使用组合的表面冷却和熔体加热控制在熔体表面上形成的结晶板片的厚度和宽度制造技术

一种用于控制在熔体表面上生长的结晶带的厚度的设备，包括被配置为容纳熔体的坩埚；面向熔体的暴露面的冷初始化器；设置在坩埚上方且与冷初始化器位于坩埚的同一侧的分段冷却减薄控制器；和设置在与冷却减薄控制器相对的在坩埚下方的均匀回熔加热器。使用设置在熔体下方的均匀回熔加热器通过熔体对带施加热量。使用面向熔体上方的结晶带的分段冷却减薄控制器对带施加冷却。控制器对带施加冷却。控制器对带施加冷却。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用组合的表面冷却和熔体加热控制在熔体表面上形成的结晶板片的厚度和宽度
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年2月19日提交并分配有美国专利申请No.62/978,536的临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
[0003]关于联邦资助的研究或开发的声明
[0004]本专利技术是在美国能源部授予的奖励号DEEE0008132下在政府支持下完成的。政府对本专利技术享有一定的权利。


[0005]本公开涉及从熔体中形成结晶板片。

技术介绍

[0006]硅晶片或板片可用于，例如，集成电路或太阳能电池工业。以前，切割硅晶片是通过线锯从浮动区(FZ)工艺、直拉(Cz)法、利用磁场控制氧的改进的直拉法(MCz)或定向凝固(“铸造”)法制成的大硅晶锭或梨晶(boule)来制造的。
[0007]非常期望一种由多晶硅原料直接生产单晶晶片的单步、连续工艺。生产网状晶片的连续、直接晶片工艺消除了许多昂贵的下游工艺步骤(如线锯)，并且可以生产出具有比离散Cz晶锭生产更均匀的特性的晶片。不幸的是，历史上的直接硅晶片工艺无法制造出全尺寸单晶硅晶片。具体地，竖直带工艺(如边缘进给生长和线带)以及水平基板工艺(如基板上的带生长或直接晶片)可生产多晶硅晶片。一种被称为树枝状纤网的竖直带工艺显示出制造单晶晶片的能力，然而在变得不稳定之前，该工艺仅能生产窄的材料(约2英寸宽)。太阳能和半导体装置需要更大的晶片(>5英寸)来进行经济的装置制造。已执行了通过在多孔硅基板上外延生长全尺寸硅晶片来直接制造单晶硅晶片，然后将其与多孔基板机械分离。通过外延生长生产晶片是昂贵的，并且会出现少数载流子寿命(MCL)限制缺陷，诸如堆叠层错和位错。
[0008]已研究的降低太阳能电池材料成本的一种有前途的方法是浮动硅法(FSM)，它是一种水平带生长(HRG)技术，其中沿着熔体表面水平地拉动结晶的板片。在该方法中，熔体表面的一部分被充分冷却以在晶种的帮助下局部地开始结晶，然后可以沿着熔体表面拉伸(同时漂浮)以形成单晶的板片。局部冷却可以通过采用一种装置来实现，该装置快速地移除熔体表面的开始结晶的区域上方的热。在适当的条件下，可以在该区域中建立结晶板片的稳定前缘。在Cz或其他带生长工艺中无法形成琢面前缘(faceted leading edge)，而琢面前缘的形成可以增加生长界面的固有稳定性。
[0009]为了在稳态条件下维持该琢面前缘的生长，其中生长速度与单晶板片或“带”的拉动速度相匹配，可以通过结晶器在结晶区域中施加强烈冷却。这会导致形成初始厚度与施加的强烈冷却分布相称的单晶板片。在硅带生长的情况下，初始厚度经常约为1至2mm。对于诸如由单晶板片或带形成太阳能电池的应用，目标厚度可以约为200μm或更小。这需要减小
初始形成的带的厚度。这可以通过在沿拉动方向拉动带时在容纳熔体的坩埚区域上加热带来实现。由于在带与熔体接触的同时带被拉过该区域，给定厚度的带可以回熔，从而将带厚度减小到目标厚度。这种回熔方法特别适用于FSM，其中根据上文一般描述的程序形成漂浮在硅熔体的表面上的硅板片。
[0010]在FSM中，单晶片或带通常以厚度>1mm和总厚度变化(TTV)>100μm来初始化。向漂浮在熔体上的带提供了在离开熔体之前使带变薄的机会。琢面前缘可以使用强烈的气体射流冷却以及来自熔体的稳定热，导致带厚度约等于熔体表面处的气体冷却分布的宽度，该宽度大致为高斯宽度1至2mm(半高全宽(FWHM))。气体射流和/或稳定热中的任何微小的不均匀性都可能导致高达0.5mm的带厚度不均匀性。
[0011]以前，使用在坩埚和熔体下方的分布化(调整的)分段回熔加热器(SMBH)进行带减薄。这为带的较厚部分提供了更大的回熔热，以获得均匀薄带。在带的整个宽度上将带回熔至均匀薄度所需的分辨率可以约为1cm。对于太阳能晶片来说，厚度可能需要在156mm的宽度上小于200μm，TTV<30μm。这种方法的挑战是熔体是高度扩散的，会传播来自分段加热器的热量。通过将熔体深度降低至<5mm来保持所需的分辨率。然而，这个深度比自动润湿石英所需的深度(>8mm)要浅，而且润湿如此浅的熔体深度的熔体的工艺是具有挑战性的。
[0012]另一个挑战是带在带边缘附近变薄时的熔化表现。“薄化热量”扩散到带的一侧处的熔体，导致熔体过热，从而导致带宽度变窄。随着带宽度变窄，更多的这种薄化热量会导致进一步过热和进一步变窄，从而导致正反馈(即，不稳定性)，这会导致带不受控制地变窄。
[0013]图1A
‑
1D中和美国专利No.10,030,317中描述的SMBH的实施方案，其全部内容通过引用并入。图1A示出了使用SMBH的几何形状和带变窄。图1B示出了回熔热是如何使带变薄至所期望的分布的。图1C示出了获得所期望的分布所需的热量(每个横向长度)，作为各个SMBH高斯热分布的总和。在图1C中，Q是热通量，x是在带上的线性位置，Δt是作为x的函数的厚度变化，H
f
是熔化潜热，ρ是质量密度，并且V
拉出
是线性拉出速度，h
i
(x)是第i个元素的分布函数(例如，洛伦兹或高斯)。
[0014]图1D示出了各个热分布对熔体深度的依赖性，其包括图1C的热分布。重叠的高斯或洛伦兹热分布(使用热有限元法模型方便地参数化)描述了带穿过SMBH的长度时的净回熔热。在带离开熔体后，在带上进行带厚度分布测量(例如，光学地)。来自SMBH的热流进入带回熔薄化(潜热)，加上侧面上的溢出，导致熔体过热和变窄。
[0015]在没有浅熔体的情况下难以达到所期望的分辨率(尤其是在带边缘处)。然而，使用浅熔体会给润湿坩埚的石英表面造成挑战。需要技术改进以形成薄而宽的带或晶片。

技术实现思路

[0016]在第一实施方案中提供了一种用于控制在熔体表面上生长的结晶带的厚度的设备。该设备包括配置为容纳熔体的坩埚、面向熔体的暴露面的冷初始化器、设置在坩埚上方且与冷初始化器位于坩埚的同一侧的分段冷却减薄控制器，和设置在与冷却减薄控制器相对的在坩埚下方的均匀回熔加热器。分段冷却减薄控制器被配置为冷却熔体的表面。均匀回熔加热器被配置为对熔体均匀加热。
[0017]该设备可以包括两个绝缘扩散阻隔件，该两个绝缘扩散阻隔件设置在坩埚上的冷
却减薄控制器和均匀回熔加热器之间的。两个绝缘扩散阻隔件设置在熔体中，且在熔体上形成的带的相对侧上。
[0018]冷却减薄控制器可以包括多个气体射流。冷却减薄控制器还可以包括冷块和多个加热器，这些加热器可以包括在加热器之间的一个或多个隔热屏。
[0019]坩埚可以具有0.5cm以上的深度。
[0020]该设备还可以包括拉出器，该拉出器被配置为拉出形成在坩埚中的熔体表面上的带。
[0021]绝缘扩散阻隔件可以设置在冷初始化器和冷却减薄控制器之间的坩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于控制在熔体表面上生长的结晶带的厚度的设备，包括：坩埚，所述坩埚被配置为容纳熔体；冷初始化器，所述冷初始化器面向所述熔体的暴露面；分段冷却减薄控制器，所述分段冷却减薄控制器设置在所述坩埚上方，且与所述冷初始化器位于所述坩埚的同一侧，其中所述分段冷却减薄控制器被配置为冷却所述熔体的表面；和均匀回熔加热器，所述均匀回熔加热器设置在与所述冷却减薄控制器相对的在所述坩埚下方，其中所述均匀回熔加热器被配置为对所述熔体均匀加热。2.根据权利要求1所述的设备，还包括两个绝缘扩散阻隔件，所述两个绝缘扩散阻隔件设置在所述坩埚上，在所述冷却减薄控制器和所述均匀回熔加热器之间，其中所述绝缘扩散阻隔件设置在所述熔体中，且在所述熔体上形成的带的相对侧上。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述冷却减薄控制器包括多个气体射流。4.根据权利要求1所述的设备，其中所述冷却减薄控制器包括冷块和多个加热器。5.根据权利要求4所述的设备，其中所述冷却减薄控制器包括在所述加热器之间的一个或多个隔热屏。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述坩埚具有0.5cm以上的深度。7.根据权利要求1所述的设备，还包括拉出器，所述拉出器被配置为拉出形成在所述坩埚中的所述熔体的表面上的带。8.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：彼得，
申请(专利权)人：尖端设备技术公司，
类型：发明
国别省市：