使用异向性材料的热负载平衡制造技术

揭示一种使硅晶体衬底生长的装置，其包括热源、异向性热负载平衡构件、坩埚以及冷却板构件。异向性热负载平衡构件具有高导热性，可位于热源上方且经运作以便平衡从热源散发的温度及热通量变化。坩埚可经运作以容纳熔融硅，其中熔融硅的上表面可界定为生长界面。坩埚可被异向性热负载平衡构件实质上围绕着。冷却板构件可位于坩埚上方，与异向性热负载平衡构件及热源一同运作以便使熔融硅的生长表面处保持热通量均匀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使硅晶体衬底生长的装置及方法
本专利技术的实施例涉及硅晶体生长(siliconcrystalgrowth)领域，特别是涉及使用异向性(anisotropic)材料来控制硅晶体生长的热负载平衡(thermalloadleveling)。
技术介绍
随着对可再生能源的需求的增长，对太阳能电池的需求也在不断增长。因为这些需求在增长，所以太阳能电池行业的一个目标是降低成本/功率比(ratio)。以$/瓦特为单位的太阳能很昂贵，这部分归因于制造太阳能电池的成本。有两种类型的太阳能电池：硅和薄膜。太阳能电池大部分是由硅晶圆(wafers)所制成，如单晶硅晶圆，其占与制造晶体硅太阳能电池有关的成本的大部分。太阳能电池的效率，或者在标准光照下产生的功率量，部分受到此晶圆的品质的限制。目前，这类太阳能电池的生产可超过太阳能电池总成本的40％。因此，以有效降低成本的方式来生产高品质太阳能晶圆能够降低太阳能总成本。鉴于上述及其他考虑，需要进行本文所提出的改进。
技术实现思路
“
技术实现思路
”旨在简要提出概念的选定，这些概念将在“实施方式”中做详细说明如下。“
技术实现思路
”并非用以鉴别申请专利范围标的之关键特征或必要特征，也非用以协助确定申请专利范围标的之技术方案范围。各种实施例主要是指向用来制造太阳能电池的硅晶圆生产用的硅晶体生长。在一实施例中，揭示了一种使硅晶体衬底(substrate)生长的装置，其包括热源、异向性热负载平衡构件、坩埚(crucible)以及冷却板构件。坩埚是用来容纳熔融硅(moltensilicon)，其中熔融硅的上表面界定为生长界面(growthinterface)。异向性热负载平衡构件具有高导热性，其配置于热源与坩埚之间。异向性热负载平衡构件经运作以便平衡从热源散发的温度及热通量(heatflux)变化。冷却板构件位于坩埚上方，以便吸收来自熔融硅的热量，从而使熔融硅结晶成硅晶体衬底。在另一实施例中，一种使硅晶体衬底生长的方法包括在坩埚内装入熔融硅，其中熔融硅的上表面的一部分界定为生长表面。使用热源对坩埚及坩埚内的熔融硅进行加热。经由配置于热源与坩埚之间的被动(passive)热负载平衡异向性材料来调节从热源入射到坩埚表面上的热量。对熔融硅的生长表面上方的区域进行冷却，以使得生长表面处保持热通量均匀。附图说明图1是根据本揭示一实施例所显示的一种浮硅法(FSM)装置的方框图。图2是根据本揭示另一实施例所显示的一种浮硅法(FSM)装置的方框图。图3是根据本揭示一实施例所显示的与图1所示的装置有关的逻辑流程图。图4是根据本揭示另一实施例中所显示的与图2所示的装置有关的逻辑流程图。图5显示描绘品质因素(figureofmerit,FM)关系的曲线图。图6显示适用于实施本揭示各种实施例的示例性电脑系统600的一实施例。具体实施方式下面将参照附图来对本专利技术进行全面说明，其中这些附图显示了本专利技术的较佳实施例。然而，本专利技术也可以许多不同的形态来体现，而不应理解成限于本文所列举的实施例。确切地说，提供这些实施例是为了使揭示的内容更透彻更完整，且将本揭示的技术方案范围更全面地传达给本领域普通技术人员。在整个附图中，相同的元件符号代表相同的元件。各种实施例都指向一种热负载平衡构件，其配置在热源与坩埚之间，以便协助平衡热源所产生的温度及热通量变化，其中坩埚内容纳制造硅晶圆所用的熔融硅。在一些实施例中，也可在坩埚内使用泵装置和挡板(baffle)结构来促使熔融硅均匀流动，以进一步平衡温度及热通量变化。在使硅晶体衬底(如太阳能电池用的硅光伏(photovoltaic)衬底)生长时，可采用浮硅法(floatingsiliconmethod,FSM)。根据
技术介绍
可以看出，采用浮硅法的硅晶体生长类似于当气温降到水的凝固点以下时池塘里如何结冰。在池塘的表面形成固态冰表面，以及随着时间的推移根据池塘表面的气温和当时的水温而向下“生长”到较暖的水里。浮硅法硅晶体生长通常包括装有熔融硅的坩埚，此坩埚从低温被加热，再从高温冷却下来。冷却构件使得熔融硅从其上表面开始凝固，此上表面称为生长区。硅晶体衬底的生长向下延伸到熔融硅内。因此硅晶体的生长速率取决于熔融硅和冷却构件的温度。当硅垂直向下生长时，也会沿着水平方向朝坩埚外以及朝着远离加热源和冷却源的方向进行拉晶(pull)或运送(transport)。通过对影响熔融硅的温度梯度进行精确控制，硅晶体可以恒定的速率生长，且可以恒定的速率进行拉晶或运送以确保硅晶体衬底的相对均匀的厚度。因此，于生长区中保持水平均匀的温度条件是有利的。理想的是，垂直生长速率应当尽可能均匀。这可藉由使相对于生长表面的垂直热通量保持近似恒定来达成。硅晶体衬底的上表面的温度应当保持低于生长表面的温度，以便移除能量。温差应当相对小，以使得硅晶体衬底内的应力(stress)最小化。然而，当热源经历空间温度变化时，保持这种状态可能会很麻烦。具体而言，用来加热熔融硅的热源会在熔融硅上产生温度梯度。在浮硅法系统的适当位点处加装热负载平衡构件能够大大平衡热源的温度及热通量变化，从而平衡熔融硅的温度。通常，热通量是指通过指定表面的热能转移速率。在国际单位制(InternationalSystemofUnits,SI)中，热通量是以瓦/平方米(W/m2)来进行测量，表示每单位面积的热能转移速率。最常用的热通量测量方式是对一块已知导热率的材料进行温差测量，其中导热率代表材料的导热能力。高导热率材料之间的传热速率比低导热率材料之间的传热速率快。高导热率材料可应用于热源。加热速率单位的国际单位制为焦耳每秒或瓦特。加热速率是标量(scalarquantity)，而热通量是向量(vectorquantity)。因为热能经引导而朝向熔融硅，所以浮硅法系统中用来平衡温度及热通量变化的热负载平衡构件应当是高异向性的。异向性是指与方向有关的特性，同向性(isotropy)则相反，其表示在所有方向上都具有相同的特性。异向性可定义为当沿着不同的轴来进行测量时材料的物理特性或机械特性(包括导热性)的差异。在异向性材料中沿着高导热率方向的温度变化往往会被消除，因为在此方向上传热较快。这有助于平衡不均匀热源所造成的温度及热通量变化，进而使得用来制造太阳能电池或其他设备的硅晶体衬底能够更均匀、更高品质地生长。图1是根据本揭示一实施例中所显示的一种浮硅法装置100的方框图。此浮硅法装置100通常是用来使硅晶体衬底120从熔融硅116生长出来。装置100包括热源110，此热源110可包括(例如)石墨。在一实施例中，石墨热源110可具有约2mm的厚度，且导热率(k)值约为4W/mK(wattspermeter-kelvin)。坩埚114是用来容纳熔融硅116，坩埚114可包括石英。在一示例性实施例中，坩埚114可具有约5mm的厚度，且导热率(k)值约为4W/mK。异向性热负载平衡构件112配置于热源110与坩埚114之间。此异向性热负载平衡构件112至少部分围绕着坩埚114，其可包括热解石墨(pyrolyticgraphite)，其中热解石墨是高异向性材料。在热解石墨中，碳原子形成一种结构：在一个方向上其特征为具有六边形排列的碳原子的平面层，而在垂直于此平面层的方向则包括随机定位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，其特征在于包括：热源；坩埚，配置于所述热源上方且经运作以容纳熔融硅，其中所述熔融硅的上表面界定为生长界面；异向性热负载平衡构件，配置于所述热源与所述坩埚之间，且经运作以便平衡从所述热源散发的温度及热通量变化；以及冷却板构件，位于所述坩埚上方，且经配置以便吸收来自所述熔融硅的热量，从而使所述熔融硅结晶成硅晶体衬底。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.11.09 US 13/292,4101.一种使硅晶体衬底生长的装置，其特征在于包括：热源；坩埚，配置于所述热源上方且经运作以容纳熔融硅，其中所述熔融硅的上表面界定为生长界面；异向性热负载平衡构件，配置于所述热源与所述坩埚之间，且经运作以便平衡从所述热源散发的温度及热通量变化；冷却板构件，位于所述坩埚上方，且经配置以便吸收来自所述熔融硅的热量，从而使所述熔融硅结晶成硅晶体衬底；挡板结构，配置于所述坩埚内；以及泵设备，包含于所述坩埚内，且经运作以便引导所述熔融硅流经所述泵设备并围绕着所述坩埚内的所述挡板结构而流动，其中所述异向性热负载平衡构件在第一方向上具有第一导热率，且在第二方向上具有第二导热率，所述第一导热率大于所述第二导热率，且所述异向性热负载平衡构件的任何指定点的所述第一方向都平行于所述坩埚的表面，且所述异向性热负载平衡构件的任何指定点的所述第二方向都垂直于所述坩埚的表面。2.根据权利要求1所述的使硅晶体衬底生长的装置，其中所述硅晶体衬底沿着从所述生长界面垂直向下的方向生长。3.根据权利要求1所述的使硅晶体衬底生长的装置，其中所述坩埚被所述异向性热负载平衡构件围绕着。4.根据权利要求1所述的使硅晶体衬底生长的装置，其中所述异向性热负载平衡构件是包括热解石墨的被动构件。5.根据权利要求4所述的使硅晶体衬底生长的装置，其中所述热解石墨为10mm厚。6.根据权利要求1所述的使硅晶体衬底生长的装置，其中所述坩埚包括石英。7.根据权利要求6所述的使硅晶体衬底生长的装置，其中所述石英为5mm厚。8.根据权利要求1所述的使硅晶体衬底生长的装置，还包括支撑台，所述支撑台位于所述坩埚的一端附近且经配置以便在所述硅晶体衬底从所述坩埚被拉晶过来时支撑着所述硅晶体衬底。9.一种使硅晶体衬底生长的方法，其特征在于包括：在坩埚内装入熔融硅，其中所述熔融硅的上表面的一部...

【专利技术属性】
技术研发人员：菲德梨克·M·卡尔森，布莱恩·T·海伦布鲁克，
申请(专利权)人：瓦里安半导体设备公司，
类型：发明
国别省市：美国;US