在熔体的表面上达成持续的非等向性晶体成长的方法技术

一种自熔体上水平带材生长的方法，包括在熔体的表面上利用辐射冷却形成带材的前侧边缘；沿着熔体的表面在第一方向上拉起带材；以及在邻近带材的前侧边缘的区域中以热移离速率来移除自熔体辐射的热，所述热大于流经熔体至带材内的热。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自熔体水平带材生长及自熔体形成材料的带材的方法
本专利技术属于一种制作基板的领域，尤其是涉及一种自熔体表面上的带材移除热的系统、方法与结构。
技术介绍
硅晶片或板材可用于例如集成电路或太阳能电池行业中。随着对再生能源的需求提高，对太阳能电池的需求也持续提高。随着这些需求提高，太阳能电池行业的一个目标为降低成本/功率比。存在两种类型的太阳能电池：硅(silicon)与薄膜(thinfilm)。大部分太阳能电池是利用硅晶片(诸如单晶硅晶片)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片。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片的质量限制。在不降低质量的情况下，晶片制造成本的任何降低均将降低成本/功率比，且能够使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硅晶片制造。所述晶片可藉由将使用柴氏拉晶法(Czochralskimethod)生长的单晶硅圆柱形晶块切割成薄片来制造。这些薄片的厚度可小于200μm。随着太阳能电池变薄，每次切割的硅废料百分比提高。然而，切锭技术(ingotslicingtechnology)本身的限制可能阻碍获得较薄太阳能电池的能力。制作用于太阳能电池的晶片的另一种方法为从熔体垂直拉起薄硅带，接着使拉起的硅冷却且固化成薄片。所述方法的拉取速率可能限于小于约18mm/分钟。在硅冷却及固化期间所移离的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，且会产生不良质量的多晶粒硅。硅带的宽度及厚度亦可能因所述温度梯度而受限制。藉由分离熔体垂直制作板材(或硅带)相较于硅晶切锭更为便宜。早期尝试水平带材生长(horizontalribbongrowth，HRG)需要通过使用氦气(helium)对流气体冷却，以达到拉起带材所需的连续表面生长。这些早期尝试的方法尚未达到制作可靠且快速地拉宽带材为均匀厚度的目标(即生产价值)。鉴于上述，可以理解需要一种改良的装置及方法，以从熔体制作水平成长的硅板材。
技术实现思路
将于下面以简化形式描述本
技术实现思路
的概念选择，并于详细描述中作更进一步的描述。本
技术实现思路
并不意在识别所主张的目标物的关键特征或基本特征，也不是在协助确定所主张的目标物的范围。在一实施例中，自熔体水平带材生长的方法包括利用辐射冷却熔体的表面，以形成带材的前侧边缘。此方法亦包括于第一方向沿着熔体的表面拉前侧边缘，以及以热移离速率移离自熔体辐射的热，所述热大于流经熔体至带材内的热。在另一实施例中，自熔体形成第一材料带材的方法包括提供结晶种子于熔体中。此方法还包括提供流经熔体的热qy″，热qy″超出熔体的结晶过程中溶质分离造成的组成不稳定区间(constitutionalinstabilityregime)；设定邻近熔体的表面的一低温板材的温度Tc低于第一材料的熔化温度Tm，以致于来自熔体的表面的辐射热流q″辐射-液态大于流经熔体的热流qy″；以及沿着垂直于低温板材的长轴的路径拉结晶种子。附图说明图1显示一种水平带材成长的情况。图2呈现一种不同热流条件计算的硅生长行为的图形化描述。图3显示一种符合本实施例进一步详述由熔体生长硅的生长区间的图示。图4显示一种晶态硅种子位于硅熔体的表面区域的情况。图5概略显示一种硅生长的情况。图6显示一种符合本实施例的硅种子启动各向异性晶体生长的概略示意图。图7A与图7B显示一种模拟硅生长的示意图，其中低温板材配置在硅熔体上。图8A与图8B显示进一步仿真硅生长的示意图。图9A至9D显示一种符合本实施例的用于控制硅带宽度的流程。具体实施方式本专利技术将以显示较佳实施例的图示作为参考来作充分介绍。然而，此专利技术可以采用不同形式实施，但本专利技术不应该被限制在本文所列的实施例。相反地，这些实施例将会充分且完整地阐述本专利技术的范围给本领域中具有通常技术的人。在图标中，相同的组件将会在整个说明书中以相同的标号加以说明。为了解决上述方法的不足之处，本实施例提出一种创新且新颖的晶体材料(且特别是一种单晶材料(monocrystallinematerial))水平熔体生长技术与系统。在多个实施例中，揭示了藉由水平熔体生长以形成单晶硅的板材的方法。然而，在其他实施例中，本文中所述的方法可应用于例如锗(germanium，Ge)以及硅合金的水平熔体生长。本专利技术所揭示的方法针对形成长型单晶板材，此长型单晶板材藉由于一般水平方向拉取而从熔体提取出来。此种方法是关于硅或硅合金的薄单晶板材沿着熔体的表面区域拉取的水平带材生长(horizontalribbongrowth，HRG)方法。带材形状可以通过延展拉取方式而获得，以致于带材的长度方向与拉取方向对齐。在此之前，HRG的发展致力于包括利用辐射冷却以形成硅晶板材。值得注意的是，在熔化温度为1412℃时，固体硅的发射率(emissivity)εs约是液体硅ε1的三倍。在此方式下，将优先从固态移离热而不是液态，其形成稳定的结晶化的必要条件。然而，介于固体硅和液体硅之间的巨大发射率差值εs-ε1亦导致很难达到熔体表面的快速凝固。因此，迄今尚未开发藉由水平熔体生长以形成单晶硅板材的实用方法。在本实施例中，第一次提出一些方法，其中对于从熔体水平提取固体硅(例如HRG处理)可达成稳定晶体生长和快速生长的条件。特别是，本实施例提供调整跨过介于硅晶体的缓慢稳定各向同性生长条件以及沿熔体表面的高度各向异性生长条件之间的转变的过程范围中的过程条件的能力，其中需要沿熔体表面的高度各向异性生长条件以获得持续地拉取结晶板材。本专利技术人也已经确认这种转变取决于流入(经过)熔体的热(稳定的晶体生长所必需)与热移离之间的平衡，其可藉由辐射传热至配置靠近于熔体表面的低温材料而发生。可以理解的是，稳定的晶体生长需要充足的热流经熔体，以克服任何由可能发生于冷却过程中的溶质分离(segregationofsolutes)所造成的组成不稳定(constitutioninstability)。此种条件可通过关于沿一个方向y流经熔体的给定的热的温度梯度dT/dy来表示：其中C0为在熔体中的溶质浓度，D为在熔体中的溶质扩散速率，k为分离系数，m为液相线的斜率以及v为生长速率。举例而言，对于典型的电子级硅的硅熔体，铁(Fe)的浓度可以是10-8Fe原子/Si原子的等级。对于Si熔体中的溶质Fe，k＝8×10-6，D约为1×10-7m2/秒以及m约为1000K/部分(fraction)。因此，对于生长率v＝6μm/秒，在熔体中所需的温度梯度是约1K/cm，相当于约0.6W/cm2的热传导。当然，其他的溶质亦可存在于熔体中。详细而言，在各种实施例中，可定义处理窗口(processwindow)，其中组成稳定的晶体生长条件与适合HRG的高度各向异性晶体生长条件在相同的时间发生。特别是，对于默认材料系统，可定义组成稳定性的处理区域，如上面简要讨论关于公式(1)。在组成稳定性的处理区域中，各向异性生长的区域可进一步于接下来详细地讨论与定义。这两个区域的重叠部分定义为处理窗口，可称为“生长区间(growthregime)”，其中可发生由熔体组成稳定各向异性生长结晶层。在揭示文件“于硅熔体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自熔体水平带材生长的方法，包括：于熔体的表面利用辐射冷却形成带材的前侧边缘；于第一方向沿着所述熔体的表面拉起所述带材；以及在邻近所述带材的所述前侧边缘的区域中以热移离速率来移除自所述熔体辐射的热，所述热大于流经所述熔体至所述带材内的热。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.17 US 13/398,8741.一种自熔体形成第一材料的带材的方法，包括：提供结晶种子于熔体中；提供流经所述熔体的热qy”，所述热qy”超出所述熔体的结晶过程中溶质分离的组成不稳定区间的热；设定邻近于所述熔体的表面的低温区域的温度Tc低于第一材料的熔化温度Tm，以致于流自所述熔体的表面的辐射热q”辐射-液态大于所述热qy”；以及沿着一路径从所述低温区域拉起所述结晶种子，其中所述热qy”沿着从所述熔体的底部至所述熔体的表面的方向引起温度梯度dT/dx，使得其中Co为在所述熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·L·凯乐门，孙大为，布莱恩·H·梅克英特许，
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