[发明专利]浮式片材制造装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造一材料片材，且特别涉及从熔体制造一结晶材料片材。

背景技术

硅晶圆或硅晶片可被应用于集成电路或太阳能电池产业中。对于太阳能电池的需求，持续随着对再生性能源(renewable energy source)的需求之增加而增加。随着这些需求的增加，太阳能电池产业的其中一个目标是降低成本对功率的比率。太阳能电池有两种，即结晶硅太阳能电池与薄膜太阳能电池。大多数的太阳能电池是用结晶硅所制成。目前，占结晶硅太阳能电池的成本最重的是晶圆，而太阳能电池便是作在晶圆上。太阳能电池的效率或在标准照明条件下所制造的功率大小会有部分受限于晶圆的品质。任何降低晶圆的制造成本但不降低晶圆品质的方法将能够降低成本对功率的比率，并使此干净能源技术能够广泛被利用。

最高效率的太阳能电池可以具有大于20％的效率，这是藉由采用电子等级的单晶硅晶圆来达成，而这样的晶圆可藉由将单晶硅人造圆柱晶块锯切成薄片而制成，其中此人造晶块是利用丘克拉斯基法(Czochralski method)所成长而成。人造晶块所切成的薄片的厚度例如小于200微米。为了维持单晶成长，人造晶块须缓慢地从容置熔体的坩埚成长，其成长速度例如小于每秒10微米。接下来的锯切制程会导致每个晶圆约200微米的锯口损失(kerf loss)或由锯身宽度所造成的损失。圆柱人造晶块亦可被方形化以利于制成一方形太阳能电池。方形化与锯口损失皆会导致材料的损耗，并增加材料成本。当太阳能电池越薄，每切割一次所造成的硅材料损耗会越大。此外，铸块切片技术的限制会使获得更薄的太阳能电池的能力受到阻碍。

其他太阳能电池是采用从多晶硅铸块锯切而成的晶圆所制成。多晶硅铸块可以用较单晶硅快的速度成长而成。然而，由于会产生较多的缺陷与晶界，因此所长成的晶圆的品质会较低，这会导致太阳能电池的效率较低。多晶硅铸块的锯切制程与单晶硅铸块或人造晶块的锯切制程同样缺乏效率。

另一个可降低硅材料损耗的解决方法为在离子布植制程后将硅铸块切割成晶圆。举例而言，氢、氦或其他惰性气体可被布植于硅铸块的表面下以形成一布植区。接着进行热处理、物理处理或化学处理以沿着布植区从铸块切出晶圆。虽然沿着离子布植区切割可产生没有锯口损失的晶圆，但此方法是否能被经济地用来制造晶圆仍有待证明。

又一个解决方法为从熔体铅直地拉出一呈薄带状的硅材，且接着让拉出的硅材冷却并固化成一薄片。此方法的硅材拉出速率可限制在低于约每分钟18毫米的范围。在冷却并固化硅材时所释出的潜热必须沿着铅直的带状硅材移除，这会在带状硅材上产生一个大的温度梯度。此温度梯度会施加应力于结晶带状硅材，且会导致低品质的多晶粒硅材的产生。带状硅材的宽度与厚度亦会受到此温度梯度的限制。举例而言，宽度会被限制在低于80毫米的范围，且厚度会被限制在180微米。

从熔体以物理方式地拉出水平的带状硅材的方法也已受到测试。在一杆体上贴附晶种，并将其插入熔体中，接着以相对坩埚边缘较小的角度将杆体与所形成的硅片拉出。此角度会与表面张力互相平衡，以避免熔体从坩埚中溢出。然而，要开始并控制这样的拉晶制程是困难的。必须有一个入口用来将晶种置入坩埚与熔体中，但这会造成热量损失。额外的热量可被加入坩埚中以补偿此热量损失，这会在熔体中产生铅直的温度梯度，而导致非层状流体流动。由于大量的热量流入溶体中，因此可采用对流气体冷却。这样的对流气体冷却是混乱的。气体与熔体的非层状流动会阻碍片状硅材的厚度控制。再者，必须进行困难度可能很高的倾斜角的调校，以平衡在坩埚边缘形成的液面的重力与表面张力。此外，由于热量是在片材与熔体之分离点处被移除，因此作为潜热被移除之热量与作为显热(sensible heat)被移除之热量之间存在突然变化，这会在沿着带状硅材的这个分界点上造成大的温度梯度，且可能造成晶体的差排(dislocation)。差排与变形可能会因沿着片状硅材的温度梯度而发生。

从熔体水平地分离出的薄片硅材的制造尚未被实行。从熔体水平地分离制造出片状硅材可能比从铸块切片出硅材具有较低的成本，且可降低锯口损失或由方形化所导致的损失。从熔体水平地分离制造出来的片状硅材可能比采用氢离子布植的铸块所切出的硅材或其他拉出带状硅材的方法具有较低的成本。再者，从熔体水平地分离出的片状硅材的结晶品质能够被提升，且其会比拉出的带状硅材的结晶品质更佳。如此的能够降低材料成本的长晶方法将会是一个降低晶体太阳能电池的成本的重要的可行步骤。因此，有需要在此领域中提出一种改良的装置与方法以用来从熔体制造出结晶片材。

发明内容