专利名称：用于生长薄半导体带的方法
技术领域：
本发明涉及一种从硅的熔体拉拔半导体特别是多晶硅的薄带的方法。
技术背景最广泛地j吏用的半导体带，特别是用于制造光伏电池的，是多晶硅的 带。因此，下列说明涉及硅带但是应该记住本发明还涉及其它半导体材料 例如锗或砷化镓的带.当制造光伏电池时，制造珪的薄带是比通过锯切锭制造硅晶片优选的 解决方案。带解决方案基本上减少了硅的消耗，摒弃了昂责的晶片锯切操 作，并且减少了有毒的化学制品的消耗。在已开发的生长或拉拔硅带的许多的解决方案中，已证实两种垂直拉拔方法是用于制造薄带的最好的方法； 一种称为在临时基底上的带(Ruban sur substrat temporaire)(在临时基底上的带)"RST"以及另一种称 为"STR"(线带)。在RST方法中，通常由碳制造的薄条带以恒定的速率垂直向上移动经 过硅的熔体。在碳条带的两个面中的每一个上淀积硅的薄层.在凝固之后， 离开熔化状态后的条带是由在两个硅层之间嵌入的碳核所构成的合成条 带。随后通过在高温炉中燃烧消除碳核。获得切割成晶片的两个薄硅条带. 例如在法国专利FR-A-2 386 359、 FR-A-2 550 965和FR-A-2 561 139中描 述了 RST方法。在图1中，图解地示出了另一种方法，STR方法.具有加热器装置(未 示出)的拉拔坩埚10包含珪熔体12。两个丝14和16穿透其的两个孔刺 穿了坩埚的底；它们是平行的、垂直的并且彼此间隔。该丝以恒定的速率
向上移动通过硅。籽晶可以起动在硅熔体的表面处的两个丝之间的硅的结 晶。然后可以在起稳定或固定带的边缘的作用的两个丝之间拉拔自支撑的带18。从弯月面20生长带18，在丝14和16之间通过毛细溢出在硅熔体 表面之上的大约7mm (毫米)的高度形成该弯月面20。在硅凝固之后， 丝在硅带边缘处并入到硅带中。例如国际专利申请WO-A-2004/035877描 述了可以减少或防止有时出现的弯月面变形的STR方法和装置的实施例。 虽然它们表现得很好，但是由于趋向分开弯月面的毛细力，这样的垂 直拉拔方法遭遇在带的各端处的液体硅弯月面的不稳定的问题。已提出了 对于该方法的各种改进。作为实例，对于RST方法，FR-A-2 550 965提出 了使用在带的边缘附近设置的固定元件以调整弯月面形状和在这些边缘之 上的硅层厚度，相似地，对于STR方法，WO-A3-01/04388提出了用于通 过提高丝附近的硅熔体的高度来稳定弯月面的边缘的装置，然而，这样的 方法不能完全令人满意。STR方法具有其它缺点.作为实例，因为大约1.7cm/分(厘米/分钟) 的低拉拔速率，所以其制造率是低的。大于该拉拔速率，由于使硅带表面 变形的热应力，带扭曲。因此已提出建议以在同一设备中进行多个并行的 拉拔工序.然而，并行拉拔遇到自由液体弯月面之间的彼此干扰的问题。 事实上，弯月面趋向彼此吸引以减小表面能，这导致带平面度的缺陷。在 国际专利申请WO-A1-2004/042122中通过在带周围设置元件以控制在带 的侧部中的弯月面的形状，部分解决了该问题，但以致使该方法更为复杂 为代价。STR系统的另一个缺点在于在实践中难以制造厚度小于250jim (微米)的带.小于该厚度，硅带变得扭曲和易碎并且在光伏电池制造的 步骤期间难以操作。而且，STR方法包括用于起动的引晶阶段，在开始拉 拔带时或在液体弯月面偶然破裂后重新开始时该引晶阶段是关鍵的和困难 的。发明内容本发明的目的是通过克服上述缺点的一个或多个来改进STR方法。
为达到所述目的，本发明提供一种拉拔至少 一个半导体材料带的方法， 在所述方法中彼此间隔的两个平行的丝以连续的方式垂直向上经过所述半 导体材料的熔体的表面，由位于所述丝之间的弯月面并且基本上在所i^ 面处形成所述带。根据本发明，支撑条带被插入在所述丝之间并且被包含 在通过所述丝限定的平面内，所述支撑条带以连续的方式以与所述丝相同 的速率垂直向上经过熔化的半导体材料的所述熔体的所述表面，所述半导 体材料带被形成在所述支撑条带的两个面中的一个上并且通过所述面被支 撑。优选地，同时形成两个半导体材料带， 一个半导体材料带在所述支撑 条带的所述两个面中的一个面上而另一个半导体材料带在另一面上。有利地，所述丝由碳或硅石(silica)制造并且具有在0,3mm至lmm 范围内的直径。可以用热解石墨薄层覆盖它们。在优选的实施例中，所述支撑条带由碳制造并且具有在200jim至 350pm范围内的厚度。所述熔化的半导体材料被包含在具有基本上水平的 底的拉拔坩埚中，所述底包括所述支撑条带和所述丝穿过的孔。所述孔优选地具有其宽度稍大于所述支撑条带的厚度的矩形水平截面 和，在所述矩形截面的两端中的每一端处，所述丝经过的水平圆截面。所述半导体材料可以基于半导体元素例如硅或锗或者基于同成分 (congruent)或半同成分的熔化半导体例如砷化镓。
述，本发明的其它优点和特点变得显而易见。 图1图解地示出了现有技术STR方法； 图2示例了本发明的方法；图3和图4示出了在图2中通过III和IV分别指示的高度处的水平面 中的水平截面中的两个丝和两个围绕碳支撑条带的半导体在该实例中硅的 带；以及
图5图解地示出了在水平截面中，在拉拔坩埚中的支撑条带和丝经过 的孔。
具体实施方式
根据本发明，在STR方法中使用了优选由碳制造的支撑条带，同时还 保留了两个碳丝。通过润湿支撑条带加强了在条带的边缘上的液体硅的弯 月面的固定.图2示出了通过位于坩埚底中的孔28向上经过拉拔坩埚(未示出)的 两个垂直的丝24与26之间的垂直的支撑条带22。例如，使用通过升高其 温度致使其变成液体的硅填充通过硅石或碳制造的拉拔坩祸。支撑条带被 包含在通过丝24与26 (丝在形状上基本上是棱形的而不必须是圆对称的； 例如可以是矩形截面)的对称的两个纵轴限定的垂直平面中.也在图5中 的水平截面中示出的该孔28具有在其两端的每一个端处的通过圃形的表 面32与34终接的延长的矩形30的形状。矩形30比支撑条带22的宽度稍 大并且圆形表面32与34的直径比丝的直径稍大，以便支撑条带22和两个 丝24与26经过孔28.将孔28的边缘与支撑条带22和丝24、 26分离开 的距离是这样的，坩埚中包含的熔化的硅不通过孔流动.作为实例，对于 300jim的支撑条带厚度，对于0.6mm的丝直径和对于坩埚中包含的在孔 正上方的熔化的硅的lcm (厘米)的高度，孔的矩形截面30的宽度可以 是大约600jim以及圆形截面32、 34的直径可以是大约lmm.支撑条带22和丝24、 26经过孔28并且垂直向上经过使用液体硅填充 的拉拔坩埚，装置(未示出)沿箭头36的方向以恒定的速率拉拔由条带 22和丝24、 26形成的组合件。在合成物表面上没有出现扭曲的情况下， 对于大约200jim厚的硅带拉拔速率可以达到接近5cm/分的值，以及对于 80pm厚的带拉拔速率接近10cm/分。通过比较，在常规STR方法中最大 的拉拔速率大约是1.7cm/min，例如大约慢3至6倍。在液体硅的表面与支撑条带22和丝24、26的接合处38处形成弯月面。 使用依靠冷却结晶的硅的薄层涂敷支撑条带22的两侧。因此，同时获得了两个多晶珪带40和42。图3与图4示出了在相对于硅熔体的通过III与IV分别指示的高度处 的水平面中的截面中附着到支撑条带22和附着到丝24、 26的带40和42 的形状。在平面III处，硅已冷却并且结晶形成硅带，而在平面IV处，在 熔化的硅的表面之上几毫米处(典型地小于6mm)，硅44还未凝固而是 形成弯月面。在优选的实施例中，由碳或硅石制造的丝24和26是相同的，可选地 被用热解石墨涂敷，并且它们的直径在0.3111111至1111111范围内。将它们与 支撑条带22的边缘分离开大约100(im以防止使支撑条带变形的任何接触。支撑条带22的厚度在200 pm至350 im范围内，优选在200jim至 300nm范围内。该支撑条带优选地由碳制造，例如从天然的、膨胀的、然 后轧制的石墨中制造的挠性石墨。可以以一米宽和几十米长的巻的形式提 供支撑条带22,然而，例如对于此处描述的实施例优选地使用在5cm到 20cm范围内的宽度。在拉拔之后，获得的合成条带由支撑条带22、两个丝24和26以及通 过支撑条带和丝支撑的两个硅带40、 42组成.下一步骤初始地例如使用激 光将合成条带切割成通常是矩形的合成晶片，并且切割合成条带或合成晶 片的边缘以暴露出碳带的侧边缘，这样除去丝24、 26.接着，例如在空气 中在高温下(大约1000°C)下通过燃烧破坏支撑条带22以获得两个多晶 硅的晶片。然后已自由或者面对支撑条带设置的晶片的面经低水平(low level)剥离以从珪石上除去在表面上形成的氣化层.该氧化层非常薄，大 约几十微米。可以使用各种常规技术实施剥离.对STR方法的上述修改通过较高的拉拔速率和通过同时制造两个硅 带可以改善常规方法的制造率，通过降低带的厚度至lOOjim以下的值可以 减少硅的消耗，并且可以改善带的平面度。平面度的该优点归因于许多效 应。首先，支撑条带的热物理特性向使用两个丝的常规STR方法提供附加的优点，其避免了或最小化了具有扭曲的表面的合成条带的形成。支撑条 带参与提取结晶的潜热，降低了在结晶前沿处的硅条带中的相对温度梯度，
这防止了归因于热机械应力的翘曲现象的出现并且允许使用非常高的拉拔 速率；其次，其热惰性稳定了接近弯月面的热场，从而减少了结晶等温线 的位移。此外，在拉拔坩埚中存在的支撑条带平分了硅熔体的宽度，其削 弱了在熔体中趋向发展的热对流流，并且还削弱了它们引起的结晶等温线 的位移。另外，由于连接液体表面与拉拔坩埚的壁的角度的变化和/或正 在从同一硅熔体拉拔几个带时邻近的弯月面的存在使结晶弯月面遭受干 扰，支撑条带的存在还大大地减少了归因于该干扰的结晶弯月面位移的可能性。伴随着典型地小于± lOO[im的沿垂直于支撑条带的方向的位移的可 能性，支撑条带的存在物理地将液体弯月面的附着点保持在准固定的垂直 平面中。因此，与常规STR方法相比，本发明可以以更好的平面度和更高的拉 拔速率(因此具有更高的制造率)制造更薄例如厚度小于15(Vm的硅带。 因此，本发明特别适于通过使用制造的硅带制造光伏电池。在不背离本发明的范围情况下技术人员可以对上述方法做出各种修改或变化。作为实例，通过阻止硅淀积在支撑条带的两个面中的一个上，可 以制造单个带替代一次制造两个带。而且，很容易想象支撑条带和两个丝 没有通过设备的底部iiX到硅熔体中，而是通过侧壁或者从顶部直接l 熔体并通过返回机制传送以便通过熔体顶部离开。
权利要求
1.一种拉拔至少一个半导体材料带(40、42)的方法，在所述方法中彼此间隔的两个平行的丝(24、26)以连续的方式垂直向上经过所述半导体材料的熔体的表面，由位于所述丝之间的弯月面并且基本上在所述表面处形成所述带(40、42)，所述方法的特征在于支撑条带(22)被插入在所述丝(24、26)之间并且被包含在通过所述丝限定的平面内，所述支撑条带(22)以连续的方式以与所述丝相同的速率垂直向上经过熔化的半导体材料的所述熔体的所述表面，所述半导体材料带(40、42)被形成在所述支撑条带的两个面中的一个上并且通过所述面被支撑。
2. 根据权利要求l的方法，其特征在于同时地形成两个半导体材料带 (40、 42)， 一个半导体材料带在所迷支撑条带的所述两个面中的一个面上而另 一个半导体材料带在另 一面上。
3. 根据任何的上述权利要求的方法，其特征在于所述丝(24、 26)由 碳或硅制造，
4. 根据权利要求3的方法，其特征在于所迷丝(24、 26)的直径在 0.3mm至lmm范围内.
5. 根据权利要求3或权利要求4的方法，其特征在于使用热解石墨的 薄层涂敷所述丝(24、 26)。
6. 根据任何的上迷权利要求的方法，其特征在于所迷支撑条带(22) 由碳制造.
7. 根据权利要求6的方法，其特征在于所述支撑条带(22)的厚度在 200jun至300nm范围内，
8. 根据任何的上迷权利要求的方法，其特征在于所述半导体材料带 (40、 42)的厚度小于250nm。
9. 根据任何的上述权利要求的方法，其特征在于所述熔化的半导体材 料被包含在具有基本上水平的底的拉拔坩埚中，所述底包括所述支撑条带(22)和所述丝(24、 26)穿通的孔(28)。
10. 根据权利要求9的方法，其特征在于所述孔(28)具有其宽度稍 大于所述支撑条带(22)的厚度的矩形水平截面和，在所述矩形截面的两 端中的每一端处，其具有所述丝经过的圆形水平截面(32、 34)。
11. 根据任何的上述权利要求的方法，其特征在于所述半导体材料基 于半导体元素或者同成分或准同成分的熔化半导体化合物。
12. 根据权利要求ll的方法，其特征在于所述半导体材料是硅。
13. 根据任何的上述权利要求的方法，其特征在于所述支撑条带的边 缘与所述丝分离开至少100微米以防止使所述支撑条带变形的任何接触。
全文摘要
本发明涉及一种用于生长至少一个半导体材料制造的带(40、42)的方法，根据所述方法两个平行并且间隔的丝(24、26)以连续的速度垂直向上经过所述熔化的半导体材料的熔体的表面，由位于所述丝之间的弯月面并且基本上在所述表面的高度处形成所述带(40、42)。根据本发明，支撑条带(22)被设置在所述丝(24、26)之间，所述支撑条带(22)以连续的速度以与所述丝相同的速率垂直向上经过所述熔化的半导体材料的所述表面，所述半导体材料带(40、42)由此被形成在所述支撑条带的两个面中的一个上并且通过所述面被支撑。本发明可以用于制造用于制造光伏电池的多晶硅带。
文档编号C30B15/24GK101128625SQ200680005915
公开日2008年2月20日 申请日期2006年3月1日 优先权日2005年4月22日
发明者C·雷米 申请人:索拉尔福尔斯公司