通过外延沉积的硅晶片制造技术

一种通过硅前体消耗模式中的外延沉积与交叉流沉积来沉积薄的单晶硅晶片的系统，其可包括：具有低总热量、高发射率和小体积的衬底载体；具有快速升温、高效产热、和加热空间控制的灯模块；以及为交叉流处理而设计的歧管。此外，衬底载体可包括热反射器，以控制从载体边缘的热损失和/或控制热阻挡件，以使载体与歧管热绝缘，使歧管可进行的独立的温度控制。载体和衬底可配置成在衬底的两侧进行沉积，衬底在两侧上具有剥离层以及载体配置成在衬底在两侧上具有均等的工艺气流。通过一种包括多个微型批量处理反应器的沉积系统可处理高容量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在外延反应器中的硅衬底上外延沉积硅晶片的方法相关申请的相互参照本申请要求于2011年5月27日提出的申请号为61/491,152的美国临时专利申请的权益，其整体引入本文作为参考。
本专利技术大体涉及硅晶片的制造，更具体地说，涉及通过外延沉积的硅晶片的制造。
技术介绍
晶体硅在商业生产环境中提供具有高达约23％的太阳能电池效率η，同时在与薄膜太阳能电池（诸如CIGS,CdTe等等）相比下具有在（a）可用性、（b）环境友好性、以及（c）显示出使用寿命长和相关技术成熟性方面的优点。然而，晶体硅传统上比竞争的薄膜电池板具有较高的光伏模块成本（该模块是实际生成电力并包括保持若干太阳能电池的框架的单元，所述太阳能电池以串联方式电连接在一起，然后与变换器连接）。该成本的很大一部分来自于硅晶片的制造成本（目前厚度为～180微米），其中包括多晶硅生产、结晶块成型和切片（线锯切割结晶块并精加工所切割的晶片）的成本。薄膜工艺（非晶硅，CIGS和CdTe）近年来引起搔动，因为其成本因耗材较少和大幅面、综合加工而潜在地低于晶体硅。然而，大体而言，薄膜光伏（PV）模块具有的效率通常比晶体硅模块的低得多。典型的单晶模块具有15-16％的效率（而某些模块可高达20％），而薄膜模块的最佳情况在目前是11％。此外，大多数薄膜工艺的成本优势没有被确实地证实。因此，晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）赢得超过80％份额的现有光伏市场，在2010年约为14GW。（PV模块的数量通常由它们的总功率输出来计，即以瓦数计）。低于$2.50/Wp（Wp为峰值瓦数，指的是可达到的最大功率）的PV模块总安装成本在今天是具有吸引力的，因为它在世界上许多地方代表了电网平价与适度诱因。（电网平价是指来自PV模块的每瓦成本与在电力配电网上所得的相同，其中典型的电网通过多种电源来馈给，诸如煤、石油和天然气发电站。）制造商特别有效地降低传统晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）技术的制造成本-硅PV模块的价格业已从2006年的超过4美元/Wp下降到2010年的约1.80美元/Wp。PV硅晶片，电池和模块的最经济高效的综合制造商具有的用于PV模块的售货成本（制造PV模块的成本，包括材料、人工和间接费用）接近1.10美元/Wp。在过去四年中的成本的降低部分是归因于以下的技术改进。第一，由于太阳能电池厚度的减小和通过较低的锯口损耗而改善了晶片切割过程，硅的用量已经从每瓦10gm减少到每瓦约6.5gm。第二，业已通过细线印刷、改进的前侧反射和钝化控制、较高质量（使用寿命更长）的材料等等来提高了电池效率。平均的硅电池效率业已从约14％提高到17％，且许多制造商业已发表他们的单晶硅PV电池的电池效率为18％。第三，制造业得到更充分的整合：出现的趋势为结合硅PV模块制造过程（多晶硅、硅晶片、电池和组件）的各个部分以得到更大的成本效益，而且现在容许在世界各地接触系统集成商和安装商。例如，2010年的整合式制造导致的成本结构为PV模块给出了约1.10美元的售货成本。很显然，在可预见的将来，单晶硅PV模块可以继续作为PV中的主要商品，并随着电网平价的达成而将可与薄膜PV技术有效地竞争，只要单晶硅PV模块生产可继续进行进一步的成本降低。然而，进一步降低成本的来源并不会立即显现出来。PV电池和模块的成本通过使用大规模的生产设备而趋向渐近水平以及单晶硅电池效率业已达到接近19％，而电池效率的进一步提升可能仅以增加成本的方式来实现。然而，进一步的成本降低可能来自硅成本和切片成本的显著下降，因为它们现在是模块成本结构的最大部分。硅和切片成本可通过以下各项来降低：（a）进一步降低多晶硅生产成本，（b）改进晶体生长过程和/或（c）通过高产量和低切口损耗法将硅晶片切得更薄。同样地，连续的柴氏长晶法可以提供递增的成本改进，但成本的大幅削减是不可能的。然而，将硅晶片切成小于180微米一直被较低产量和不成比例的切口损耗所困扰，因为线锯技术开始达到根本的机械极限。因此，减少硅的用量要求寻找新的技术，其可完全绕过多晶硅、结晶块和切片步骤。绕过这些步骤的另一动机是，多晶硅是目前阻碍扩充硅PV模块产能的步骤，主要是归因于仅与多晶硅步骤相关的资金成本。事实上，多晶硅、结晶块和切片的资金成本（制造的一次性设置成本）支配了生产硅PV装置的总资金成本。多晶硅、结晶块和切片不仅具有最高的资本成本（约占用于设立生产太阳能电池模块的总共3美元/Wp中的2美元/Wp），它们也在土地、气体、水等等方面也需要最多的基础建设。由上述可见，晶体硅PV产业在降低成本和保持与薄膜PV的竞争力方面业已有了长足的进步。但是，为了达到约为0.08美元/kWh（相当于约2美元/Wp）的未受补贴的电网平价，晶体硅PV晶片的总售货成本需要降低至约0.80美元/Wp，这就是使晶体硅PV模块的系统安装成本达到2美元/Wp所必需的。对于传统的硅PV技术（一种已经受益于由源自传统的硅半导体行业的大量生产和创新而导致的成本降低的技术）而言，该种降低很困难。因此，显而易见的是，本领域需要更便宜的新工艺，其可替代目前的与多晶硅、结晶块和切片相关的昂贵工艺，并伴随着附带的降低的资本成本。用于PV模块生产的晶体硅衬底的外延沉积使得可大大地简化供应链，即省去对多晶硅、结晶块和切片的需要。然而，难题是要以与制造单晶硅晶片的传统工艺相同（如果不能更低的话）的成本来使用外延沉积过程。硅薄膜的外延沉积是在诸如集成电路的半导体器件的制造中常见的工艺步骤。为了达到高产率的集成电路，该外延沉积步骤要求所沉积的硅要非常高质量且具有非常严格的厚度均匀性。这只能以较低的沉积速率来实现，因此，大多数半导体外延反应器是为高度均匀的、0.1至1微米/每分钟的低缺陷沉积速率而优化。目前，几乎所有先进的高性能CMOS（互补金属氧化物半导体）器件都是构建在这种外延层上。在半导体工业中使用的大多数传统的外延批量处理反应器依赖扩散来将反应物（诸如三氯硅烷（TCS）和氢）供给到晶片的中心，其自然地导致在晶片边缘上的TCS的浓度较高，因为气流典型地会沿着晶片堆的周边流动。因此，为了保持在晶片内和晶片到晶片的薄膜厚度均匀性，所述反应器必须在较低温度下以反应速度有限的状态运行，其中的沉积速率会低得多。此外，对于沉积薄的外延膜而言，其中的薄膜质量和均一性是非常重要的，而且设备的价值可以适应高工艺成本，高温外延生长通常是在单一晶片反应器中使用的。在该种高温过程中，TCS的化学气相沉积（CVD）是在传质有限的状态下完成，其中的生长率取决于TCS跨越边界层的对反应表面的质量传递。然而，单晶片的高温处理成本抑制了除了非常高价值的器件（诸如尖端处理器）之外的所有器件。为了绕过依赖反应物扩散的反应器的限制，某些半导体外延反应器设计成通过形成稳定的在整个层上具有恒定可用性的前体物质的边界层来使得在整个晶片的表面上具有恒定的生长速率。这通常可利用以下技术来实现。第一，转动晶片，这确保气体速度和边界层在整个晶片表面上为恒定。然而，必须要转动晶片这一情况会使反应器类型限于单晶片反应器或小型批量处理反应器。第二，提供充足供应的TCS，以致于TCS可存在于反应物表面附，近而不会产生前体消耗。这可通过以多个前体气体注入点使沉积室充满TCS来实现。因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在外延反应器中的硅衬底上外延沉积硅晶片的方法，所述方法包括以下步骤：设置装在衬托器中的多个第一硅衬底，所述衬托器组装在衬底载体中，所述衬底载体配置成保持具有沉积表面的所述硅衬底，所述沉积表面平行且在气体流道的任一侧上对置，以使所述硅衬底的对置表面暴露于前体气体；使硅前体气体在所述硅衬底的表面上流动，所述流动平行于所述衬底的表面，所述流动在位于所述衬底载体的相对端的第一和第二气体歧管之间是线性的；以及在前体气体流经所述流道时，加热所述衬底载体，以使前体气体在所述衬底的表面上分解；其中所述衬底载体具有两个平行的端盖，所述端盖在与气流垂直的方向上限定所述流道的范围。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.27 US 61/491,1521.一种在外延反应器中的硅衬底上外延沉积硅晶片的方法，所述方法包括以下步骤：设置装在衬托器中的多个第一硅衬底，所述衬托器组装在衬底载体中，所述衬底载体配置成保持具有沉积表面的所述硅衬底，所述沉积表面平行且在气体流道的任一侧上对置，以使所述硅衬底的对置表面暴露于前体气体；使硅前体气体在所述硅衬底的表面上流动，所述流动平行于所述衬底的表面，所述流动在位于所述衬底载体的相对端的第一和第二气体歧管之间是线性的；以及在前体气体流经所述流道时，加热所述衬底载体，以使前体气体在所述衬底的表面上分解；其中所述衬底载体具有两个平行的端盖，所述端盖在与气流垂直的方向上限定所述流道的范围；其中，所述设置包括将所述多个第一硅衬底装载入所述衬托器内，所述装载包括将所述衬底的底缘放置入所述衬托器中的第一槽内以及将第二槽放置在所述衬底的顶缘之上，所述顶缘和底缘在所述衬底载体内对准成垂直于通过所述气体流道的气流方向，所述第一和第二槽的部分悬伸在所述衬底的所述顶缘和底缘上，以便为所述顶缘和底缘屏蔽通过所述气体流道的气流。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述硅衬底包括位于所述前体气体所流经的表面之上的剥离层。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述衬底载体包括在所述衬底的外围并沿与穿过所述气体流道的气流的方向平行的方向延伸的热反射器。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括分开地加热所述衬底载体的端盖。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述加热来自线性加热灯，所述加热灯定位在所述衬底载体的任一侧上，并与所述端盖邻接及对齐。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括加热所述第一和第二气体歧管。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述加热来自线性加热灯，所述加热灯定位在所述衬底载体的任一侧上，并与所述第一和第二气体歧管邻接及对齐。8.一种在外延反应器中的硅衬底上外延沉积硅晶片的方法，所述方法包括以下步骤：设置装在衬托器中的多个第一硅衬底，所述衬托器组装在衬底载体中，所述衬底载体配置成保持具有沉积表面的所述硅衬底，所述沉积表面平行且在气体流道的任一侧上对置，以使所述硅衬底的对置表面暴露于前体气体；使硅前体气体在所述硅衬底的表面上沿从第一气体歧管到第二气体歧管的第一方向流动，所述第一气体歧管和所述第二气体歧管位于所述衬底载体的相对端上，所述流动平行于所述衬底的表面，所述流动在所述第一和第二气体歧管之间是线性的；使硅前体气体在所述硅衬底的表面上沿从所述第二气体歧管到所述第一气体歧管的第二方向流动，所述第一气体歧管和所述第二气体歧管位于所述衬底载体的相对端上，所述流动平行于所述衬底的表面，所述流动在所述第一和第二气体歧管之间是线性的；以及在前体气体流经所述流道时，加热所述衬底载体，以使前体气体在所述衬底的表面上分解；其中所述衬底载体具有两个平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：V·斯瓦拉马克瑞希楠，T·S·拉维，A·卡祖巴，Q·V·特鲁翁，J·R·瓦特斯，
申请(专利权)人：晶阳股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US