板厚控制的製作方法

2023-06-01 23:36:06

專利名稱：板厚控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及由熔化物形成板，尤其涉及減少由熔化物形成的板的厚度。
背景技術：
矽晶圓或板可用於例如集成電路或太陽能電池工業中。隨著對可再新生的能源的 需求增加，對太陽能電池的需求亦持續增加。存在兩種類型的太陽能電池矽太陽能電池及 薄膜太陽能電池。大部分太陽能電池是由矽晶圓製成，諸如單晶矽晶圓。目前，晶體矽太陽 能電池的主要成本在於製造太陽能電池的晶圓。太陽能電池的效率或在標準照明下產生的 功率的量部分地受到此晶圓的品質的限制。隨著對太陽能電池的需求增加，太陽能電池工 業的一目標是降低成本/功率比。在不降低品質的情況下晶圓的製造成本的任何減少均將 使成本/功率比降低，且使此清潔的能源技術能更廣泛使用。效率最高的矽太陽能電池可具有大於20%的效率。這些太陽能電池是使用電子 級(electronics-grade)單晶矽晶圓製成的。這些晶圓可自使用Czochralski方法生長的 單晶矽圓柱形梨晶(cylindrical boule)通過鋸切薄片而製成。這些薄片的厚度可小於 200 μ m0為維持單晶體生長，梨晶必須自含有熔化物的坩堝(crucible)緩慢地生長，生長 速度例如小於10 μ m/s。後續鋸切過程導致每晶圓大約200 μ m的鋸口損失(kerf loss)或 由於鋸刃的寬度而帶來的損失。圓柱形梨晶或晶圓亦可能需製成為正方形以製作正方形太 陽能電池。製成為正方形及鋸口損失均會導致材料浪費及材料成本增加。隨著太陽能電池 變得較薄，每次切割時浪費的矽的百分比亦增加。對鑄錠分割(ingot slicing)技術的限 制可能會妨礙獲得較薄太陽能電池的能力。其它太陽能電池是使用自多晶矽鑄錠鋸切而得的晶圓製成的。多晶矽鑄錠的生長 速度可以比單晶矽快。然而，所得晶圓的品質較低，因為存在較多缺陷及晶粒間界(grain boundary)，且此較低品質會導致較低效率的太陽能電池。用於多晶矽鑄錠的鋸切過程與單 晶矽鑄錠或梨晶一樣是低效率的。可減少矽浪費的另一解決方案是在離子植入之後自矽鑄錠來分裂晶圓。舉例而 言，將氫、氦或其它稀有氣體離子植入於矽鑄錠的表面的下方以形成一植入區。在此之後進 行物理熱處理或化學熱處理，用以沿此植入區自鑄錠來分裂晶圓。雖然經由離子植入來進 行分裂可在無鋸口損失的情況下製作晶圓，但此方法是否可用於經濟地製作矽晶圓仍有待 證實。又一解決方案是自熔化物垂直拉出一薄矽帶(riWxm)，且隨後使得所拉出的矽冷 卻且固化為板(sheet)。此方法的拉動速率可限制於小於大約18mm/分。必須沿垂直帶移 除在矽的冷卻及固化期間的移除的潛熱(latent heat)。此做法導致沿帶的大的溫度梯度 (gradient) 0此溫度梯度給晶體矽帶添加應力，且可能導致不良品質的多晶粒矽。帶的寬 度及厚度亦可能由於此溫度梯度而受限制。舉例而言，寬度可限於小於80mm且厚度可限於 180 μ m0自熔化物實體拉出的水平矽帶亦已經過測試。在一種方法中，將附接至一桿的晶種(seed)插入至熔化物中，且在坩堝的邊緣上方以一低角度拉動該杆及所得的板。對所述 角度與表面張力進行平衡以防止熔化物濺出坩堝。然而，難以起始及控制此拉動過程。必 須為坩堝及熔化物提供進入口(access)以插入晶種，所述進入口可能會導致熱損失。可將 額外的熱添加至坩堝以補償此熱量損失。此額外的熱可能會導致熔化物中的垂直溫度梯 度，所述垂直溫度梯度可能會引起非層迭(non-laminar)的流體流。而且，必須執行可能較 難的傾斜角度調節以對在坩堝邊緣處形成的彎月面(meniscus)的重力及表面張力進行平 衡。此外，由於熱正在板及熔化物的分離點處被移除，因此在正作為潛熱移除的熱與正作為 顯熱(sensible heat)移除的熱之間存在突然改變。此情況可能導致在此分離點處沿帶的 大的溫度梯度，且可能導致晶體中的位錯(dislocation)。位錯及翹曲(warping)可能由於 沿板的這些溫度梯度而發生。尚未執行例如通過使用溢道(spillway)而自熔化物水平分離薄板的製作。通過 分離而自熔化物水平地製作的板可能比自鑄錠分割的矽便宜，且可消除鋸口損失或由於制 成為正方形而帶來的損失。通過分離而自熔化物水平地製作的板亦可能比使用氫離子或其 它拉出矽帶方法而自鑄錠分裂的矽便宜。此外，自熔化物水平分離的板與拉出的帶相比可 改良板的晶體品質。諸如此類的可減少材料成本的晶體生長方法將為減少矽太陽能電池的 成本的主要達成步驟。然而，板可能具有不正確的厚度，或可能具有包含在其晶格內的雜質 或溶質。因此，此項技術中需要一種改良的由熔化物形成板的方法，且更特定而言，需要一 種減少由熔化物形成的板的厚度的方法。

發明內容
根據本發明的第一方面，提供一種形成板的方法。所述方法包括對材料的熔化物 進行冷卻，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
述第一厚度變薄至第二厚度。所述第二厚度小於所述第一厚度。根據本發明的第二方面，提供一種用於形成板的設備。所述設備包括容器，其界定 一種經配置以固持材料的熔化物的通道。冷卻板安置於靠近所述熔化物處。所述冷卻板經 配置以在所述熔化物上形成所述材料的板。所述設備亦具有輻射加熱器。根據本發明之第三方面，提供一種形成板的方法。所述方法包括第一階段中對材 料的熔化物進行冷卻。所述第一階段中的冷卻具有第一參數。在所述熔化物中形成所述材 料的板的第一層。所述板的第一層具有第一厚度及第一溶質濃度。在第二階段中對所述熔 化物進行冷卻。所述第二階段中的冷卻具有不同於所述第一參數的第二參數。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層。所述第一厚度與所述第二厚度之間的 第二層具有高於第一溶質濃度的第二溶質濃度。使所述板自所述第二厚度變薄至所述第一 厚度。


圖1是自熔化物分離一種板的設備的實施例的橫截面側視圖。圖2是自熔化物拉出一種板的設備的實施例的橫截面側視圖。圖3是使用圖1的設備時在熔化物內的變薄的橫截面側視圖。圖4是使用圖2的設備時在熔化物內的變薄的橫截面側視圖。
圖5是使用圖1的設備以加熱器進行的變薄的橫截面側視圖。圖6是使用圖2的設備以加熱器進行的變薄的橫截面側視圖。圖7表示在接近板-熔化物界面處該熔化物及固體中的隨著時間而變的濃度分布。圖8是使用圖1的設備的變薄及淨化的橫截面側視圖。圖9是使用圖2的設備的變薄及淨化的橫截面側視圖。圖10是在板生長期間俘獲雜質時的橫截面側視圖。圖11是對板進行加熱時的橫截面圖。
具體實施例方式結合太陽能電池來描述本文的設備及方法的實施例。然而，這些實施例亦可用於 製作例如集成電路、平坦面板或本領域技術人員已知的其它基板。此外，雖然本文將熔化物 描述為矽，但熔化物可含有鍺、矽鍺、鎵、氮化鎵、其它半導體材料或本領域技術人員已知的 其它材料。因此，本發明不限於下文描述的特定實施例。圖1是自熔化物分離一種板的設備的實施例的橫截面側視圖。板形成設備21具 有容器16以及面板15及20。容器16以及面板15及20可為例如鎢、氮化硼、氮化鋁、鉬、 石墨、碳化矽或石英。容器16經配置以容納熔化物10。熔化物10可為矽。熔化物10在一 實施例中可經由進料口(feed)ll來補充。進料口 11可容納固體矽。在另一實施例中，可 將熔化物10泵送(pumped)至容器16中。板13將形成於熔化物10上。在一實例中，板13 將至少部分地在熔化物10內浮動。雖然在圖1中將板13說明為在熔化物10中浮動，但板 13可至少部分地浸沒在熔化物10中，或可在熔化物10的頂部上浮動。在一實例中，板13 的僅10%自熔化物10的頂部上方突出。熔化物10可在設備21內循環。此容器16界定至少一通道17。此通道17經配置以固持熔化物10，且熔化物10 自通道17的第一點18流動至第二點19。在一實例中，通道17內的環境為靜止的，以防止 熔化物10中出現波紋(ripples)。熔化物10可由於例如壓力差、重力、磁流體動力學驅動 設備、螺旋泵(screw pump)、葉輪泵(impeller pump)、輪或其它輸送方法而流動。熔化物 10隨後流過溢道12。此溢道12可為斜坡、堰(weir)、小壩(small dam)或隅角，且不限於 圖1中說明的實施例。溢道12可為任何允許自熔化物10來分離一種板13時的形狀。面板15在此特定實施例中經配置以部分地在熔化物10的表面下方延伸。此做法 可防止當該板13形成於熔化物10上時波或波紋幹擾該板13。這些波或波紋可能由於來自 進料口 11的熔化物材料的添加、泵送或本領域技術人員已知的其它原因而形成。在一特定實施例中，可將容器16以及面板15及20維持在稍微高於大約1687K的 溫度。對於矽，1687K表示凍結溫度或界面(interface)溫度。通過將容器16以及面板15 及20的溫度維持在稍微高於熔化物10的凍結溫度，冷卻板14可使用輻射冷卻而起作用以 獲得熔化物10上或熔化物10中的板13的期望凍結速率。在此特定實施例中，冷卻板14由 單一區段或部分區段組成，但在另一實施例中可包含多個區段或部分區段。可將通道17的 底部加熱至高於熔化物10的熔化溫度，以在熔化物10中在界面處產生小的垂直溫度梯度 以防止板13上的組分過冷(constitutional supercooling)或者形成枝蔓體(dendrite) 或分支突出物。然而，容器16以及面板15及20可處於熔化物10的熔化溫度以上的任何
6溫度。此情況可防止熔化物10在容器16以及面板15及20上固化。可通過將設備21至少一部分或完全封閉於一封閉體內而將設備21維持於稍微高 於熔化物10的凍結溫度的溫度。若封閉體將設備21維持於高於熔化物10的凍結溫度的 溫度，則可避免或減少對設備21進行加熱的需要，且封閉體中或周圍的加熱器可補償任何 熱損失。此封閉體可為等溫的且具有非各向同性的傳導性。在另一特定實施例中，加熱器 未安置於封閉體上或封閉體中，而是安置於設備21中。在一實例中，可通過在容器16內嵌 入加熱器且使用多區域溫度控制來將容器16的不同區加熱至不同溫度。封閉體可控制設備21的安置環境。在一特定實施例中，封閉體中含有惰性氣體。 可將此惰性氣體維持於高於熔化物10的凍結溫度。惰性氣體可減少向熔化物10內的溶質 添加，所述添加可能會致使在板13形成過程期間的組成不穩定性。設備21包含冷卻板14。冷卻板14允許在板13形成於熔化物10上時的排熱(heat extraction)。當冷卻板14的溫度降低至熔化物10的凍結溫度以下時，冷卻板14可致使板 13在熔化物10上或熔化物10中凍結。此冷卻板14可使用輻射冷卻，且可由例如石墨、石 英或碳化矽製造。冷卻板14可自液體熔化物10快速地、均一地且以受控的量移除熱。在 板13形成時可減少對熔化物10的幹擾以防止板13中的缺陷。在熔化物10的表面上方來自熔化物10的熔解熱(heat of fusion)及熱的排熱 在與其它帶拉動方法相比可達成較快地製作該板13，同時維持具有低缺陷密度的板13。對 熔化物10的表面上的板13或在熔化物10上浮動的板13進行冷卻允許在大面積上緩慢地 移除熔解潛熱，同時該板13的排熱速率較大。冷卻板14的尺寸可在長度及寬度上均增加。增加長度對於相同的垂直生長速率 及所得的板13厚度而言可允許較快的板13排熱速率。增加冷卻板14的寬度可導致較寬 的板13。不同於垂直式板拉動方法，對使用圖1中描述的設備及方法的實施例製作的板13 的寬度不存在固有的實體限制。在一特定實例中，熔化物10及板13以大約lcm/s的速率流動。冷卻板14的長度 大約為20cm且寬度大約為25cm。板13的厚度可在大約20秒生長至大約100 μ m。因此， 所述板的厚度可以大約5 μ m/s的速率生長。可以大約10m2/小時的速率製作厚度大約為 100 μ m 的板 13。在一實施例中可使熔化物10中的熱梯度最小化。此做法可允許熔化物10的流動 穩定且形成層迭。此做法亦可允許使用冷卻板14經由輻射冷卻而形成板13。在一特定實 例中，冷卻板14與熔化物10之間的大約300K的溫度差可以大約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的在冷卻板14下遊及在面板20下方的區可為等溫的。這些溫區可允許 板13的退火。在板13形成於熔化物10上之後，使用溢道12將板13與熔化物10分離。熔化物 10自通道17的第一點18流動至第二點19。板13將隨熔化物10 —起流動。板13的輸送 可為連續運動。在一實例中，板13可以與熔化物10的流動速度大約相同的速度流動。因 此，板13可相對於熔化物10靜止地形成及輸送。可更改溢道12的形狀或溢道12的定向 以改變熔化物10或板13的速率分布。在溢道12處，熔化物10與板13分離。在一實施例中，熔化物10的流動可在溢道12上輸送熔化物10，且至少部分地可在溢道12上輸送該板13。此做法可使單晶板13的破 裂程度最小或防止使單晶板13破裂，因為無外部應力施加於板13。在此特定實施例中，熔 化物10將在溢道12上流動而遠離該板13。在溢道12處可不施加冷卻，以防止對板13的 熱衝擊(thermal shock)。在一實施例中，在溢道12處的分離是在近等溫條件下發生。板13在設備21中的形成速度可比被垂直於熔化物而拉動的方式更快，因為熔化 物10的流動速度可允許板13在熔化物10上適當地冷卻及結晶。板13的流動速度將大約 與熔化物10的流動速度相同。此做法可減少板13上的應力。垂直於熔化物而拉動帶的速 度有限，原因在於因拉動引起的施加於帶上的應力。在一實施例中，設備21中的板13可能 不存在任何此類拉動應力。此情況可使板13的品質及板13的製作速度提高。在一實施例中，板13可能會趨於筆直地越過溢道12。在一些實例中可在此板13 在溢道12上經過之後支撐此板13以防止破裂。支撐裝置22經配置以支撐該板13。支撐 裝置22可提供氣壓差以使用例如氣體或空氣鼓風機來支撐該板13。在板13自熔化物10 分離之後，可緩慢改變板13所在環境的溫度。在一實例中，溫度隨著板13遠離溢道12而 移動時降低。在一實例中，板13的生長、板13的退火以及板13使用溢道12自熔化物10的分 離可在等溫環境中進行。使用溢道12的分離以及板13與熔化物10的大約相等的流動速 率使板13上的應力或機械應變程度最小。此做法可增加製作單晶板13的可能性。在另一實施例中，在板形成設備21中將磁場施加於熔化物10及板13。此做法可 使熔化物10內的振蕩流衰減，且可改良該板13的結晶。圖2是自熔化物拉出一種板的設備的一實施例的橫截面側視圖。在此實施例中， 板形成設備23自熔化物10拉出該板13。熔化物10在此實施例中可不在通道17中循環， 且可使用晶種來拉出該板13。可經由通過冷卻板14的冷卻而形成該板13，且可將所得的 板自熔化物10拉出。圖1至圖2的實施例均使用冷卻板14。冷卻板14的長度上的不同冷卻溫度、熔化 物10的不同流動速率或板13的不同拉動速度、板形成設備21或板形成設備23的各個部 分的長度、或板形成設備21或板形成設備23內的定時(timing)可用於過程控制。若熔化 物10為矽，則可在板形成設備21中形成多晶板13或單晶板13。在圖1或圖2的實施例的 任一個中，板形成設備21或板形成設備23可包含在封閉體中。圖1及圖2僅為可自熔化物10形成板13的板形成設備的兩個實例。垂直板或水 平板13生長的其它設備或方法是可能的。本文描述的方法及設備的實施例可應用於任何 垂直板或水平板13的生長方法或設備，且不僅限於圖1至圖2的特定實施例。使用圖1至 圖2的實施例形成的板13可能太厚，或具有不正確的尺寸。板13亦可能不具有光滑表面。 因此，可使板13變薄至例如正確厚度或使其表面光滑。圖3是使用圖1的設備時在熔化物內的變薄的橫截面側視圖。熔化物10在溢道 12上流動。當熔化物10使用冷卻板14而凍結時，板13在熔化物10中形成。在冷卻板14 的下遊但在溢道12的上遊在區30中使板13變薄。此變薄將在溢道12之前使板13的尺 寸自第一厚度改變為第二厚度。在板13朝溢道12流動時，來自熔化物10的熱將使板13 的至少一部分被熔化而變回熔化物10。在一特定實例中，熔化物10或板13的流動速度為大約lcm/s。在此特定實施例中可使用層迭流。容器16的溫度可比板13的凍結溫度高大約I。冷卻板14的溫度與熔化 物10的溫度之間的差可為大約300K。區30中的熔化物10的深度為大約1cm。在區30中 板13變薄而變回熔化物10的速率大約為1 μ m/s。因此，板13的沿在第一點18與第二點 19之間的熔化物10或板13流動的方向的變薄速率為大約1 μ m/cm。區30在熔化物10或 板13流動的方向上可具有大約0. 5m的長度，以使板13自大約150 μ m的厚度變薄至大約 100 μ m的厚度。可通過增加容器16的溫度而減少區30的長度，但此可能要求冷卻板14在 較低溫度下操作。在另一實施例中，使板13自大約200 μ m的厚度變薄至大約100 μ m的厚 度。為了具有均一的變薄過程，溫度梯度應足夠低以避免對板13的浮力驅動的不均 一或不穩定的對流。不穩定的對流是不均一的熱通量，且因此總體能量輸送難以由均一方 式來控制。此可能導致板13的不均一的厚度。若板13及熔化物10中的溫度差小於大約 5K，且區30中熔化物10的深度相對淺，則浮力驅動的對流可能不會引起問題。區30中熔 化物10的深度可例如小於大約1. 22cm或可為大約0. 97cm。然而，在一些實施例中，熔化物 10中的對流可為可接受的。其它條件或參數是可能的，且此僅為變薄過程的一實例。此實 施例不僅僅限於上述實例中列出的條件。圖4是使用圖2的設備時在熔化物內的變薄的橫截面側視圖。使區30中的板13 變薄亦可應用於板形成設備23以及圖3的板形成設備21。此處在使用冷卻板14形成板 13之後且在自熔化物10拉出該板13之前使板13自第一厚度變薄至第二厚度。圖5是使用圖1的設備以加熱器進行的變薄的橫截面側視圖。板形成設備21包 含加熱器50及液體軸承(fluid bearing) 51。在此特定實施例中，加熱器50及液體軸承 51均相對於熔化物10上的板13的形成而傾斜。板13自第一點18流動至第二點19且在 溢道12上流動。在板13經過溢道12之後，使用加熱器50使板13變薄。使板13自第一 厚度變薄至第二厚度。例如，可使板13自大約200 μ m變薄至大約100 μ m。將使用冷卻板14來形成該板13與使用加熱器50使板13變薄而分離可允許以小 的溫度梯度使板13凍結。板13的使用加熱器50自板13熔化的任何部分可沿板13流回 且進入熔化物10中，或可滴入一收集裝置中。此情況至少一部分是由於板13的角度引起。 在一特定實施例中，板13的自板13熔化的部分可富含溶質。在此特定實施例中，加熱器50為輻射加熱器。亦可使用其它加熱器或具有對流組 件的輻射加熱器。加熱器50可允許板13的均一變薄，且可能僅供應熔化的潛熱而不更改 板形成設備21的其它部分的溫度。在此特定實施例中，液體軸承51使板13以一角度而傾斜。所述角度可較淺以防 止對板13的應力。雖然說明了液體軸承51，但可使用空氣軸承、輥或另一板13移動機構。 在另一實施例中，板13保持水平，且液體軸承51不使板13以一角度傾斜。在此實例中，板 13的任何熔化部分均滴落。雖然將此實施例說明為在冷卻板14與溢道12之間具有一距離，但可使此距離最 小化。舉例而言，可將冷卻板14放置成緊密靠近溢道12。替代於允許熔化物10在板13形 成之後使板13變薄，但主要可由加熱器50使板13變薄。但在另一實施例中，加熱器50結 合熔化物10 —起作用以使板13變薄。圖6是使用圖2的設備以加熱器進行的變薄的橫截面側視圖。以加熱器50使板13變薄亦可應用於板形成設備23以及圖5的板形成設備21。此處，在使用冷卻板14形成 板13之後且在自熔化物10拉出板13之後，使板13自第一厚度變薄至第二厚度。在另一實施例中，使板13變薄，且熔化物10經淨化或具有減小的溶質含量。此情 況與溶質的偏析係數(segregation coefficient)有關，所述係數提供生長的晶體板13與 熔化物10中的雜質原子(溶質)的濃度之間的關係。許多溶質的偏析係數小於1，其導致 固體板13的溶質濃度低於液體熔化物10的溶質濃度。因此，在板13形成時，熔化物10中 的溶質濃度增加，因為溶質優先停留於熔化物10中。此情況可致使在板13的結晶過程期 間的組成不穩定性，且可能導致不良品質的板13或在其表面上具有枝蔓體或分支突出物 的板13。在此特定實施例中，在板13形成及變薄過程期間完成對熔化物10的淨化。此淨 化可允許使用純度較低的熔化物10進料(feedstock)或總體較少的熔化物10進料，因為 熔化物10在板13形成時被淨化。圖7表示在接近板-熔化物界面處熔化物及固體中的隨 著時間的濃度分布。溶質偏析是部分地取決於板13的凍結過程，所述過程足夠緩慢地執行 以便使溶質在熔化物10中擴散。然而，若快速執行該板13的結晶，則偏析的溶質並無時間 擴散至熔化物10中。因此，溶質可被俘獲於固體板13中。如圖7中所見，板13可以至少兩個階段來形成。在此特定實施例中，將階段標記 為階段70及階段71。階段70可稱為「慢」，且階段71可稱為「快」。在階段70中板13的 生長的發生比階段71慢，或以例如正常速度發生以製作經淨化或高品質的晶體板13。階 段70在一實例中可以大約5 μ m/s與大約10 μ m/s之間的速率來生長該板13。在階段71 中板13的生長的發生比階段70快，以便俘獲在階段70中被排斥的溶質。階段71可經配 置以防止對板13的應力。此做法可能要求階段70、71具有不同長度或以不同溫度來操作。 舉例而言，階段70中的溫度可在板13的結晶溫度以下大約100K處操作，且階段71可在板 13的結晶溫度以下大約500K處操作。在圖7中，結晶在、及t2處緩慢發生，其允許液體熔化物10中的偏析溶質擴散 開。在t3處，結晶足夠迅速地發生以使得高濃度邊緣俘獲於所形成的晶體板13中，因此使 晶體板13中的溶質濃度升高。在t4及t5處，在熔化物10中溶質含量減小，因為其俘獲於 晶體板13中。此情況可由以下公式表示k = CSL/CLSkeff = C0/CLS其中k表示均衡偏析係數，其等於CsJ餘以Qs。krff為由於界面的移動而引起的不 均衡偏析係數，且Ctl為遠離凍結邊緣的濃度。krff考慮到接近該板13的凍結邊緣處的較高 濃度。隨著界面速率接近零，krff接近k。在固體-液體界面處，Ca為固體中的溶質的濃度， 且Qs為液體中的溶質的濃度。板13或熔化物10的流動由y表示。在此實例中，在階段70期間形成該板13的前50 μ m。此做法使得有效偏析係數可 小於1，此意味著液體熔化物10中的溶質(諸如，鐵)的擴散比凍結速率快。在階段71期 間形成板13的下一 150 μ m。高濃度溶質層俘獲於板13中。為避免熔化物10中的溶質濃 度的增加，在一實施例中，在板經過溢道12之後此所俘獲的層自板13熔化脫落。在另一實 例中，階段70形成具有100 μ m的第一厚度的板13，且階段71對板13添加另一 100 μ m厚 度而形成200 μ m的第二厚度。其它厚度亦為可能的。
使用上述階段70、71且隨後進行變薄，可移除在階段71期間形成於板13上的富 含溶質的層。圖8是使用圖1的設備的變薄及淨化的橫截面側視圖。冷卻板14具有至少 兩個區段第一區段80及第二區段81。第一區段80及第二區段81對應於階段70、71。如 圖8所見，第一區段80及第二區段81相對於板13及熔化物10的流動而具有不同長度。在 另一實例中，第一區段80及第二區段81在不同溫度下操作。板13自第一點18流動至第 二點19且在溢道12上流動。在板13經過溢道12之後，使用加熱器50使板13變薄。使板13自第一厚度變薄 至第二厚度。加熱器50可為例如輻射加熱器。亦可使用其它加熱器或具有對流組件的輻 射加熱器。加熱器50可允許板13的均一變薄，且可僅供應熔化物的潛熱而不更改板形成 設備21的其它部分的溫度。在此特定實施例中液體軸承51使板13以一角度傾斜。所述角度可較淺以防止對 板13所施加的應力。板13通過液體軸承51而形成角度，使得角度82在熔化物10外部。 雖然說明了液體軸承51，但可使用空氣軸承、輥或另一板13移動機構。在另一實施例中， 板13保持水平，且液體軸承51不使板13以一角度傾斜。在此實例中板13的任何熔化部 分均滴落。板13之通過加熱器50而變薄且自板13熔化的任何部分將沿板13流回至角度 82。在該處，此熔化的板13或廢熔化物將滴入例如突出部分(bilge)83中，其收集及分離 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可連接至熔化物10的循 環或淨化系統。在一實施例中，將突出部分83的內含物淨化，且將此經淨化的熔化物10再 循環回至熔化物10。此做法防止富含溶質的突出部分83內含物汙染該熔化物10。此板13 的變薄與淨化組合將移除溶質，維持高純度熔化物10，且維持熔化物10進料的高效率，同 時降低熔化物10的浪費。在一實例中，圖8的設備將取得通過冷卻板14而形成的厚度大於200 μ m的板13， 且使其變薄至100 μ m或更小的厚度。可將板13的經移除或變薄的部分返回至熔化物10， 以避免材料損失或等效於「鋸口損失」的損失。除自板13移除雜質或溶質以外，圖8的變 薄方法亦可使板13的表面上的任何隆凸(protuberance)變平滑。圖9是使用圖2的設備的變薄及淨化的橫截面側視圖。使用具有第一區段80及 第二區段81的冷卻板以及用加熱器50使板13變薄亦可應用於板形成設備23以及圖8的 板形成設備21。此處在使用冷卻板14來形成該板13之後且在自熔化物10拉出該板13之 後使該板13自第一厚度變薄至第二厚度。圖10是在板生長期間俘獲雜質的橫截面側視圖。此圖是較佳說明圖7至圖9中 涉及的過程的近視圖。冷卻板14具有對應於階段70及71的第一區段80及第二區段81。 所形成的板13將具有第一層90及第二層91。在一實例中，第一層90對應於第一厚度，且 與第一層90組合的第二層91對應於第二厚度。第一層90主要使用第一區段80來形成， 且具有相對低的溶質濃度。第二層91主要使用第二區段81來形成，且與第一層90相比具 有較高的溶質濃度。在通過第一區段80之形成期間自板13排斥的許多溶質可在通過第二 區段81的板13形成期間被俘獲，因為邊界層可較薄。因此，第二層91可俘獲溶質及雜質。 在一實例中，第一層90中的溶質濃度可為大約10,原子/cc，且第二層91中的溶質濃度可 為大約10_8原子/cc。使用圖8至圖9的加熱器50來移除第二層91或使第二層91變薄。第一區段80及第二區段81具有不同的操作參數，諸如長度或溫度。水平板13生長方法可出於額外原因而得益於圖3至圖10說明的變薄方法。某些 資料暗示對可將板13水平製作得多薄可能存在限制。若板13被拉出或生長得過薄，則板13 可能「切斷」或破裂。此情況可能是由於熔化物10或板13中的不穩定性。另一暗示為此可 能是由熔化物10的高表面張力及低粘度引起。因此，可能使熔化物10易於發生Marangoni 效應。Marangoni效應是由於表面張力而引起的沿界面的質量轉移(mass transfer) 0具 有高表面張力的液體對周圍液體的拉動強度將高於具有低表面張力的液體的拉動強度。表 面張力的梯度的存在將致使液體流動遠離具有低表面張力的區。液體上或液體中的質量轉 移可能由於這些表面張力差異而發生。較厚的板13可更穩定或較不容易出現破裂或被「切 斷」。通過生長具有大約200 μ m或更大的厚度的板13且隨後使板13變薄至大約100 μ m 或更小的厚度，可避免Marangoni效應或其它生長問題。若將板13的變薄部分返回至熔化 物10，則無材料損失。圖3至圖10中說明的用於變薄的方法及設備可組合在一起或單獨使用。另外，除 本文揭示的實施例中列出的厚度外，板13的其它厚度亦是可能的。可通過更改參數來控制圖3至圖10中說明的變薄。這些參數可為例如冷卻板14 的溫度、熔化物10的溫度、加熱器50的操作溫度、容器16的溫度，或者板13或熔化物10 的流動或拉動速度。所述參數可由控制器回應於來自量測裝置的信號而更改。圖11是對板進行加熱的橫截面圖。在本文揭示的實施例中，對板13的平滑可使用 例如加熱器50或來自熔化物10的使板13熔化的熱而發生。局部吸收的熱與板13的局部 表面積成比例，由此優先使形成於板13的表面上的隆凸、枝蔓體或其它不規則物92熔化。 因此，可來自熔化物10或輻射的熱通量93在板13停止之前使隆凸、枝蔓體或其它不規則 物92熔化。因此，通過使板13變薄，將形成具有較小隆凸、枝蔓體或其它不規則物92或不 具有隆凸、枝蔓體或其它不規則物92的較光滑板13。板13的表面的均一性可與隆凸、枝蔓 體或其它不規則物92的大小相關。本發明在範圍上不受本文描述的特定實施例的限制。實際上，本領域技術人員自 上述描述及附圖將明了除本文描述以外的本發明的其它各種實施例以及對本發明的修改。 因此，這些其它實施例及修改當屬於本發明的範圍內。此外，儘管本文已針對特定目的在特 定環境中在特定實施方案的背景下描述本發明，但本領域技術人員將認識到其有用性不限 於此，且可出於任何種目的在任何種環境中有益地實施本發明。因此，應鑑於如本文描述的 本發明的完全廣度及精神而解釋本文陳述的申請專利範圍。
權利要求
1.一種形成板的方法，包括 將材料的熔化物冷卻；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變薄至第二厚度，所述第二厚度小於所述第一厚度。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述熔化物是選自由矽、矽鍺、鎵以及氮化鎵組成 的群。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述變薄在所述形成之後發生於所述熔化物中。
4.根據權利要求3所述的方法，其中所述變薄以至少1μ m/s的速率而發生。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述變薄在所述形成之後使用輻射加熱器而發生。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括使用溢道而自所述熔化物來分離所述板，所述 分離在所述變薄之前發生。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一厚度為200μπι且所述第二厚度為 100 μ m0
8.根據權利要求1所述的方法，還包括通過所述變薄而使所述板的表面平滑。
9.根據權利要求1所述的方法，還包括通過更改所述變薄的參數來控制所述第二厚度。
10.一種用於形成板的設備，包括容器，其界定經配置以固持材料的熔化物的通道；冷卻板，其安置於靠近所述熔化物處，所述冷卻板經配置以在所述熔化物上形成所述 材料的板；以及 輻射加熱器。
11.根據權利要求10所述的設備，其中所述熔化物是選自由矽、矽鍺、鎵以及氮化鎵組 成的群。
12.根據權利要求10所述的設備，還包括安置於所述通道中的溢道，所述溢道安置在 所述熔化物內且經配置以自所述熔化物分離所述板，其中所述熔化物流動而遠離所述板。
13.一種形成板的方法，包括在第一階段中對材料的熔化物進行冷卻，所述第一階段中的所述冷卻具有第一參數； 在所述熔化物中形成所述材料的板的第一層，所述板的所述第一層具有第一厚度及第 一溶質濃度；在第二階段中對所述熔化物進行冷卻，所述第二階段中的所述冷卻具有不同於所述第一參數的第二參數；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層，在所述第一厚度與所 述第二厚度之間的所述第二層具有高於所述第一溶質濃度的第二溶質濃度；以及 使所述板自所述第二厚度變薄至所述第一厚度。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述熔化物是選自由矽、矽鍺、鎵以及氮化鎵組 成的群。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述第一厚度在50μ m與100 μ m之間，且所述 第二厚度在150μπι與200μπι之間。
16.根據權利要求13所述的方法，還包括通過所述增加及所述變薄來降低所述熔化物 中的溶質濃度。
17.根據權利要求16所述的方法，其中自所述熔化物收集及分離由所述變薄產生的廢 熔化物。
18.根據權利要求16所述的方法，其中收集由所述變薄產生的廢熔化物且隨後將其淨 化及再循環。
19.根據權利要求13所述的方法，其中所述變薄在所述形成及所述增加之後使用輻射 加熱器而發生。
20.根據權利要求13所述的方法，其中所述第一參數及所述第二參數是選自由長度及 溫度組成的群。
全文摘要
本發明揭示一種用於形成板的方法及設備。將熔化物冷卻，且在所述熔化物上形成板。此板具有第一厚度。隨後使用例如加熱器或熔化物使所述板自第一厚度變薄至第二厚度。所述冷卻可經配置以允許溶質被截留於板的一區中，且可使此特定板變薄且移除溶質。所述熔化物可為例如矽、矽鍺、鎵或氮化鎵。
文檔編號H01L31/042GK102150283SQ200980135584
公開日2011年8月10日 申請日期2009年8月12日 優先權日2008年8月15日
發明者彼德·L·凱勒曼, 法蘭克·辛克萊, 菲德梨克·卡爾森 申請人:瓦裡安半導體設備公司