专利名称：使用气体喷嘴从熔化物表面移离板材的制作方法
技术领域：
本发明涉及自熔化物形成板材，更特定地说，涉及自熔化物移离板材。
背景技术：
硅晶圆或板材可用于例如积体电路或太阳能电池行业中。随着对再生性能源的需求提高，对太阳能电池的需求持续提高。大部分太阳能电池是利用硅晶圆(诸如单晶硅晶圆)制得。目前，晶态硅太阳能电池的主要成本在于制造太阳能电池可用的晶圆。太阳能电池的效率或在标准照明下所产生的功率量部分地受到所述晶圆的品质限制。随着对太阳能电池的需求提高，太阳能电池行业的一个目标在于降低成本/功率比。在不降低品质的情况下晶圆制造成本的任何降低均将降低成本/功率比，且能够使所述清洁能源技术得到更广泛的使用。最高效率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单晶娃晶圆制造。所述晶圆可通过将使用柴氏方法(Czochralski method)生长的单晶娃圆柱形晶块切割成薄片来制造。这些薄片的厚度可小于200 μ m。为维持单晶生长，晶块必须自含有熔化物的坩锅缓慢生长，诸如小于ΙΟμπι/s。随后的切割过程引起每个晶圆约200μπι切割口损失，或因切割刀宽度所致的损失。圆柱形晶块或晶圆亦可能需要划分为方形以制造方形太阳能电池。划分方形与切割口损失均引起材料浪费及材料成本提高。因为太阳能电池变得较薄，所以每次切割的娃废料百分比提高。切锭技术(ingot slicing technology)的限制可能阻碍获得较薄太阳能电池的能力。其他太阳能电池是使用自多晶硅锭所切割成的晶圆来制造。多晶硅锭可比单晶硅生长得更快。然而，所得晶圆的品质因存在较多缺陷及晶界而降低，且所述较低品质引起太阳能电池效率降低。多晶硅锭的切割过程同单晶硅锭或晶块一样效率低。又一解决方案为自熔化物垂直拉起薄娃带，接着使拉起的娃冷却且固化成板材。所述方法的拉速可限于小于约18毫米/分钟。在硅冷却及固化期间所移离的潜热必须沿垂直硅带移离。由此沿硅带产生较大温度梯度。所述温度梯度对晶态硅带产生应力，且会产生不良品质的多晶粒硅。硅带的宽度及厚度亦可能因所述温度梯度而受限制。举例而言，宽度可能限于小于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锭所切的硅，且可消除切割口损失或因划分方形所致的损失。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带。此外，与自熔化物垂直拉起或以一定角度拉起的硅带相比，自熔化物水平制得的板材可改良板材的晶体品质。晶体生长方法，诸如可降低材料成本的所述方法，为降低硅太阳能电池成本的主要可行步骤。已测试自熔化物物理拉出的水平硅带。在一种方法中，将附着于棒的晶种插入熔化物中且在坩锅边缘上方以低角度拉起棒及所得板材。对角度、表面张力及熔化高度进行平衡，以防止熔化物溢出坩锅。然而，难以启动及控制所述拉出过程。第一，使坩锅边缘所形成的弯液面(meniscus)的重力与表面张力平衡的倾角可能难以调节。第二，若冷却板靠近板材与熔化物之间的分离点，则沿硅带的温度梯度可能在所述分离点引起晶体错位。第三，熔化物上方的板材倾斜可能在凝固端产生应力。所述凝固端可能为板材最薄且最脆而因此会出现板材错位或断裂之处。第四，可能需要复杂拉出装置以获得低角度。板材必须在不使熔化物溢出的情况下自熔化物表面移离。因此，板材下侧与熔化物之间的弯液面必须保持稳定或附着于容器。之前，已降低位于弯液面熔化物一侧的压力，以维持弯液面稳定性。在一个实例中，低角度娃板材(low angle silicon sheet,LASS)方法是使板材以小角度倾斜且在熔化物上拉起。由此在熔化物中产生负压(相对于大气压)且提供横越弯液面的压力。在另一实例中，熔化物会溢出溢道(spillway)边缘。溢道颈部中的流体降落可在熔化物中提供负压以稳定弯液面。然而，此项技术中需要一种自熔化物移离板材的方法，更特定地说，以局部压力自熔化物移离板材的改良方法
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种板材制造装置。此装置包括设置为可容纳一种材料的熔化物的容器。冷却板紧邻熔化物安置，且设置为可形成水平卧于紧邻冷却板的熔化物上的所述材料的板材。第一气体喷嘴设置为可将气体导向容器边缘。根据本发明的第二方面，提供一种板材制造方法。此方法包括水平移动一种材料的熔化物表面上的所述材料的板材。自第一气体喷嘴将气体导向熔化物的弯液面，且自熔化物移离板材。根据本发明的第三方面，提供一种形成板材的方法。此方法包含将晶种施加于一种材料的熔化物中。自第一气体喷嘴将气体导向针对晶种所形成的熔化物的弯液面。凝固熔化物的一部分，以形成水平卧于熔化物表面上的所述材料的板材。自熔化物移离板材。
为更好地了解本发明，参考附图，附图并入本案供参考，并且其中图1为将板材与熔化物分离的装置的实施例的横截面侧视图；图2为将板材与熔化物分离的装置的第二实施例的截面侧视图；图3为LASS的稳定弯液面的横截面侧视图；图4为使用气体冲击法稳定弯液面的实施例的横截面侧视图；图5为说明气体喷嘴所产生的压力分布的横截面图；图6为使用溢道、使用气体冲击法稳定弯液面的实施例的横截面图；图7为板材形成中的气体喷嘴的第一实施例的横截面侧视图；图8为板材形成中的气体喷嘴的第二实施例的横截面侧视图；图9为板材形成中的气体喷嘴的第三实施例的横截面侧视图；图10A-D说明气体喷嘴的稳定作用使种晶可行；和。图11为气体喷嘴的实施例的横截面图。
具体实施例方式配合太阳能电池来描述本文中的装置及方法的实施例。然而，这些实施例亦可用以制造例如积体电路、平面面板(flat panel)、LED或本领域技术人员已知的其他基板。此夕卜，尽管熔化物在本文中经描述为硅，但熔化物可含有锗、硅及锗、镓、氮化镓、其他半导体材料或本领域技术人员已知的其他材料。因此，本发明不限于下述特定实施例。图1为将板材与熔化物分离的装置的实施例的横截面侧视图。板材形成装置21具有容器16。容器16可为例如钨、氮化硼、氮化铝、钥、石墨、碳化硅或石英。容器16设置为可含有熔化物10。所述熔化物10可为硅。板材13将在熔化物10上形成。在一种情况下，板材13将至少部分浮动于熔化物10内。尽管板材13在图1中说明为浮于熔化物10中，但板材13可至少部分地浸没于熔化物10中或可浮在熔化物10顶部上。板材13定位的深度部分地依据板材13与熔化物10的相对密度。在一种情况下，板材13中仅10%自熔化物10顶部上方突出。熔化物10可在板材形成装置21内循环。所述容器16界定至少一个通道17。 所述通道17设置为可容纳熔化物10，且熔化物10自通道17的第一点18流至第二点19。熔化物10可因例如压差、重力、泵或其他传输方法而流动。接着，熔化物10溢出溢道12。所述溢道12可为坡道、堰、凸缘、小挡板或拐角，且不限于图1中所说明的实施例。溢道12可为容许板材13与熔化物10分离的任何形状。在一个特定实施例中，容器16可维持在稍高于约1685K的温度下。对于娃，1685K表示凝固温度或界面温度。通过维持容器16的温度稍高于熔化物10的凝固温度，冷却板14可使用辐射冷却来发挥功能，以获得熔化物10之上或之中的板材13的所需凝固速率。所述特定实施例中的冷却板14是由单一节段或区段构成，但亦可包含多个节段或区段。可加热通道17的底部高于熔化物10的熔融温度，以使位于界面处的熔化物10中产生小的垂直温度梯度，以防止在板材13上发生组成过冷(costitutional supercooling)或形成树枝状结晶或分支性突出。然而，容器16可具有高于熔化物10的熔融温度的任何温度。此举防止熔化物10在容器16上固化。可通过将板材形成装置21至少部分或完全封闭于外壳内，以使板材形成装置21维持在稍高于熔化物10的凝固温度的温度下。若外壳将板材形成装置21维持在高于熔化物10的凝固温度的温度下，则可避免或降低加热板材形成装置21的需要，且外壳中或外壳周围的加热器可补偿任何热损失。此外壳可因各向异性传导率而为等温的。在另一特定实施例中，加热器不安置于外壳上或外壳中，而是安置于板材形成装置21中。在一种情况下，可通过将加热器插入容器16内及使用多区温度控制，将容器16的不同区域加热至不同温度。外壳可控制板材形成装置21所安置的环境。在一个特定实施例中，外壳含有惰性气体。所述惰性气体可维持在熔化物10的凝固温度以上。惰性气体可减少溶质添加至熔化物10中，向熔化物10中添加溶质会在板材13形成期间引起组成不稳定。冷却板14可除去热，使板材13能够在熔化物10上形成。当冷却板14的温度降低至熔化物10的凝固温度以下时，冷却板14可使板材13凝固于熔化物10之上或之中。所述冷却板14可使用辐射冷却，且可由例如石墨、石英或碳化硅制造。在板材13形成的同时可减少对熔化物10的干扰，以防止在板材13中产生瑕疵。冷却熔化物10表面上的板材13或浮在熔化物10上的板材13可缓慢且大面积地移离熔融潜热，同时具有相对较大的板材 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将板材13与熔化物10分离。熔化物10自通道17的第一点18流至第二点19。板材13将随熔化物10 —起流动。板材13的所述传输可为连续动作。在一种情况下，板材13的流速可与熔化物10的流速大约相同。因此，板材13可以相对于熔化物10的静止状态形成及传输。可改变溢道12的形状或溢道12的取向(orientation)，以改变熔化物10或板材13的速度分布。熔化物10在溢道12处与板材13分离。在一个实施例中，熔化物10的流动使熔化物10传输越过溢道12，且可使板材13至少部分地传输越过溢道12。因为无外部应力施加于板材13，所以此举可将板材13断裂减到最小或防止板材13断裂。当然，亦可拉出板材13或对其施加一些外力。在所述特定实施例中，熔化物10将溢出溢道12而远离板材13。冷却可不应用于溢道12,以防止对板材13产生热震(thermal shock)。在一个实施例中，溢道12处的分离是在近似等温(near-1sothermal)的条件下发生。在一个实施例中，板材13可能倾向于直行越过溢道12。在一些情况下，所述板材13可能在越过溢道12之后得到支撑以防止断裂。当然，可利用冷却板14的整个长度上的不同冷却温度、熔化物10的不同流动速率 或板材13的拉速、板材形成装置21的各种区段的长度或板材形成装置21内的时序进行过程控制。若熔化物10为硅，则板材13可为使用板材形成装置21所形成的多晶或单晶板材。图1仅为可利用熔化物10形成板材13的板材形成装置的一个实例。可存在水平板材13生长的其他装置或方法。本文所述的实施例可应用于任何水平板材13生长方法或装置。因此，本文所述的实施例不仅仅限于图1的特定实施例。举例而言，图2为将板材与熔化物分离的装置的第二实施例的横截面侧视图。在板材形成装置31中，容器16含有熔化物13。板材13在通过冷却板14形成之后自熔化物10拉出。尽管在图2中呈水平状态，但板材13亦可相对于熔化物10呈一定角度。在图1至图2的实施例中，熔化物10可围绕板材形成装置21或板材形成装置31 (诸如围绕板材形成装置21或板材形成装置31的各侧)循环。当然，在部分或所有的板材13形成过程中，熔化物10亦可为不动的。当液体与气体接触时，形成弯液面界面。所述界面遵循杨-拉普拉斯方程(Young-Laplace Equation)。在二维中，其采取以下形式ΔΡ = --
K
\ ^ I
I丨U 7 ----575-
(,)其中Λ P为横越界面的压差，σ为液体表面张力，且R为表面曲率半径。图3为LASS的稳定弯液面的横截面侧视图。就图3的坐标系而言，曲率半径可以描述弯液面的直线的一阶及二阶导数表示。图3中横越弯液面27的压差是由重力所致的熔化物10液体中的液体静压力(Pgy)引起。因此，杨-拉普拉斯方程变成二阶微分方程
f2-V 3/2f| = -1(^(x))| 1 + |^ ! dx" σ^ \δχJ 》图3中所说明的弯液面27的凹面形状是由相对于大气压(PatmJ的负压(P1)提供。所述凹面形状如下形成提起板材13且使其相对于X轴呈斜角，以使板材13在容器16的壁缘处的高度提升，同时板材13的冻结锋面(freezing front)降低至熔化物10高度。在图3中，α表示弯液面27中的熔化物10与板材13之间的接触角，且Θ表示弯液面27中的熔化物10与容器16之间的接触角。熔化物10由硅构成且容器16由石英构成时，Θ为约87°。这些角可基于材料而变。尽管熔化物10液面可位于图3中的X轴，但熔化物10液面可位于相对于容器16的其他处。气体喷嘴可通过提高熔化物的局部压力而用以稳定弯液面。举例而言，可提高位于弯液面气体侧的局部压力。使用本文所述的实施例稳定弯液面与任何熔化物流动方式无关，因此晶体预置(crystal initiation)可发生于熔化物开始流动之前,从而在使用熔化物流动的系统中简化种晶。可使用本文所述的实施例使板材水平生长，从而消除生长速率(亦即移热)相对于一定角度下的拉速的复杂平衡。板材生长可位于与熔化物发生分离的容器边缘的上游。图4为使用气体冲击法稳定弯液面的实施例的横截面侧视图。在此实施例中，水平拉出板材13。容器16的壁低于熔化物10表面高度，在此情况下，其位于X轴与y轴的相 交处或板材13所定位处。通过在板材13下形成弯液面27防止熔化物10溢出。当然，尽管未说明，但熔化物10仍可循环越过容器16的边缘(诸如使用图1中所说明的溢道12)，且仍形成弯液面27，如图6中说明。返回图4，维持拱形弯液面27的压差是由弯液面27下的气体喷嘴22提供，其向弯液面27或容器16的边缘倾斜，如背离气体喷嘴22的箭头所指示。在此情况下，杨-拉普拉斯方程采取以下形式
权利要求
1.一种板材制造装置，包括 容器，设置为用以容纳材料的熔化物； 冷却板，紧邻所述熔化物安置，所述冷却板设置为用以形成所述材料的板材，所述板材水平卧于紧邻所述冷却板的所述熔化物上；以及 第一气体喷嘴，设置为用以将气体导向所述容器的边缘。
2.根据权利要求1所述的板材制造装置，还包括设置为用以使所述熔化物流动的泵。
3.根据权利要求2所述的板材制造装置，其中所述熔化物设置为用以在所述容器内循环。
4.根据权利要求1所述的板材制造装置，还包括设置为用以将所述气体导向所述容器的所述边缘的第二气体喷嘴，所述第二气体喷嘴安置于所述第一气体喷嘴的对面。
5.根据权利要求1所述的板材制造装置，还包括邻接所述第一气体喷嘴所安置的支撑台，所述支撑台设置为用以支撑所述板材。
6.根据权利要求1所述的板材制造装置，还包括压力单元，所述压力单元环绕所述板材，且具有高于所述压力单元外部的压力，其中所述第一气体喷嘴位于所述压力单元内。
7.根据权利要求1所述的板材制造装置，其中所述材料为硅或硅与锗。
8.根据权利要求1所述的板材制造装置，其中所述板材与所述熔化物在所述容器的所述边缘分离且在所述熔化物中形成弯液面，且其中所述第一气体喷嘴将所述气体导向所述弯液面。
9.一种制造板材的方法，包括 水平移动一种材料的熔化物表面上的所述材料的板材； 于所述熔化物的弯液面处，自第一气体喷嘴引导气体；以及 自所述熔化物移离所述板材。
10.根据权利要求9所述的制造板材的方法，其中所述引导设置为用以提高所述弯液面的所述熔化物内的局部压力。
11.根据权利要求9所述的制造板材的方法，其中所述板材与所述熔化物以相等速度移动。
12.根据权利要求9所述的制造板材的方法，还包括自第二气体喷嘴引导所述气体，藉此平衡自所述第一气体喷嘴引导所述气体所引起的力。
13.根据权利要求9所述的制造板材的方法，其中所述材料为硅或硅与锗。
14.根据权利要求9所述的制造板材的方法，其中所述气体具有设置为用以稳定所述弯液面的压力。
15.根据权利要求9所述的制造板材的方法，其中所述移离包括在溢道将所述板材与所述熔化物分离。
16.—种形成板材的方法，包括 将晶种施加于一种材料的熔化物； 在针对所述晶种形成的所述熔化物的弯液面处，自第一气体喷嘴引导气体； 凝固所述熔化物的一部分以形成所述材料的板材，所述板材水平卧于所述熔化物的表面上；以及 自所述熔化物移离所述板材。
17.根据权利要求16所述的形成板材的方法，还包括使所述板材与所述熔化物以相等速度流动。
18.根据权利要求16所述的形成板材的方法，其中所述材料为硅或硅与锗。
19.根据权利要求16所述的形成板材的方法，其中所述气体具有设置为用以稳定所述弯液面的压力。
20.根据权利要求16所述的形成板材的方法，其中所述移离包含在溢道将所述板材与所述熔化物分离。
21.根据权利要求16所述的形成板材的方法，其中所述引导设置为用以提高所述弯液面的所述熔化物内的局部压力。
全文摘要
在一个实施例中，一种板材制造装置包括设置为可容纳一种材料的熔化物的容器。冷却板紧邻熔化物安置且设置为可在熔化物上形成所述材料的板材。第一气体喷嘴设置为可将气体导向容器边缘。水平移动位于熔化物表面上的材料板材且自熔化物移离板材。第一气体喷嘴可导向弯液面且可稳定所述弯液面或提高弯液面内的局部压力。
文档编号C30B29/64GK103025926SQ201180031762
公开日2013年4月3日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年5月6日
发明者彼德·L·凯勒曼, 葛列格里·D·斯罗森, 孙大为 申请人:瓦里安半导体设备公司