改良半导体材料微结构的技术的制作方法

专利名称：改良半导体材料微结构的技术的制作方法
改良半导体材料微结构的技术相关申请的交叉参考本申请根据35U.S.C.§ 119，要求2010年9月23日提交的美国临时申请系列第61/385，714号的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。背景本发明一般地涉及形成半导体材料制品的方法，还涉及在该方法中使用的预处理半导体材料。半导体材料用于各种用途，可以例如结合入光伏器件之类的电子器件之内。光伏器件通过光电效应将光辐射转化为电能。半导体材料的性质取决于各种因素，包括晶体结构、本生缺陷的浓度和种类，是否存在掺杂剂和其他杂质，以及它们的分布。在半导体材料中，例如粒度和粒度分布会对制得的器件的性能造成影响。例如，随着颗粒变得更大和更均匀，光伏电池之类的基于半导体的器件的电导率通常会获得改进，因此总体效率会获得改进。对于硅基器件，可使用各种能用于形成各种形状例如锭、片或者带的技术来形成硅。所述硅可以被下方的基材支承，或者未被支承。但是，用来制造支承型和非支承型硅制品的常规方法存在很多缺点。制备非支承型半导体材料薄片(包括硅片)的方法可能很慢，或者会对半导体原料造成浪费。例如，可以使用丘克拉斯基(Czochralski)工艺或者布里奇曼(Bridgman)工艺生产非支承型单晶半导体材料。但是，在将所述材料切割成薄片或者晶片的时候，此种大批量法可能会不利地造成显著 的截口损失。其他可用来制备非支承型多晶半导体材料的方法包括电磁浇铸和直接净形片材生长法，例如带材生长技术。这些技术很慢，而且很贵。使用硅带材生长技术制备的多晶硅带材通常仅能以大约l-2cm/分钟的速率形成。可以比较廉价的方式制备支承型半导体材料片，但是，半导体材料片会受到在其上形成该半导体材料的基材的限制，所述基材必须满足各种工艺要求和应用要求，这些要求可能是相互冲突的。使用外浇铸法来制造非支承型多晶半导体材料的示例性方法如2009年2月27日提交的美国专利申请第12/394,608号、2009年5月14日提交的美国专利申请第12/466，143号以及2009年12月8日提交的美国专利申请第12/632，837号所述，其全文通过引用结合入本文。如本文所述，本发明人现在发现了可以用来制备支承型和非支承型半导体材料制品的另外的方法。所揭示的方法可有助于形成具有所需特性如均匀厚度和所需微结构的半导体材料(例如，外浇铸材料)，同时降低材料浪费并提升产率。

发明内容
根据本发明的各种示例性实施方式，提供了对半导体材料片进行处理的方法，所述方法包括:在片材的各主表面上形成可烧结的第一层；在各所述第一层上形成第二层，以形成颗粒涂覆的半导体片；将所述颗粒涂覆的片放在末端构件之间；将所述颗粒涂覆的片加热至足以至少部分烧结第一层且至少部分熔化半导体材料的温度；以及冷却所述颗粒涂覆的片，使半导体材料固化并形成经过处理的半导体材料片。前述对半导体材料片进行处理的方法可至少改善半导体材料的晶粒结构和/或表面性质之一。通过提供能包封片材的颗粒涂层，在整个熔化作用期间可以保留片材的整体形状因子。在一些实施方式中，颗粒涂层包含多层，其中各层的特征在于一组不同的特性。加热可以包括单次加热步骤，其中，将整个半导体材料片加热至足以形成熔融片材，之后为冷却步骤，其中，所述熔融片材在基本平行于熔融片材的最短尺寸的方向上固化。在另一个实施方式中，加热和冷却可分别包括多个分开的步骤，其中，例如在第一加热步骤中，局部加热片表面以在片表面中形成熔池，通过使热源相对于片移动，使所述熔池移动跨过片表面。在后续的第二加热步骤中，将整个片材加热至足以形成半导体材料的熔融片材，之后为冷却步骤，其中，所述熔融片材在基本平行于片材的最短尺寸的方向上固化。本发明的其他示例性实施方式涉及一种经过预处理的、颗粒涂覆的半导体材料片，该半导体材料片包含具有形成于片各主表面上的可烧结第一层，以及形成在所述各第一层上的第二层。因此，本发明涉 及制备或处理半导体材料制品的方法，以及由此制备和/或处理的半导体材料制品。在以下说明中，特定的方面和实施方式将变得显而易见。应当理解，从最广义上讲，本发明可以在没有这些方面和实施方式中的一个或多个特征的情况下实施。还应当理解，这些方面和实施方式仅仅是示例性和说明性的，并非意在限制要求专利保护的本发明。在以下的详细描述中给出了本发明的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都提出了本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图举例说明了本发明的各种实施方式，并与描述一起用来解释本发明的原理和操作。附图简要说明

图1是根据一个实施方式的颗粒涂覆的半导体片的示意图；图2A-2D是一系列显示根据一个实施方式的定向固化过程的示意图；图3是连续区熔精炼步骤后的硅片中的铝的离析曲线；图4是刚浇铸的硅片的电子背散射衍射(EBSD)截面图；以及图5是根据一个实施方式经过处理的硅片的电子背散射衍射(EBSD)截面图。
具体实施例方式以下将描述各种示例性实施方式，其中至少一个实施例示于附图。然而，这些不同的示例性实施方式并非意在限制本发明的内容，而是通过给出众多具体细节来提供对本发明的透彻理解。对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些具体细节中的一些细节或全部细节的情况下实施，而本发明的内容意在覆盖替代性方案、改进方案和等效方案。例如，为了避免不必要地造成本发明不清楚，没有详细地描述众所周知的特征和/或方法步骤。此外，类似或相同的附图编号用于标识共同或类似的零件。本发明设想了用于制造经过处理的半导体材料片的各种方法。所揭示的方法涉及使预成形的半导体材料片熔化并重结晶，从而改进一项或多项片特性。本领域技术人员应理解，由于许多半导体材料例如硅的较高表面张力，这些材料在熔融之后具有使它们的表面能最小化并形成球体的天然趋势。在本文所揭示的一些实施方式中，在原始半导体材料片的一个或两个表面上形成了多层颗粒涂层，从而防止当片材熔融时片材成球。在各种方法中，在待处理片材的相对表面上形成多层颗粒涂层。所述颗粒涂层包含形成于片各主表面上的可烧结的第一层，以及形成于所述各第一层上的第二层。—个实施方式涉及在半导体材料片的各主表面上形成可烧结的第一层；在各所述第一层上形成第二层，以形成颗粒涂覆的半导体片；将所述颗粒涂覆的片放在末端构件之间；将所述颗粒涂覆的片加热至足以至少部分烧结第一层且至少部分熔化半导体材料的温度；以及冷却所述颗粒涂覆的片，使半导体材料固化并形成经过处理的半导体材料片。可根据一个或多个实施方式进行加热和冷却操作。在一个加热和冷却方法中，将整个半导体材料片加热至足以熔融片材的温度，然后定向冷却从而使熔融片材在基本平行于片材的最短尺寸的方向上固化。在第二个加热和冷却方法中，在第一加热步骤中，刚开始的时候对半导体材料片的表面进行局部加热以在表面中形成熔池。然后将局部加热的区域移动跨过片材表面从而使熔池移动跨过表面。在第二加热步骤中，将整个半导体材料片加热至足以熔融片材的温度，然后定向冷却，从而使熔融片材在基本平行于熔融片材的最短尺寸的方向上固化。如图1的示意图所示，颗粒涂覆的半导体材料片100包含半导体材料片102，该半导体材料片102在其各主表面104上形成有多层颗粒涂层110。所述多层颗粒涂层110包含形成于各主表面104上的可烧结的第一层`116，以及形成于所述各第一层116上的第二层118。半导体材料片可包含一种或多种展现出半导体特性的材料，例如但不限于，硅、锗、砷化镓和二氧化钛以及它们的合金与化合物。在各个实施方式中，所述半导体材料可以是纯的(例如本征硅或i_型硅)或者掺杂的(例如包含η型(例如磷)或P型(例如硼)掺杂剂的娃)。术语“半导体材料片”包括具有至少一个基本平坦表面的固体形式。半导体材料片的厚度范围可以是约25-5000 μ m，例如约100-300 μ m，其长度和宽度范围可以相互独立地是约75 μ m-约500cm,例如约250 μ m_约250cm,又例如约500 μ m_约15cm。可通过本领域技术人员已知的任何方法制备原始半导体材料片。在至少一个实施方式中，半导体材料片可以是净形硅形式，例如通过共同拥有的美国专利申请第PCT/US09/01268号所揭示的外浇铸法制备的净形硅形式，其全文通过引用结合入本文。原始半导体材料片(即刚浇铸的半导体材料片)可以是多晶的，在一些实施方式中可能不具有适合其预期应用的最佳晶体品质(例如尺寸、分布、取向、缺陷密度、表面特性等)。在本文所揭示的加热和冷却操作之前，半导体材料片可包含平均粒径在20 μ m至5cm范围内的晶粒。经预处理的晶粒可以是树枝状的。这样，原始片材可按照本文所述的各种方法进一步处理。多层颗粒涂层在原始片材熔融和重结晶时提供支承，这使得片材虽然经过固相-液相和液相-固相转变仍能维持其形状。由多层颗粒涂层提供的挠性和支承可响应与热循环相关的力学和动力学，所述热循环对于硅半导体片来说包括加热之后固体的热膨胀，熔融之后体积的突然减小(-11%)，液相过程中熔融硅的重新分布，凝固之后体积的增力口，以及最终在冷却之后固体的热收缩。在一些实施方式中，第一层包含平均粒径在20nm至150μπι范围内(例如50、100或150 μ m)的颗粒层。形成的第一层可以与半导体材料片直接接触，并可由可烧结材料例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钇和二氧化铪及其混合物与配混物以及它们的玻璃质形式形成。可选择用于形成所述第一层的颗粒的粒径以促进较低温度下和/或较短时间内的颗粒间粘结。在一些实施方式中，第一层可保留未处理片材所具有的形貌细节并有助于在经过处理的片材中此类细节的复制。可使用任意合适的技术，包括喷涂或浸涂，来形成第一层。所述第一层可在半导体片的表面上形成连续层。各第一层的平均厚度可以分别在500nm至50μπι的范围内(例如0.5、1、5、10或者50μπι)。或者，所述第一层可以是不连续的，例如仅形成在片材选定部分上的图案化的层。在一些实施方式中，第二层还包含颗粒层。第二层中的颗粒的平均粒径在20 μ m至1臟的范围内(例如，20、50、100、200、500或者1000 μ m)。形成的第二层可以与第一层直接接触，并可由以下材料，例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钇和二氧化铪及其混合物与配混物以及它们的玻璃质形式形成。可以选择用于形成第二层的颗粒的粒径，以增加第二层保留开放和机械柔顺性结构的趋势，所述结构能够适应与加热和冷却操作相关的热力学和动力学。第二层可具有各种形式，例如，颗粒床、机织织物、非机织织物(例如由耐火材料纤维制造的毡或者纱)，以及单独的前述材料烧结但未完全致密化的形式或其组合。各第二层的平均厚度可以分别在500μ m至50_的范围内。所述第一和第二层可以是松散堆积的颗粒层，各层的堆积密度独立地为理论密度的约20-80%之间。在一些实施方式中，第一和第二层中的颗粒分别具有可区分特性(例如，组成、粒径、粒径分布)，所述可区分特性可在层的整个厚度上连续或不连续地(阶梯式地)变化。可以通过例如在形成层之前或者形成层的过程中对颗粒进行工程混合来产生个体特性和特性差异，或者在形成层、处理、加热、热炼等过程中借助沉淀或扩散而原位产生个体特性和特性差异。各层中的颗粒维数会影响在加热之前和加热过程中的颗粒堆积。在半导体材料熔融和重结晶过程中，颗粒形状也会影响颗粒层的机械完整性。这样，单个颗粒可以是一维、二维或者三维的(即除了三维颗粒之外的纤维形状或者板形状)。例如，一维颗粒可以是须状或者纤维状，它们的总长度可以是例如0.1mm至大于或等于30mm的范围内，并且纵横比(长度/直径)大于或等于2。又例如，二维颗粒的特征可以是板或者盘，所述板或者盘沿两个分开的、相互垂直轴的纵横比大于或等于2。在一些实施方式中，平均颗粒尺寸(即纤维直径、板厚度或者三维颗粒直径)可以在20-150 μ m的范围内。颗粒层的粒径分布可以是单峰、双峰或者多峰的。颗粒的一般特性是光滑、多面或者锋利的。通常，在加热过程中，具有粗糙表面特征的颗粒会更倾向于形成颗粒间粘结。
在一些实施方式中，第一和/或第二层中的颗粒可以是功能化的。功能化颗粒可包括，例如能在加热和冷却过程中与半导体材料结合的掺杂剂。所述掺杂剂可包括硼、磷、镓等。一种或多种掺杂剂或者其他功能化添加剂的浓度可以在0.l-3000ppb的范围内。又例如，功能化颗粒可包含能在加热和冷却过程中从熔融半导体材料吸取污染物的吸取物质。示例性的吸取物质包括卤素例如氟，其可作为溶解离子与颗粒结合。在另一个例子中，颗粒可包含阻隔材料(例如，二氧化硅颗粒中的铝)，其能防止污染物与半导体材料相互接触。添加剂可用于促进或阻碍加热和冷却过程中的颗粒烧结或颗粒间粘结。此类添加剂可包括例如:多铝红柱石、氧化锆、B2O3、二氧化硅烟炱、二氧化硅溶胶或硅树脂。颗粒可以与水或者醇之类的液体结合，从而增加层在加热之前的生坯强度。第一和第二层可形成限制熔融半导体材料的结构框架。不希望受到理论的限制，相信在多层颗粒涂层中，将第一层(较细颗粒)松散地烧结到多孔层中，通过与空气接触之后在表面上自发形成的氧化物钝化薄层，与半导体材料表面形成弱连接。第二层包含相互弱连接的较粗糙颗粒，以形成还间断地与第一层形成连接并提供挠性支承的高度多孔支架或者超结构。为了提供机械稳定性，在加热循环过程中，可将颗粒涂覆的半导体片放在刚性末端构件之间。合适的末端构件包括惰性难熔材料例如碳化硅板、熔凝二氧化硅板、氧化铝板或者多铝红柱石板。示例性的板厚度范围可以是2-6_ (例如4_)。末端构件可配置成分别向第一和第二层施加遏制力。本领域技术人员可根据特定系统的参数来确定所述遏制力的量级，但是其应该足够大，以在整个加热和冷却操作过程中维持片材的原始尺寸，但是也应该足够小，从而避免熔融半导体材料嵌入到或者渗透到颗粒层中。在一些实施方式中，通过末端构件施加的作用力的方向平行于板材的厚度尺寸。可用于形成经过处理的半导体材料制品(例如净形娃片，如15cmxl5cmx200 μ m的净形硅片)的方法涉及将净形体的初始形成步骤与一次或多次精修步骤分开，所述精修步骤可用于精修粒径、缺陷密度等。在形成了颗粒涂 覆的半导体片并将所述颗粒涂覆的半导体片放在支承末端构件之间后，在一个或多个步骤中加热(以及冷却)片材以形成经过处理的片材。在加热步骤中，颗粒涂覆的半导体片部分或完全熔融，然后重新固化，使得半导体材料发生重结晶。在本文所揭示的加热和冷却操作之后，经过处理的半导体材料片可包含平均粒径在50 μ m至5cm范围内的晶粒。经过处理的晶粒可以是基本各方等大的。经过处理的半导体材料片的总厚度变化率比加热和冷却操作之前的半导体材料片的总厚度变化率至少小50%。在一个实施方式中，半导体材料片可部分或完全熔化，然后在基本平行于熔融片材最短尺寸(即厚度)的方向上固化。虽然不希望受理论限制，但是本发明人相信，定向固化至少可部分控制经过处理的半导体材料片的最终微结构(即晶粒尺寸、取向等)和缺陷密度。由于这两方面的性质强烈依赖于固-液界面的形状和固-液界面的速度(即固化速度)，通过适当控制定向固化速率，可形成具有大柱状晶粒以及低缺陷密度的经过处理的半导体材料片。在至少一个实施方式中，在定向固化过程中，固-液界面仍然基本垂直于熔融半导体材料片的最短尺寸。固-液界面可以例如从熔融片材的至少一个表面移动到相反表面，反之亦然，同时仍然基本垂直于片材的最短尺寸(即厚度)。在其他实施方式中，固-液界面可以相同或不同的速度从至少一个表面和至少一个另外的表面(例如从两侧或多侧定向固化)移动，而不考虑热能的来源。在至少一些实施方式中，在侧向上使温度分布尽可能均一可能是重要的，以确保在定向固化步骤的任何时刻，固-液界面仍然基本垂直于最短尺寸。本文所述的加热和定向固化过程的一个示例性实施方式如图2A、2B、2C和2D所示。在图2A所示的示例性实施方式中，将颗粒涂覆的半导体材料102的片100放在支承构件202之间，并将得到的组件200放在可任选的压盘204上。一种示例性压盘是高温陶瓷材料，其显示与蓄热体300接触。可以所需速率改变蓄热体300的温度。可对任意颗粒涂覆的半导体材料片应用如图2B和2C所示的加热和定向固化过程，并且如果需要作出改变，根据例如半导体材料片的组成和尺寸、经过处理的片材的所需性质和/或加热源的特性，本领域技术人员可以容易地确定作出何种改变。在所示实施方式中，将顶部加热器400放在组件500上方。采用顶部加热器400来完成半导体材料片的熔融。图2B中的顶部加热器400的设定温度高于半导体材料的熔点，并将顶部加热器400和蓄热体300的温度都保持足以完全熔化整个片材的一段时间，虽然在其他实施方式中，半导体材料102可以仅是部分熔化的。熔化的片材102b如图2B所示。如图2C所示，之后可以降低蓄热体300的温度，使熔融半导体材料从底部到顶部定向固化，即在基本平行于熔融片材的最短尺寸的方向上固化。在定向固化过程中，固-液界面150仍基本垂直于最短尺寸。所述固-液界面150将部分再固化的片102c与熔融片102b分开。如图2D所示，在完成固化之后形成了经过处理的、完全再固化的半导体材料片102d。定向固化可从熔融片的顶表面和/或底表面引发。在固化从底表面开始的实施方式中，如图2C所示，定向固化可通过降低蓄热体300的温度同时还控制加热器400的温度来实现。在多个实施方式中，固化速度和方向可精确控制，因此可类似地控制固-液界面，使得界面的生长速度低于导致形貌不稳定的临界速度。虽然不希望受理论限制，但是相信通过本文所述的定向固化方法，可防止或最大程度减少基本垂直于熔融片材的最短尺寸的多孔界面和亚晶粒边界的形成，从而导致较高质量的晶粒结构。通过保持温度梯度基本平行于片材的最短尺寸，可在基本平行于最短尺寸的方向上生长柱状晶粒。基本平行于最短尺寸的柱状晶粒可最大程度减少倾斜的晶粒边界对导电性物质(例如空穴和电子)的拦截，从而提高包含经过处理的片材的器件的效率。在需要高通量的多个实施方式中，通过进行本文所述的定向固化，至少在一些实施方式中可在不损失产能的情况下实现低固化速度(约100 μ m/s)。例如，虽然固化速度可能约为100 μ m/s，但是固化距离也可能较短，例如在通过厚度的方向上约为200 μ m，所以仅需要约2秒的处理时间。该例子证明可以实现较低速度的固化，同时仍维持高产能。在另一个实施方式中，可以首先对半导体片进行局部加热，在片材表面中形成熔池。然后局部加热的区域可以移动跨过片材表面，从而使熔池移动跨过表面。在形成并移动熔池之后，可以在第二加热步骤中加热并熔化整个半导体材料片，如上所述，该步骤包括使熔融片材在基本平行于片材的最短尺寸的方向上定向冷却。
本文所用术语“熔池”指的是半导体材料片之上或者之内形成的一定体积的液态半导体材料，其中，通过将固态片材局部加热至足以引发固液相转变的温度形成液态材料。本文所用的术语“熔化”、“熔融”及其变体可互换使用。熔池的形成和移动可有助于半导体材料在涉及定向固化的第二步骤之前的区熔精炼(ZMR)。上文揭示了第二加热步骤的一些方面。在区熔精炼中，在任意时刻仅有小体积的片材熔融，并且熔融区沿着片材移动(在实践中，拉动片材通过加热器)。随着熔池移动，杂质固体在熔池的前沿熔化，较纯材料的尾流在熔池的后边缘固化。在液相中浓缩的杂质被扫到片材的外周部分。在一个实施方式中，在区熔精炼之后，可以在第二加热步骤之前去除片材的外周部分。在一个实施方式中，熔池的移动速率范围可以是100 μ m/s至10mm/s。沿着熔池移动方向的温度梯度范围可以是10-1000° C/cm。在经过一次、两次和三次ZMR之后计算硅片中的铝杂质的归一化离析曲线，如图3所示。在图3中，Ctl是铝的起始浓度，C是理论浓度。计算表明可以将铝原子明显地离析至硅片的一边(在此情况下为右边)，这使得在大部分的片材面积中铝浓度明显下降。可用氢焰炬完成局部加热和熔融，熔融区的面积与火焰的总体形状和温度有关。熔池的面积可以在数平方毫米至最高10平方厘米的范围内变化。可利用任何聚焦热源(辐射或者对流/传导)完成这种局部熔化以及所伴随的固化。还应理解，形成熔池不必是单一操作。例如，可以在半导体材料片上同时或连续施加多个此类池。多个同时形成的池可以是重叠或者不重叠的。包括区熔重结晶(ZMR)的加热和冷却步骤可以起到多层颗粒包封和最终重结晶过程之间的中间杂质净化过程的作用。作为整合原位过程，本实施方式包括:包封半导体片，沿着片材表面横向扫描熔池，可任选地去除具有高杂质浓度的边缘材料，以及完成在垂直(即穿过厚度方向的)重结晶之后仍为颗粒涂覆片材的熔融。可通过本领域技术人员已知的任何方式提取熔融片材的热容量。例如，在一个实施方式中，为了降低总体热容量，可减少来自顶表面的热通量，作为从底表面增加热通量的附加或替代方法。在另一个实施方式中，可通过增大热源与片材之间的距离来提取熔融片材的热容量。在另一个实施方式中，可通过移动局部热源的聚焦点来提取熔融片材的热容量。在另一个示例性实施方式中，比如当热源包括火焰时，可通过将火焰吹拂在更大的片材表面积上来完成热容量的提取。在另一个实施方式中，可通过降低热源的温度、控制压盘的温度(若使用压盘的话)和主动冷却中的至少一种手段来提取熔融片材的热容量。本文所用的术语“经过处理的半导体材料片”是指由半导体材料片经本文所述的加热和固化步骤所形成的半导体材料制品。经过处理的片材可保留原始半导体材料片的总体组成、几何性质、形状和/或形式。根据多个示例性实施方式，本文所述的加热和冷却操作可以在环境条件下实施，例如在空气中实施，或者可以 在受控环境下实施，比如在包含例如氩气、氢气或其混合物的密闭容器(例如手套箱)中实施。在多个示例性实施方式中，可用至少一个热源加热颗粒涂覆的半导体材料片。例如，在一个实施方式中，加热包括使固体片材的底表面或者顶表面与热源接触。在另一个实施方式中，加热包括使片材的顶表面与第一热源接触，并使片材的底表面与第二热源接触。
本领域技术人员能够确定对颗粒涂覆的片材进行加热(和冷却)的加热技术和参数。在多个示例性实施方式中，热源可局部或整体施用，并具有足以部分或完全熔化半导体材料片的热通量。可使用任何能够提供足够热通量的方法，例如美国专利申请第12/156499号所揭示的任何加热方法。示例性的加热方法包括:燃烧热源(例如火炬)、放电热源(例如等离子体)、红外发射(例如电阻元件、灯泡)及其组合。在多个示例性实施方式中，热源可选自蓄热体(即可被加热的任何材料，包括例如石墨块)、氢/氧焰炬、氢/卤素焰炬(例如氢/氯焰炬)、钨惰性气体(TIG)焰炬(任选包含封在二氧化硅中的钨电极)、IR灯(如卤素灯和激光阵列)、氩气或氦气等离子体焰炬、放电源、弧光灯和碳棒(如RF加热碳棒，可任选将其封闭起来，防止碳进入半导体材料或者以其他方式玷污熔融的半导体材料)及其组合。对于任何特定的实施方式，本领域技术人员可容易地确定用来熔化半导体材料片的合适的加热参数。例如，本领域技术人员可以选择热源的大小和/或形状，以与半导体材料片的大小和/或形状、所需溶池的大小或二者相称。除此之外，热流速率和加热时间可以根据例如要形成的熔池的大小、要控制的热通量以及本领域技术人员在实施本发明时能够方便地确定的其他因素进行变化。在一些实施方式中，热源可包含多个热源，比如排成阵列的多个热源。热源可以是固定或者可移动的。在多个实施方式中，热源可组合，即“混合热源”。作为非限制性例子，混合热源可包含红外灯与焰炬或弧光的组合。用于形成熔池或者熔化整个片材的合适的温度可以例如是半导体材料的熔融温度或者更高。例如，可将半导体材料片加热到约900-1650°C或更高的温度。作为非限制性例子，可将半导体材料加热到约1350-1450° C。作为另一个非限制性例子，在半导体材料是硅的一个实施方式中，可将其加热到1414° C至约1650° C。本领域技术人员将理解，合适的温度可随各种因素变化，例如半导体材料的精确组成、对其进行加热的条件等。根据任何特定的实施方式加热时，合适的加热方法和参数可取决于例如半导体材料的选取，它是否掺杂，需要部分熔化还是完全熔化，经过处理的半导体材料片所需的性质，以及本领域技术人员能够容易地确定和评价的其他参数。

在另一个示例性实施方式中，可能希望使部分或完全熔化以及定向固化步骤重复一次或多次。在至少一个示例性实施方式中，可根据需要多次重复连续的熔化和定向固化过程，并可进一步改善经过处理的半导体材料的晶体结构和/或表面性质。实施例将外烧铸形成的多晶娃片(5cmx5cmx0.5mm厚)浸涂到包含水和无定形二氧化娃颗粒的浆液中，所述无定形二氧化硅颗粒的粒径范围是IOOnm至10 μ m。使浸涂片材干燥，在硅片上形成第一颗粒层。然后将具有第一层的浸涂硅片放在高纯度熔凝二氧化硅(HPFS)的相对层之间，在各个所述第一层上分别形成第二颗粒层。所述高纯度熔凝二氧化硅包含较粗糙的研磨熔凝二氧化硅，其粒径在100 μ m至数毫米的范围内变化。然后将颗粒涂覆的半导体片放在提供了机械支承的相对碳化硅板之间。将支承型颗粒涂覆的半导体片放入预加热的烘箱(1200° C)中。以约15° C/分钟的加热速率使烘箱的温度上升到设定的1430° C，在1430° C保持约7分钟，然后以约40° C/分钟的冷却速率使温度下降。
冷却之后，去除顶部SiC板，刷掉接触的砂层，取回经过处理的片材。任选地，可以清洁(例如蚀刻)所述经过处理的片材，以从表面去除任意残留的二氧化硅颗粒。合适的蚀刻剂是HF。经过处理的片材保留了原始片材的形状，并且没有裂纹。虽然在外周观察到部分厚度缩小，但是没有发生明显的变薄或者成球。图4和5分别显示刚外浇铸的硅片以及经过处理的硅片的电子背散射衍射(EBSD)截面图。图像显示相对于刚外浇铸的硅片，在经过处理的硅片中有明显晶粒生长。晶粒尺寸从约100 μ m的平均粒径增加至数毫米的平均值。使用蚀刻技术提供了微结构进化的额外证据。在该技术中，使用NaOH蚀刻重结晶的片材。得到的多个小面展现出粒径的增加。上述例子证实了半导体片的微结构变化的同时维持了原始形状因子。原始半导体片和经过处理的半导体片的杂质含量(质量ppb)总结于表I。数据显示，经过处理(即重结晶)的样品的总体杂质水平类似于刚浇铸片材中测得的水平。表1.刚烧铸娃片和经过处理的娃片的杂质含量
权利要求
1.一种用于处理半导体材料片的方法，该方法包括: 在半导体材料片的各主表面上形成可烧结的第一层； 在各所述第一层上形成第二层，以形成颗粒涂覆的半导体片； 将所述颗粒涂覆的片放在末端构件之间； 将所述颗粒涂覆的片加热至能够至少部分烧结第一层且至少部分熔化半导体材料的有效温度；以及 冷却所述颗粒涂覆的片，使半导体材料固化并形成经过处理的半导体材料片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体材料包含多晶硅。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过喷涂或者浸涂形成所述第一层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层包含可烧结的颗粒。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述可烧结的颗粒的平均粒径范围是20nm至 150 μ m。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层的装填密度在20-80%之间。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层包含玻璃质二氧化硅。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层基本覆盖各个主表面。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层是不连续的。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述第一层的平均厚度范围是500nm至50 μ m0
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二层包含平均粒径范围是20μ m至Imm的颗粒。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二层包含玻璃质二氧化硅。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述第二层的平均厚度范围是500μ m至5mm ο
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体材料片在加热和冷却操作之前包含树枝状晶粒。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体材料片在加热和冷却操作之前包含平均粒径在20 μ m至5cm范围内的晶粒。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过处理的半导体材料片包含基本各方等大的晶粒。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过处理的半导体材料片包含平均粒径在50 μ m至5cm范围内的晶粒。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过处理的半导体材料片的总厚度变化率比加热和冷却操作之前的半导体材料片的总厚度变化率至少小50%。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热和冷却包括: 在加热步骤中，充分加热整个半导体材料片，以熔化所述半导体材料片并形成熔融片；以及 在冷却步骤中，沿基本平行于熔融片的最短尺寸的方向使熔融片固化。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热和冷却包括: 在第一加热步骤中，局部加热半导体材料片的表面区域，在表面中形成熔池，并使局部加热的区域移动，从而使所述熔池移动跨过片表面； 在第二加热步骤中，充分加热整个半导体材料片，以熔化所述半导体材料片并形成熔融片；以及 在冷却步骤中，沿基本平行于熔融片的最短尺寸的方向使熔融片固化。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第一加热步骤包括重复进行局部加热和移动，从而连续形成多个熔池，并使各个熔池移动跨过片表面。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述熔池的移动速率范围是100μ m/s至10mm/so
23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，沿着移动方向的温度梯度为10-1000°C/cm。
24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述第二加热步骤之前去除半导体片的外周部分。
25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述固化包括以足够的速率提取所述熔融的第一片的热容量，该足够的速率足以在基本平行于熔融片的最短尺寸的方向上提供基本均匀的温度梯度。
26.如权利要求20所述的方法，其特征在于，以一定的速率提取熔融片的热容量，所述一定的速率使熔融片中的固-液界面保持基本垂直于所述熔融片的最短尺寸。
27.一种颗粒涂覆的半导体片，其包含: 具有相对主表面的半导体材料片； 形成在各个主表面上的可烧结的第一层；以及 形成在各个第一层上的第二层。
28.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，所述第一层包含平均粒径在20nm至100 μ m范围内的可烧结的颗粒。
29.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，所述第一层的堆积密度在20-80%之间。
30.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，所述第一层包含玻璃质二氧化硅。
31.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，各所述第一层的平均厚度范围是500nm至50 μ m。
32.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，所述第二层包含平均粒径范围是20 μ m至Imm的颗粒。
33.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，所述第二层包含玻璃质二氧化硅。
34.如权利要求27所述的颗粒涂覆的半导体片，其特征在于，各所述第二层的平均厚度范围是500 μ m至5mm_。
全文摘要
一种对半导体材料片进行处理的方法，包括在半导体材料片的各主表面上形成可烧结的第一层；在各所述第一层上形成第二层，以形成颗粒涂覆的半导体片；将所述颗粒涂覆的片材放在末端构件之间；将所述颗粒涂覆的片材加热至能够至少部分烧结第一层且至少部分熔化半导体材料的有效温度；以及冷却所述颗粒涂覆的片材，使半导体材料固化并形成经过处理的半导体材料片。
文档编号C30B11/00GK103119207SQ201180045499
公开日2013年5月22日 申请日期2011年9月12日 优先权日2010年9月23日
发明者G·B·库克, P·马宗达, M·D·帕蒂尔, 田丽莉, N·文卡特拉曼 申请人:康宁股份有限公司