板厚控制的制作方法

专利名称：板厚控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及由熔化物形成板，尤其涉及减少由熔化物形成的板的厚度。
背景技术：
硅晶圆或板可用于例如集成电路或太阳能电池工业中。随着对可再新生的能源的 需求增加，对太阳能电池的需求亦持续增加。存在两种类型的太阳能电池硅太阳能电池及 薄膜太阳能电池。大部分太阳能电池是由硅晶圆制成，诸如单晶硅晶圆。目前，晶体硅太阳 能电池的主要成本在于制造太阳能电池的晶圆。太阳能电池的效率或在标准照明下产生的 功率的量部分地受到此晶圆的品质的限制。随着对太阳能电池的需求增加，太阳能电池工 业的一目标是降低成本/功率比。在不降低品质的情况下晶圆的制造成本的任何减少均将 使成本/功率比降低，且使此清洁的能源技术能更广泛使用。效率最高的硅太阳能电池可具有大于20%的效率。这些太阳能电池是使用电子 级(electronics-grade)单晶硅晶圆制成的。这些晶圆可自使用Czochralski方法生长的 单晶硅圆柱形梨晶(cylindrical boule)通过锯切薄片而制成。这些薄片的厚度可小于 200 μ m0为维持单晶体生长，梨晶必须自含有熔化物的坩埚(crucible)缓慢地生长，生长 速度例如小于10 μ m/s。后续锯切过程导致每晶圆大约200 μ m的锯口损失(kerf loss)或 由于锯刃的宽度而带来的损失。圆柱形梨晶或晶圆亦可能需制成为正方形以制作正方形太 阳能电池。制成为正方形及锯口损失均会导致材料浪费及材料成本增加。随着太阳能电池 变得较薄，每次切割时浪费的硅的百分比亦增加。对铸锭分割(ingot slicing)技术的限 制可能会妨碍获得较薄太阳能电池的能力。其它太阳能电池是使用自多晶硅铸锭锯切而得的晶圆制成的。多晶硅铸锭的生长 速度可以比单晶硅快。然而，所得晶圆的品质较低，因为存在较多缺陷及晶粒间界(grain boundary)，且此较低品质会导致较低效率的太阳能电池。用于多晶硅铸锭的锯切过程与单 晶硅铸锭或梨晶一样是低效率的。可减少硅浪费的另一解决方案是在离子植入之后自硅铸锭来分裂晶圆。举例而 言，将氢、氦或其它稀有气体离子植入于硅铸锭的表面的下方以形成一植入区。在此之后进 行物理热处理或化学热处理，用以沿此植入区自铸锭来分裂晶圆。虽然经由离子植入来进 行分裂可在无锯口损失的情况下制作晶圆，但此方法是否可用于经济地制作硅晶圆仍有待 证实。又一解决方案是自熔化物垂直拉出一薄硅带(riWxm)，且随后使得所拉出的硅冷 却且固化为板(sheet)。此方法的拉动速率可限制于小于大约18mm/分。必须沿垂直带移 除在硅的冷却及固化期间的移除的潜热(latent heat)。此做法导致沿带的大的温度梯度 (gradient) 0此温度梯度给晶体硅带添加应力，且可能导致不良品质的多晶粒硅。带的宽 度及厚度亦可能由于此温度梯度而受限制。举例而言，宽度可限于小于80mm且厚度可限于 180 μ m0自熔化物实体拉出的水平硅带亦已经过测试。在一种方法中，将附接至一杆的晶种(seed)插入至熔化物中，且在坩埚的边缘上方以一低角度拉动该杆及所得的板。对所述 角度与表面张力进行平衡以防止熔化物溅出坩埚。然而，难以起始及控制此拉动过程。必 须为坩埚及熔化物提供进入口(access)以插入晶种，所述进入口可能会导致热损失。可将 额外的热添加至坩埚以补偿此热量损失。此额外的热可能会导致熔化物中的垂直温度梯 度，所述垂直温度梯度可能会引起非层迭(non-laminar)的流体流。而且，必须执行可能较 难的倾斜角度调节以对在坩埚边缘处形成的弯月面(meniscus)的重力及表面张力进行平 衡。此外，由于热正在板及熔化物的分离点处被移除，因此在正作为潜热移除的热与正作为 显热(sensible heat)移除的热之间存在突然改变。此情况可能导致在此分离点处沿带的 大的温度梯度，且可能导致晶体中的位错(dislocation)。位错及翘曲(warping)可能由于 沿板的这些温度梯度而发生。尚未执行例如通过使用溢道(spillway)而自熔化物水平分离薄板的制作。通过 分离而自熔化物水平地制作的板可能比自铸锭分割的硅便宜，且可消除锯口损失或由于制 成为正方形而带来的损失。通过分离而自熔化物水平地制作的板亦可能比使用氢离子或其 它拉出硅带方法而自铸锭分裂的硅便宜。此外，自熔化物水平分离的板与拉出的带相比可 改良板的晶体品质。诸如此类的可减少材料成本的晶体生长方法将为减少硅太阳能电池的 成本的主要达成步骤。然而，板可能具有不正确的厚度，或可能具有包含在其晶格内的杂质 或溶质。因此，此项技术中需要一种改良的由熔化物形成板的方法，且更特定而言，需要一 种减少由熔化物形成的板的厚度的方法。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种形成板的方法。所述方法包括对材料的熔化物 进行冷却，以及在所述熔化物中形成所述材料的板。所述板具有第一厚度。使所述板自所
述第一厚度变薄至第二厚度。所述第二厚度小于所述第一厚度。根据本发明的第二方面，提供一种用于形成板的设备。所述设备包括容器，其界定 一种经配置以固持材料的熔化物的通道。冷却板安置于靠近所述熔化物处。所述冷却板经 配置以在所述熔化物上形成所述材料的板。所述设备亦具有辐射加热器。根据本发明之第三方面，提供一种形成板的方法。所述方法包括第一阶段中对材 料的熔化物进行冷却。所述第一阶段中的冷却具有第一参数。在所述熔化物中形成所述材 料的板的第一层。所述板的第一层具有第一厚度及第一溶质浓度。在第二阶段中对所述熔 化物进行冷却。所述第二阶段中的冷却具有不同于所述第一参数的第二参数。使所述板自 第一厚度增加至第二厚度，且形成所述板的第二层。所述第一厚度与所述第二厚度之间的 第二层具有高于第一溶质浓度的第二溶质浓度。使所述板自所述第二厚度变薄至所述第一 厚度。


图1是自熔化物分离一种板的设备的实施例的横截面侧视图。图2是自熔化物拉出一种板的设备的实施例的横截面侧视图。图3是使用图1的设备时在熔化物内的变薄的横截面侧视图。图4是使用图2的设备时在熔化物内的变薄的横截面侧视图。
图5是使用图1的设备以加热器进行的变薄的横截面侧视图。图6是使用图2的设备以加热器进行的变薄的横截面侧视图。图7表示在接近板-熔化物界面处该熔化物及固体中的随着时间而变的浓度分布。图8是使用图1的设备的变薄及净化的横截面侧视图。图9是使用图2的设备的变薄及净化的横截面侧视图。图10是在板生长期间俘获杂质时的横截面侧视图。图11是对板进行加热时的横截面图。
具体实施例方式结合太阳能电池来描述本文的设备及方法的实施例。然而，这些实施例亦可用于 制作例如集成电路、平坦面板或本领域技术人员已知的其它基板。此外，虽然本文将熔化物 描述为硅，但熔化物可含有锗、硅锗、镓、氮化镓、其它半导体材料或本领域技术人员已知的 其它材料。因此，本发明不限于下文描述的特定实施例。图1是自熔化物分离一种板的设备的实施例的横截面侧视图。板形成设备21具 有容器16以及面板15及20。容器16以及面板15及20可为例如钨、氮化硼、氮化铝、钼、 石墨、碳化硅或石英。容器16经配置以容纳熔化物10。熔化物10可为硅。熔化物10在一 实施例中可经由进料口(feed)ll来补充。进料口 11可容纳固体硅。在另一实施例中，可 将熔化物10泵送(pumped)至容器16中。板13将形成于熔化物10上。在一实例中，板13 将至少部分地在熔化物10内浮动。虽然在图1中将板13说明为在熔化物10中浮动，但板 13可至少部分地浸没在熔化物10中，或可在熔化物10的顶部上浮动。在一实例中，板13 的仅10%自熔化物10的顶部上方突出。熔化物10可在设备21内循环。此容器16界定至少一通道17。此通道17经配置以固持熔化物10，且熔化物10 自通道17的第一点18流动至第二点19。在一实例中，通道17内的环境为静止的，以防止 熔化物10中出现波纹(ripples)。熔化物10可由于例如压力差、重力、磁流体动力学驱动 设备、螺旋泵(screw pump)、叶轮泵(impeller pump)、轮或其它输送方法而流动。熔化物 10随后流过溢道12。此溢道12可为斜坡、堰(weir)、小坝(small dam)或隅角，且不限于 图1中说明的实施例。溢道12可为任何允许自熔化物10来分离一种板13时的形状。面板15在此特定实施例中经配置以部分地在熔化物10的表面下方延伸。此做法 可防止当该板13形成于熔化物10上时波或波纹干扰该板13。这些波或波纹可能由于来自 进料口 11的熔化物材料的添加、泵送或本领域技术人员已知的其它原因而形成。在一特定实施例中，可将容器16以及面板15及20维持在稍微高于大约1687K的 温度。对于硅，1687K表示冻结温度或界面(interface)温度。通过将容器16以及面板15 及20的温度维持在稍微高于熔化物10的冻结温度，冷却板14可使用辐射冷却而起作用以 获得熔化物10上或熔化物10中的板13的期望冻结速率。在此特定实施例中，冷却板14由 单一区段或部分区段组成，但在另一实施例中可包含多个区段或部分区段。可将通道17的 底部加热至高于熔化物10的熔化温度，以在熔化物10中在界面处产生小的垂直温度梯度 以防止板13上的组分过冷(constitutional supercooling)或者形成枝蔓体(dendrite) 或分支突出物。然而，容器16以及面板15及20可处于熔化物10的熔化温度以上的任何
6温度。此情况可防止熔化物10在容器16以及面板15及20上固化。可通过将设备21至少一部分或完全封闭于一封闭体内而将设备21维持于稍微高 于熔化物10的冻结温度的温度。若封闭体将设备21维持于高于熔化物10的冻结温度的 温度，则可避免或减少对设备21进行加热的需要，且封闭体中或周围的加热器可补偿任何 热损失。此封闭体可为等温的且具有非各向同性的传导性。在另一特定实施例中，加热器 未安置于封闭体上或封闭体中，而是安置于设备21中。在一实例中，可通过在容器16内嵌 入加热器且使用多区域温度控制来将容器16的不同区加热至不同温度。封闭体可控制设备21的安置环境。在一特定实施例中，封闭体中含有惰性气体。 可将此惰性气体维持于高于熔化物10的冻结温度。惰性气体可减少向熔化物10内的溶质 添加，所述添加可能会致使在板13形成过程期间的组成不稳定性。设备21包含冷却板14。冷却板14允许在板13形成于熔化物10上时的排热(heat extraction)。当冷却板14的温度降低至熔化物10的冻结温度以下时，冷却板14可致使板 13在熔化物10上或熔化物10中冻结。此冷却板14可使用辐射冷却，且可由例如石墨、石 英或碳化硅制造。冷却板14可自液体熔化物10快速地、均一地且以受控的量移除热。在 板13形成时可减少对熔化物10的干扰以防止板13中的缺陷。在熔化物10的表面上方来自熔化物10的熔解热(heat of fusion)及热的排热 在与其它带拉动方法相比可达成较快地制作该板13，同时维持具有低缺陷密度的板13。对 熔化物10的表面上的板13或在熔化物10上浮动的板13进行冷却允许在大面积上缓慢地 移除熔解潜热，同时该板13的排热速率较大。冷却板14的尺寸可在长度及宽度上均增加。增加长度对于相同的垂直生长速率 及所得的板13厚度而言可允许较快的板13排热速率。增加冷却板14的宽度可导致较宽 的板13。不同于垂直式板拉动方法，对使用图1中描述的设备及方法的实施例制作的板13 的宽度不存在固有的实体限制。在一特定实例中，熔化物10及板13以大约lcm/s的速率流动。冷却板14的长度 大约为20cm且宽度大约为25cm。板13的厚度可在大约20秒生长至大约100 μ m。因此， 所述板的厚度可以大约5 μ m/s的速率生长。可以大约10m2/小时的速率制作厚度大约为 100 μ m 的板 13。在一实施例中可使熔化物10中的热梯度最小化。此做法可允许熔化物10的流动 稳定且形成层迭。此做法亦可允许使用冷却板14经由辐射冷却而形成板13。在一特定实 例中，冷却板14与熔化物10之间的大约300K的温度差可以大约7 μ m/s的速率在熔化物 10上或熔化物10中形成板13。通道17的在冷却板14下游及在面板20下方的区可为等温的。这些温区可允许 板13的退火。在板13形成于熔化物10上之后，使用溢道12将板13与熔化物10分离。熔化物 10自通道17的第一点18流动至第二点19。板13将随熔化物10 —起流动。板13的输送 可为连续运动。在一实例中，板13可以与熔化物10的流动速度大约相同的速度流动。因 此，板13可相对于熔化物10静止地形成及输送。可更改溢道12的形状或溢道12的定向 以改变熔化物10或板13的速率分布。在溢道12处，熔化物10与板13分离。在一实施例中，熔化物10的流动可在溢道12上输送熔化物10，且至少部分地可在溢道12上输送该板13。此做法可使单晶板13的破 裂程度最小或防止使单晶板13破裂，因为无外部应力施加于板13。在此特定实施例中，熔 化物10将在溢道12上流动而远离该板13。在溢道12处可不施加冷却，以防止对板13的 热冲击(thermal shock)。在一实施例中，在溢道12处的分离是在近等温条件下发生。板13在设备21中的形成速度可比被垂直于熔化物而拉动的方式更快，因为熔化 物10的流动速度可允许板13在熔化物10上适当地冷却及结晶。板13的流动速度将大约 与熔化物10的流动速度相同。此做法可减少板13上的应力。垂直于熔化物而拉动带的速 度有限，原因在于因拉动引起的施加于带上的应力。在一实施例中，设备21中的板13可能 不存在任何此类拉动应力。此情况可使板13的品质及板13的制作速度提高。在一实施例中，板13可能会趋于笔直地越过溢道12。在一些实例中可在此板13 在溢道12上经过之后支撑此板13以防止破裂。支撑装置22经配置以支撑该板13。支撑 装置22可提供气压差以使用例如气体或空气鼓风机来支撑该板13。在板13自熔化物10 分离之后，可缓慢改变板13所在环境的温度。在一实例中，温度随着板13远离溢道12而 移动时降低。在一实例中，板13的生长、板13的退火以及板13使用溢道12自熔化物10的分 离可在等温环境中进行。使用溢道12的分离以及板13与熔化物10的大约相等的流动速 率使板13上的应力或机械应变程度最小。此做法可增加制作单晶板13的可能性。在另一实施例中，在板形成设备21中将磁场施加于熔化物10及板13。此做法可 使熔化物10内的振荡流衰减，且可改良该板13的结晶。图2是自熔化物拉出一种板的设备的一实施例的横截面侧视图。在此实施例中， 板形成设备23自熔化物10拉出该板13。熔化物10在此实施例中可不在通道17中循环， 且可使用晶种来拉出该板13。可经由通过冷却板14的冷却而形成该板13，且可将所得的 板自熔化物10拉出。图1至图2的实施例均使用冷却板14。冷却板14的长度上的不同冷却温度、熔化 物10的不同流动速率或板13的不同拉动速度、板形成设备21或板形成设备23的各个部 分的长度、或板形成设备21或板形成设备23内的定时(timing)可用于过程控制。若熔化 物10为硅，则可在板形成设备21中形成多晶板13或单晶板13。在图1或图2的实施例的 任一个中，板形成设备21或板形成设备23可包含在封闭体中。图1及图2仅为可自熔化物10形成板13的板形成设备的两个实例。垂直板或水 平板13生长的其它设备或方法是可能的。本文描述的方法及设备的实施例可应用于任何 垂直板或水平板13的生长方法或设备，且不仅限于图1至图2的特定实施例。使用图1至 图2的实施例形成的板13可能太厚，或具有不正确的尺寸。板13亦可能不具有光滑表面。 因此，可使板13变薄至例如正确厚度或使其表面光滑。图3是使用图1的设备时在熔化物内的变薄的横截面侧视图。熔化物10在溢道 12上流动。当熔化物10使用冷却板14而冻结时，板13在熔化物10中形成。在冷却板14 的下游但在溢道12的上游在区30中使板13变薄。此变薄将在溢道12之前使板13的尺 寸自第一厚度改变为第二厚度。在板13朝溢道12流动时，来自熔化物10的热将使板13 的至少一部分被熔化而变回熔化物10。在一特定实例中，熔化物10或板13的流动速度为大约lcm/s。在此特定实施例中可使用层迭流。容器16的温度可比板13的冻结温度高大约I。冷却板14的温度与熔化 物10的温度之间的差可为大约300K。区30中的熔化物10的深度为大约1cm。在区30中 板13变薄而变回熔化物10的速率大约为1 μ m/s。因此，板13的沿在第一点18与第二点 19之间的熔化物10或板13流动的方向的变薄速率为大约1 μ m/cm。区30在熔化物10或 板13流动的方向上可具有大约0. 5m的长度，以使板13自大约150 μ m的厚度变薄至大约 100 μ m的厚度。可通过增加容器16的温度而减少区30的长度，但此可能要求冷却板14在 较低温度下操作。在另一实施例中，使板13自大约200 μ m的厚度变薄至大约100 μ m的厚 度。为了具有均一的变薄过程，温度梯度应足够低以避免对板13的浮力驱动的不均 一或不稳定的对流。不稳定的对流是不均一的热通量，且因此总体能量输送难以由均一方 式来控制。此可能导致板13的不均一的厚度。若板13及熔化物10中的温度差小于大约 5K，且区30中熔化物10的深度相对浅，则浮力驱动的对流可能不会引起问题。区30中熔 化物10的深度可例如小于大约1. 22cm或可为大约0. 97cm。然而，在一些实施例中，熔化物 10中的对流可为可接受的。其它条件或参数是可能的，且此仅为变薄过程的一实例。此实 施例不仅仅限于上述实例中列出的条件。图4是使用图2的设备时在熔化物内的变薄的横截面侧视图。使区30中的板13 变薄亦可应用于板形成设备23以及图3的板形成设备21。此处在使用冷却板14形成板 13之后且在自熔化物10拉出该板13之前使板13自第一厚度变薄至第二厚度。图5是使用图1的设备以加热器进行的变薄的横截面侧视图。板形成设备21包 含加热器50及液体轴承(fluid bearing) 51。在此特定实施例中，加热器50及液体轴承 51均相对于熔化物10上的板13的形成而倾斜。板13自第一点18流动至第二点19且在 溢道12上流动。在板13经过溢道12之后，使用加热器50使板13变薄。使板13自第一 厚度变薄至第二厚度。例如，可使板13自大约200 μ m变薄至大约100 μ m。将使用冷却板14来形成该板13与使用加热器50使板13变薄而分离可允许以小 的温度梯度使板13冻结。板13的使用加热器50自板13熔化的任何部分可沿板13流回 且进入熔化物10中，或可滴入一收集装置中。此情况至少一部分是由于板13的角度引起。 在一特定实施例中，板13的自板13熔化的部分可富含溶质。在此特定实施例中，加热器50为辐射加热器。亦可使用其它加热器或具有对流组 件的辐射加热器。加热器50可允许板13的均一变薄，且可能仅供应熔化的潜热而不更改 板形成设备21的其它部分的温度。在此特定实施例中，液体轴承51使板13以一角度而倾斜。所述角度可较浅以防 止对板13的应力。虽然说明了液体轴承51，但可使用空气轴承、辊或另一板13移动机构。 在另一实施例中，板13保持水平，且液体轴承51不使板13以一角度倾斜。在此实例中，板 13的任何熔化部分均滴落。虽然将此实施例说明为在冷却板14与溢道12之间具有一距离，但可使此距离最 小化。举例而言，可将冷却板14放置成紧密靠近溢道12。替代于允许熔化物10在板13形 成之后使板13变薄，但主要可由加热器50使板13变薄。但在另一实施例中，加热器50结 合熔化物10 —起作用以使板13变薄。图6是使用图2的设备以加热器进行的变薄的横截面侧视图。以加热器50使板13变薄亦可应用于板形成设备23以及图5的板形成设备21。此处，在使用冷却板14形成 板13之后且在自熔化物10拉出板13之后，使板13自第一厚度变薄至第二厚度。在另一实施例中，使板13变薄，且熔化物10经净化或具有减小的溶质含量。此情 况与溶质的偏析系数(segregation coefficient)有关，所述系数提供生长的晶体板13与 熔化物10中的杂质原子(溶质)的浓度之间的关系。许多溶质的偏析系数小于1，其导致 固体板13的溶质浓度低于液体熔化物10的溶质浓度。因此，在板13形成时，熔化物10中 的溶质浓度增加，因为溶质优先停留于熔化物10中。此情况可致使在板13的结晶过程期 间的组成不稳定性，且可能导致不良品质的板13或在其表面上具有枝蔓体或分支突出物 的板13。在此特定实施例中，在板13形成及变薄过程期间完成对熔化物10的净化。此净 化可允许使用纯度较低的熔化物10进料(feedstock)或总体较少的熔化物10进料，因为 熔化物10在板13形成时被净化。图7表示在接近板-熔化物界面处熔化物及固体中的随 着时间的浓度分布。溶质偏析是部分地取决于板13的冻结过程，所述过程足够缓慢地执行 以便使溶质在熔化物10中扩散。然而，若快速执行该板13的结晶，则偏析的溶质并无时间 扩散至熔化物10中。因此，溶质可被俘获于固体板13中。如图7中所见，板13可以至少两个阶段来形成。在此特定实施例中，将阶段标记 为阶段70及阶段71。阶段70可称为“慢”，且阶段71可称为“快”。在阶段70中板13的 生长的发生比阶段71慢，或以例如正常速度发生以制作经净化或高品质的晶体板13。阶 段70在一实例中可以大约5 μ m/s与大约10 μ m/s之间的速率来生长该板13。在阶段71 中板13的生长的发生比阶段70快，以便俘获在阶段70中被排斥的溶质。阶段71可经配 置以防止对板13的应力。此做法可能要求阶段70、71具有不同长度或以不同温度来操作。 举例而言，阶段70中的温度可在板13的结晶温度以下大约100K处操作，且阶段71可在板 13的结晶温度以下大约500K处操作。在图7中，结晶在、及t2处缓慢发生，其允许液体熔化物10中的偏析溶质扩散 开。在t3处，结晶足够迅速地发生以使得高浓度边缘俘获于所形成的晶体板13中，因此使 晶体板13中的溶质浓度升高。在t4及t5处，在熔化物10中溶质含量减小，因为其俘获于 晶体板13中。此情况可由以下公式表示k = CSL/CLSkeff = C0/CLS其中k表示均衡偏析系数，其等于CsJ余以Qs。krff为由于界面的移动而引起的不 均衡偏析系数，且Ctl为远离冻结边缘的浓度。krff考虑到接近该板13的冻结边缘处的较高 浓度。随着界面速率接近零，krff接近k。在固体-液体界面处，Ca为固体中的溶质的浓度， 且Qs为液体中的溶质的浓度。板13或熔化物10的流动由y表示。在此实例中，在阶段70期间形成该板13的前50 μ m。此做法使得有效偏析系数可 小于1，此意味着液体熔化物10中的溶质(诸如，铁)的扩散比冻结速率快。在阶段71期 间形成板13的下一 150 μ m。高浓度溶质层俘获于板13中。为避免熔化物10中的溶质浓 度的增加，在一实施例中，在板经过溢道12之后此所俘获的层自板13熔化脱落。在另一实 例中，阶段70形成具有100 μ m的第一厚度的板13，且阶段71对板13添加另一 100 μ m厚 度而形成200 μ m的第二厚度。其它厚度亦为可能的。
使用上述阶段70、71且随后进行变薄，可移除在阶段71期间形成于板13上的富 含溶质的层。图8是使用图1的设备的变薄及净化的横截面侧视图。冷却板14具有至少 两个区段第一区段80及第二区段81。第一区段80及第二区段81对应于阶段70、71。如 图8所见，第一区段80及第二区段81相对于板13及熔化物10的流动而具有不同长度。在 另一实例中，第一区段80及第二区段81在不同温度下操作。板13自第一点18流动至第 二点19且在溢道12上流动。在板13经过溢道12之后，使用加热器50使板13变薄。使板13自第一厚度变薄 至第二厚度。加热器50可为例如辐射加热器。亦可使用其它加热器或具有对流组件的辐 射加热器。加热器50可允许板13的均一变薄，且可仅供应熔化物的潜热而不更改板形成 设备21的其它部分的温度。在此特定实施例中液体轴承51使板13以一角度倾斜。所述角度可较浅以防止对 板13所施加的应力。板13通过液体轴承51而形成角度，使得角度82在熔化物10外部。 虽然说明了液体轴承51，但可使用空气轴承、辊或另一板13移动机构。在另一实施例中， 板13保持水平，且液体轴承51不使板13以一角度倾斜。在此实例中板13的任何熔化部 分均滴落。板13之通过加热器50而变薄且自板13熔化的任何部分将沿板13流回至角度 82。在该处，此熔化的板13或废熔化物将滴入例如突出部分(bilge)83中，其收集及分离 熔化的板13，且防止熔化的板13返回熔化物10。此突出部分83可连接至熔化物10的循 环或净化系统。在一实施例中，将突出部分83的内含物净化，且将此经净化的熔化物10再 循环回至熔化物10。此做法防止富含溶质的突出部分83内含物污染该熔化物10。此板13 的变薄与净化组合将移除溶质，维持高纯度熔化物10，且维持熔化物10进料的高效率，同 时降低熔化物10的浪费。在一实例中，图8的设备将取得通过冷却板14而形成的厚度大于200 μ m的板13， 且使其变薄至100 μ m或更小的厚度。可将板13的经移除或变薄的部分返回至熔化物10， 以避免材料损失或等效于“锯口损失”的损失。除自板13移除杂质或溶质以外，图8的变 薄方法亦可使板13的表面上的任何隆凸(protuberance)变平滑。图9是使用图2的设备的变薄及净化的横截面侧视图。使用具有第一区段80及 第二区段81的冷却板以及用加热器50使板13变薄亦可应用于板形成设备23以及图8的 板形成设备21。此处在使用冷却板14来形成该板13之后且在自熔化物10拉出该板13之 后使该板13自第一厚度变薄至第二厚度。图10是在板生长期间俘获杂质的横截面侧视图。此图是较佳说明图7至图9中 涉及的过程的近视图。冷却板14具有对应于阶段70及71的第一区段80及第二区段81。 所形成的板13将具有第一层90及第二层91。在一实例中，第一层90对应于第一厚度，且 与第一层90组合的第二层91对应于第二厚度。第一层90主要使用第一区段80来形成， 且具有相对低的溶质浓度。第二层91主要使用第二区段81来形成，且与第一层90相比具 有较高的溶质浓度。在通过第一区段80之形成期间自板13排斥的许多溶质可在通过第二 区段81的板13形成期间被俘获，因为边界层可较薄。因此，第二层91可俘获溶质及杂质。 在一实例中，第一层90中的溶质浓度可为大约10,原子/cc，且第二层91中的溶质浓度可 为大约10_8原子/cc。使用图8至图9的加热器50来移除第二层91或使第二层91变薄。第一区段80及第二区段81具有不同的操作参数，诸如长度或温度。水平板13生长方法可出于额外原因而得益于图3至图10说明的变薄方法。某些 资料暗示对可将板13水平制作得多薄可能存在限制。若板13被拉出或生长得过薄，则板13 可能“切断”或破裂。此情况可能是由于熔化物10或板13中的不稳定性。另一暗示为此可 能是由熔化物10的高表面张力及低粘度引起。因此，可能使熔化物10易于发生Marangoni 效应。Marangoni效应是由于表面张力而引起的沿界面的质量转移(mass transfer) 0具 有高表面张力的液体对周围液体的拉动强度将高于具有低表面张力的液体的拉动强度。表 面张力的梯度的存在将致使液体流动远离具有低表面张力的区。液体上或液体中的质量转 移可能由于这些表面张力差异而发生。较厚的板13可更稳定或较不容易出现破裂或被“切 断”。通过生长具有大约200 μ m或更大的厚度的板13且随后使板13变薄至大约100 μ m 或更小的厚度，可避免Marangoni效应或其它生长问题。若将板13的变薄部分返回至熔化 物10，则无材料损失。图3至图10中说明的用于变薄的方法及设备可组合在一起或单独使用。另外，除 本文揭示的实施例中列出的厚度外，板13的其它厚度亦是可能的。可通过更改参数来控制图3至图10中说明的变薄。这些参数可为例如冷却板14 的温度、熔化物10的温度、加热器50的操作温度、容器16的温度，或者板13或熔化物10 的流动或拉动速度。所述参数可由控制器回应于来自量测装置的信号而更改。图11是对板进行加热的横截面图。在本文揭示的实施例中，对板13的平滑可使用 例如加热器50或来自熔化物10的使板13熔化的热而发生。局部吸收的热与板13的局部 表面积成比例，由此优先使形成于板13的表面上的隆凸、枝蔓体或其它不规则物92熔化。 因此，可来自熔化物10或辐射的热通量93在板13停止之前使隆凸、枝蔓体或其它不规则 物92熔化。因此，通过使板13变薄，将形成具有较小隆凸、枝蔓体或其它不规则物92或不 具有隆凸、枝蔓体或其它不规则物92的较光滑板13。板13的表面的均一性可与隆凸、枝蔓 体或其它不规则物92的大小相关。本发明在范围上不受本文描述的特定实施例的限制。实际上，本领域技术人员自 上述描述及附图将明了除本文描述以外的本发明的其它各种实施例以及对本发明的修改。 因此，这些其它实施例及修改当属于本发明的范围内。此外，尽管本文已针对特定目的在特 定环境中在特定实施方案的背景下描述本发明，但本领域技术人员将认识到其有用性不限 于此，且可出于任何种目的在任何种环境中有益地实施本发明。因此，应鉴于如本文描述的 本发明的完全广度及精神而解释本文陈述的申请专利范围。
权利要求
1.一种形成板的方法，包括 将材料的熔化物冷却；在所述熔化物中形成所述材料的板，所述板具有第一厚度；以及 使所述板自所述第一厚度变薄至第二厚度，所述第二厚度小于所述第一厚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述熔化物是选自由硅、硅锗、镓以及氮化镓组成 的群。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述变薄在所述形成之后发生于所述熔化物中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述变薄以至少1μ m/s的速率而发生。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述变薄在所述形成之后使用辐射加热器而发生。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括使用溢道而自所述熔化物来分离所述板，所述 分离在所述变薄之前发生。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一厚度为200μπι且所述第二厚度为 100 μ m0
8.根据权利要求1所述的方法，还包括通过所述变薄而使所述板的表面平滑。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括通过更改所述变薄的参数来控制所述第二厚度。
10.一种用于形成板的设备，包括容器，其界定经配置以固持材料的熔化物的通道；冷却板，其安置于靠近所述熔化物处，所述冷却板经配置以在所述熔化物上形成所述 材料的板；以及 辐射加热器。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述熔化物是选自由硅、硅锗、镓以及氮化镓组 成的群。
12.根据权利要求10所述的设备，还包括安置于所述通道中的溢道，所述溢道安置在 所述熔化物内且经配置以自所述熔化物分离所述板，其中所述熔化物流动而远离所述板。
13.一种形成板的方法，包括在第一阶段中对材料的熔化物进行冷却，所述第一阶段中的所述冷却具有第一参数； 在所述熔化物中形成所述材料的板的第一层，所述板的所述第一层具有第一厚度及第 一溶质浓度；在第二阶段中对所述熔化物进行冷却，所述第二阶段中的所述冷却具有不同于所述第一参数的第二参数；使所述板自第一厚度增加至第二厚度，且形成所述板的第二层，在所述第一厚度与所 述第二厚度之间的所述第二层具有高于所述第一溶质浓度的第二溶质浓度；以及 使所述板自所述第二厚度变薄至所述第一厚度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述熔化物是选自由硅、硅锗、镓以及氮化镓组 成的群。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一厚度在50μ m与100 μ m之间，且所述 第二厚度在150μπι与200μπι之间。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括通过所述增加及所述变薄来降低所述熔化物 中的溶质浓度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中自所述熔化物收集及分离由所述变薄产生的废 熔化物。
18.根据权利要求16所述的方法，其中收集由所述变薄产生的废熔化物且随后将其净 化及再循环。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述变薄在所述形成及所述增加之后使用辐射 加热器而发生。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一参数及所述第二参数是选自由长度及 温度组成的群。
全文摘要
本发明揭示一种用于形成板的方法及设备。将熔化物冷却，且在所述熔化物上形成板。此板具有第一厚度。随后使用例如加热器或熔化物使所述板自第一厚度变薄至第二厚度。所述冷却可经配置以允许溶质被截留于板的一区中，且可使此特定板变薄且移除溶质。所述熔化物可为例如硅、硅锗、镓或氮化镓。
文档编号H01L31/042GK102150283SQ200980135584
公开日2011年8月10日 申请日期2009年8月12日 优先权日2008年8月15日
发明者彼德·L·凯勒曼, 法兰克·辛克莱, 菲德梨克·卡尔森 申请人:瓦里安半导体设备公司