为片材制造的另一实施例的侧剖面图。系统160包括具有滚轮124的一第 一装置161及一第二装置162。虽然图中示出第一装置161与第二装置162，但在系统 160中也可采用多于二个装置。第一装置161及第二装置162可与图1所示的装置21 — 致。当在第一装置161中的片材13形成于熔体10上之后，片材13会被运送至第二装置 162。片材13接着会通过第二装置162中的熔体10。第二装置162可使片材13变厚， 或增加额外的材料至片材13。额外的加工步骤可在第二装置162后进行。第一装置161 中的熔体10可以不同于第二装置162中的熔体10。在一具体实施例中，加工步骤可在第 一装置161与第二装置162之间进行。在一实施例中，太阳能电池可能需采用具有递减能带间隙的多个不同半导体材 料的膜层，以使太阳能电池能够利用光的整个频谱。第二装置162可藉由让片材13接触 第二装置162中的熔体10，来增加额外的膜层至片材13。第一装置161与第二装置162 的熔体10可具有不同的性质、成分或Te。第二装置162加入至片材13的厚度可藉由第 二装置162中的冷却板14来控制。第二装置162中的熔体10可以是流动的，或在另一 实施例中，也可以是静止的。图20为另一实施例之用以从熔体中分离出片材的装置的侧剖面图。装置171包 括一磁流体动力电极(MHD electrode) 172。在熔体10两侧的磁流体动力电极172可由 钨所制成，且可驱使冷却板14下方的熔体10从通道17的第一位置18流动至第二位置 19。一第一磁体(magnet) 173及一第二磁体174可配置于熔体10附近，以产生一铅直的 磁场。第一磁体173与第二磁体174在装置171中的配置区域可几乎相同于磁流体动力 电极172在装置171中的配置区域。磁流体动力电极172能够迫使熔体10在一个斜面上 往上流，如图20所示。斜面的最大角度可由公式θ =JB/(Pg)计算出，其中，J为电 流密度(安培/米平方)，B为磁场(特斯拉)，P为密度(2,600公斤/米立方)，且g 为重力加速度(9.81公尺/秒平方)。在一实施例中，B近似于2.5千高斯，其近似于0.25特斯拉，且J近似于100安培 /(1米*1毫米)，其近似于IO5安培/米平方。举例而言，θ可以大到1弧度(radiiffl)。 图20的结构可使熔体10除了在溢流道12之外具有大约相等的高度，这可简化装置171 的设计，且可减少装置171内其他泵抽作用的使用。本揭示案的范畴不受本文所描述的具体实施例限制。事实上，本领域的技术人 员自前面的描述内容及附图将明白除本文所述的实施例及修改之外的本揭示案的其它各 种实施例及修改。因此，此等其它实施例及修改意欲属于本揭示案的范畴。此外，尽管 本文已出于特定目的在特定环境中的特定实施方案的上下文中描述本揭示案，但本领域的技术人员将认识到，本揭示案的有用性不限于此，且可出于任何数目的目的，在任何 数目的环境中有益地实施本揭示案。因此，应鉴于如本文所述的本揭示案的完整范围及 精神来解释所述的权利要求的范围。
权利要求
1.一种片材制造装置，包括一容器，定义出一通道以容纳一材料的一熔体，该熔体会从该通道的一第一位置流至一第二位置；一冷却板，邻近该熔体，该冷却板用以在该熔体上形成该材料的一片材；以及 一溢流道，配置于该通道的该第二位置，该溢流道用以将该片材从该熔体分离。
2.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该材料包括硅。
3.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该材料包括硅与锗，且该片材具有一渐 进型能带间隙。
4.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该冷却板的温度至少比该熔体低 300K。
5.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该冷却板包括多个冷却段。
6.根据权利要求5所述的片材制造装置，其中每一该冷却段具有不同的温度。
7.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该冷却板采用辐射冷却。
8.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该片材具有一第一宽度，该冷却板具有 一第二宽度，且该第一宽度与该第二宽度相同。
9.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该冷却板具有一弯曲边缘。
10.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该片材为多晶硅或单晶硅。
11.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该熔体从该通道的该第一位置流至该 第二位置是藉由一选自磁流体动力驱动器、螺旋泵、叶轮泵、转轮及压力所组成的群体 的装置来达成。
12.根据权利要求1所述的片材制造装置，其中该容器、该冷却板及该溢流道是配置 于一包覆件中，该包覆件用以控制其内的温度及环境压力至少其中之一。
13.—种片材制造方法，包括 使一材料的一熔体流经一通道； 冷却该熔体；在该熔体上形成该材料的一片材； 使该片材与该熔体流动；以及 将该片材从该熔体分离。
14.根据权利要求13所述的片材制造方法，其中该片材与该熔体是由硅或硅与锗所组成。
15.根据权利要求13所述的片材制造方法，其中该分离是采用一溢流道来达成。
16.根据权利要求13所述的片材制造方法，其中该冷却为辐射冷却。
17.根据权利要求13所述的片材制造方法，还包括以该片材利用一连续流动装置制造 一太阳能电池。
18.根据权利要求13所述的片材制造方法，还包括运送该片材穿过一第二熔体，且在 该第二熔体中使该片材的厚度增加。
19.一种利用如权利要求13所述的方法所形成的产物。
20.—种片材制造装置，包括一第一通道，用以容纳一材料的一熔体，该熔体会从该第一通道的一第一位置流动至一第二位置；一冷却板，邻近该第一通道，该冷却板用以在该熔体上形成该材料的一片材； 一溢流道，配置于该第一通道的该第二位置，该溢流道配置于该熔体内，并用以将 该片材从该熔体分离，其中该熔体会流动而远离该片材；以及一第二通道，该熔体会在该第二通道中被运送至该第一通道的该第一位置。
全文摘要
一种片材制造装置，包括一容器，其定义出一通道以容纳一熔体。熔体会从通道的一第一位置流至一第二位置。一冷却板邻近熔体，用以在熔体上形成一片材。一溢流道配置于通道的第二位置。溢流道用以将片材从熔体分离。
文档编号H01L31/042GK102017178SQ200980114977
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月14日
发明者彼德·L·凯勒曼, 法兰克·辛克莱 申请人:瓦里安半导体设备公司