CN101503820A - 用于制造半导体晶圆的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了半导体晶圆(144)。半导体晶圆包括具有由预定图案(306)定义而来的大致上均匀结晶的本体。该半导体晶圆通过以下来制造：应用(202)脱模涂层(124)至定位装置材料(102)的上表面(118)，在脱模涂层的上表面之上施加(203)至少一种半导体材料(112)的至少一层，将定位装置材料、脱模涂层、以及至少一种半导体材料引入(204)到预定的温度梯度以形成至少一层半导体材料层的至少上表面的熔融体(126)，以及根据预定图案形成(205)至少一个局部冷点(142)。

Description

用于制造半导体晶圆的方法和设备
技术领域
本发明大体上涉及半导体薄片(sheet)，以及更加具体地涉及用于制造半导体晶圆的方法和设备。
发明背景
由半导体材料形成的晶圆用于多种应用，并且若非全部至少大部分这样的应用需要越来越多数量这样的晶圆。例如，光生伏打系统的使用已经变得更加普遍并且在能源生产中变得更加重要。而且，因此预期光生伏打系统的使用将会显著增长。至少一些已知的光生伏打系统使用例如由单晶或多晶硅组成的衬底等的半导体衬底。然而，光生伏打技术的使用可能受到使用在光生伏打系统中的半导体晶圆的成本限制。
存在多种用于制造半导体晶圆的制造方法。在至少一个已知的制造方法中，用于太阳能电池的多晶硅晶圆通过在惰性气氛中熔融高纯材料生产。在这种方法中，冷却得到的熔融硅以形成多晶锭，然后用线状锯或内径刀片把多晶锭切成薄片以生产期望的厚度与尺寸的晶圆。
生产晶圆的其他已知制造方法依靠在熔融半导体材料内晶体的随机形核。通常这种方法生产低成本晶圆，但是因为控制熔融半导体材料的形核是困难的，通常这种晶圆的品质低。通常在光生伏打电池内使用低品质的晶圆会降低这种电池的效率。而且，因为控制半导体材料的形核是困难的，通常制造这种晶圆的成本比用其他制造方法的高。
发明内容
一方面，提供了一种用于制造半导体晶圆的方法。该方法包括在定位装置(setter)材料的一部分之上施加半导体材料层，将定位装置材料和半导体材料引入到预定的热梯度中以形成熔融体，其中该热梯度包括预定的形核和生长区域，以及在形核和生长区域中形成至少一个局部冷点以在至少一个期望的位置诱发晶体形核。
另一方面，提供了一种用于制造晶圆的方法。该方法包括：提供定位装置，施加脱模涂层至定位装置的上表面，在脱模涂层的上表面之上沉积半导体材料，通过引入脱模涂层和半导体材料到预定的温度梯度来形成熔融体，以及对熔融体施加热图案(thermal pattem)以在至少一个期望的位置诱发形核。
另一方面，提供了一种半导体晶圆。该晶圆包括具有大致上均匀的由预定图案定义的结晶的本体。该晶圆通过在定位装置的上表面上施加脱模涂层，在脱模涂层的上表面上施加至少一种半导体材料的至少一层，将定位装置材料、脱模涂层、以及至少一种半导体材料引入到预定的温度梯度中以形成该至少一层半导体材料层的至少上表面的熔融体，以及根据预定图案形成至少一个局部冷点。
附图说明
图1是可用于制造半导体晶圆的示范性制造设备的示意图；
图2是说明使用在图1中示出的制造设备制造半导体晶圆的示范性方法的流程图；
图3是就图1中示出的设备可使用的示范性排热装置的图示；
图4是就在图1中示出的设备使用在图2中示出的方法而可使用的示范性图案的图；以及
图5是就图1中示出的设备使用在图2中示出的方法而可使用的备选图案的图。
部件标号说明：
 
100 设备 138 卸载区域
102 定位装置 140 热分布
104 辊子 142 局部冷点或预定位置
108 给料斗 144 半导体晶圆
110 刮刀 200 方法
112 半导体材料 201 提供定位装置
114 热源或热处理设备 202 向定位装置施加脱模涂层
116 加热/冷却区域 203 沉积半导体材料
118 定位装置上表面 204 移动定位装置穿过温度梯度
122 排热装置 205 向熔融体应用热图案
124 脱模涂层 302 冷却层
126 熔融体 304 隔热层
128 熔融体上表面 306 图案
130 预热区域 308 第一表面
132 熔融区域 310 第二表面
134 结晶区域 400 图案
136 冷却区域 402，502 暗的点和/或线(凸起或伸长部分)
500 图案 404，504 平坦的和/或凹陷的部分
具体实施方式
目前，硅是半导体晶圆的制造中使用的最常用的半导体材料，也称作给料，之一。因此，本文所用的术语“半导体”和“半导体材料”是指基于硅的元件和硅材料。然而，如本领域内普通技术人员容易理解的，除硅材料之外的和/或包括非硅材料的其他半导体材料可以使用本文说明的设备和方法制造。尽管本文只说明了使用硅粉末给料以用于制造硅薄片中，可使用液态硅给料和/或结晶硅给料而没有偏离本发明。
图1是可用于制造半导体晶圆的示范性制造设备100的示意图。在示范性实施例中，制造设备100是包括能够以不同温度条件工作的多个区域的可控气氛炉。在示范性实施例中，制造设备100包括多个辊子(roller)104、给料斗108、刮刀110和加热/冷却区域116。而且在示范性实施例中，定位装置102由辊子104推进以使得定位装置102能够在给料斗108下移动，给料斗108沉积期望的半导体材料的量112以及任何期望的添加剂至定位装置102上表面118的一部分。更具体地说，在该示范性实施例中，至少一层半导体材料112沉积在上表面118上。在备选实施例中，第二给料斗(未显示)可用于在上表面118的一部分和/或之前沉积在定位装置102上的材料层之上分配另外的半导体材料112。然后包含半导体材料112的那部分定位装置102在刮刀110下方移动并且移入加热/冷却区域116。
在示范性实施例中，加热/冷却区域116包括至少一个热处理设备114。热处理设备114向加热/冷却区域116提供热能，并且从而将热引至区域116内的任何东西。可使用任何能够使制造设备100如本文说明的那样起作用的热源。在示范性实施例中，加热/冷却区域116还包括至少一个排热装置122。排热装置122从位于加热/冷却区域116内的物体去除热量。
优选地在制造设备100的内部维持惰性气氛。更加具体地，在示范性实施例中，制造设备100的内部被密封便于防止惰性材料从制造设备100内逸出，以及/或者防止从制造设备100的外部通入污染物。
图2是说明使用制造设备100(在图1中示出)制造半导体晶圆144的示范性方法200的流程图。参考图1和2，当制造半导体晶圆144时，首先选择(201)定位装置102。更加具体地，选择的定位装置102的形状决定了生产完成的半导体晶圆144的形状。因此，定位装置102可提供例如以及非限制性地大致上方形的晶圆、大致上圆形的晶圆，以及/或大致上矩形的晶圆。定位装置102可包括一个或一个以上凹槽(未显示)，其具有在制造过程中将图案(图1和2中未显示)传递到材料层的预定的形状以及/或预定的形貌。例如，凹槽可组成一系列的峰和谷。在示范性实施例中，定位装置102包括定义在第一表面(未显示)和相对的第二表面(未显示)的每个上的一个或一个以上的凹槽。不仅在第一表面上而且在第二表面上提供凹槽使得能够将定位装置102移动穿过例如设备100等的有两边之任一边面向上且有两边之任一边与定位装置102相对的熔炉。
施加(202)脱模涂层(release coating)124至定位装置上表面118以使定位装置102能够容易地与完成的半导体晶圆144分离。在一个实施例中，脱模涂层124是氮化硅(Si3N4)。备选实施例中可使用二氧化硅(SiO2)或碳化硅(SiC)作为脱模剂(release agent)。在其他备选实施例中，可以使用任何其他成分作为使晶圆144能够如本文说明的那样生产的脱模剂。更加具体地，在示范性实施例中，向定位装置102施加含有脱模涂层124的液态浆体。可使用包括但不限于涂装工艺和/或喷涂工艺等已知的施加方式向定位装置102施加脱模涂层124。在一个实施例中，以预定的图案向定位装置102施加脱模涂层124。在另一个实施例中，以预定的厚度梯度施加脱模涂层124。
然后在脱模涂层124之上沉积(203)至少一种半导体材料112。在示范性实施例中，在脱模涂层124变干后沉积(203)半导体材料112。而且，在示范性实施例中，如上文说明的从给料斗108沉积预定量的半导体材料112。在一个实施例中，在脱模涂层124之上沉积大致上恒定厚度的半导体材料112。在另一个实施例中，在脱模涂层124之上以预定图案和/或以预定厚度梯度沉积半导体材料112。
在示范性实施例中，包括脱模涂层124和半导体材料112的定位装置102接着移动(204)穿过加热/冷却区域116。加热/冷却区域116内的热源114与排热装置122引起期望的热分布140用于材料112和涂层124。在示范性实施例中，热分布140包括具有变化的温度以及其中半导体材料112经历物理变化的多个区域。例如，在包括脱模涂层124和半导体材料112的定位装置102从刮刀110下面通过后，出现预热区域130。于是对涂层124和材料112引入熔融区域132，在熔融区域132内，温度超过半导体材料112的熔融温度预定量。因此，在熔融区域132内至少半导体材料112的上表面128形成熔融体126。然后定位装置102进入结晶区域134，其中液态层(未显示)与结晶层(未显示)同时存在。在示范性实施例中，结晶区域134中的温度以预定的方式降低便于熔融体126结晶。通过定位和/或重新定位热源114和/或排热装置122可改变温度。热分布140也包括冷却区域136，其中结晶半导体材料112进一步冷却。最终，冷却的晶圆144在晶圆卸载区域138从设备100上卸下。
而在结晶区域134，向熔融体126应用(205)预定热图案以诱发半导体材料112在预定的位置或多个位置形核。在示范性实施例中，形核是通过改变熔融体126的热传特征(heat transfer property)诱发的，以便在熔融体126的表面128上形成局部冷点142。在局部冷点142诱发形核便于在熔融体126内有序的晶体形成。热传特征可使用多种方法改变。在一个实施例中，可以以预定的图案(图1和2中未显示)向定位装置102施加脱模涂层124。在另一个实施例中，可以以预定的厚度梯度向定位装置102施加脱模涂层124。在又一个实施例中，使用排热装置122应用(205)热图案，如下文说明的。
图3是就设备100(在图1中显示)可使用的示范性排热装置122的图示。更加具体地，在一个实施例中，排热装置122包括图案306、冷却层302，以及隔热层304。在备选实施例中，冷却层302和隔热层304是由基本上不同的材料构成的，并且被放置使得层302与304之间没有接触。在这样的实施例中，隔热层304包括多个孔使得隔热层304作为介于冷却层302与熔融体126之间的图案化掩模。而且，在一个实施例中，冷却层302基本上由金属组成。在备选实施例中，冷却层302基本上由石墨组成。在示范性实施例中，排热装置122放置于设备100内使得排热装置122的第一表面308比排热装置122相对的第二表面310更靠近熔融体126。在一个实施例中排热装置122放置于靠近熔融体126的地方。在这样的实施例中，排热装置122基本上由高熔点金属和/或陶瓷材料制成。或者，排热装置122可由任何允许排热装置122如本文说明的那样起作用的材料制成。或者，在上文说明的实施例中，其中排热装置122与熔融体126接触放置，排热装置122可由便于防止熔融体126粘附于排热装置122的材料或材料组合制成。此外，排热装置122由使排热装置122能够耐受设备100内高温的材料或材料组合制成。
工作过程中，在结晶区域134使用排热装置122以向熔融体126(在图1中显示)应用热梯度。在一个实施例中，排热装置122放置于靠近熔融体126的地方。更加具体地，在这样的实施例中，排热装置122放置于离熔融体126的上表面128大约0.5到15.0毫米(mm)以及更加具体地大约1.0到10.0mm。在另一个实施例中，排热装置122与熔融体上表面128相对放置。排热装置122可包括但不限于包括图案和/或大致上平坦的表面。
图4是可引入脱模涂层124和/或就定位装置102和/或排热装置122(每个都在图1中显示)使用的示范性图案400的图。图5是可就/对这些相同的元件使用/应用的备选图案500的图。更加具体地，在示范性实施例以及如在图4和5中示出，暗的点和/或线代表那些相对于大致上平坦和/或凹陷的部分404和504凸起或伸长的部分402和502。在备选实施例中，暗的点和/或线可代表与凸起或升高的部分404和504相比大致上平坦和/或凹陷的部分402和502。当将图案400和500传递给熔融体126例如上表面128等的表面时，图案400和500便于通过降低在预定部分402和502的熔融体126的温度在凸起部分402和502诱发形核。而且，部分402和502通过改变这些位置的热交换特征便于降低熔融体126的温度。例如，当包括图案400的排热装置122放置于靠近熔融体126的地方使得部分402放置于比部分404离或相对熔融体126更近的位置，熔融体126与部分402之间的热传比熔融体126与部分404之间的热传更快。随着从熔融体126的热传继续，在熔融体126离部分402最近的位置比熔融体126离部分404最近的位置更快达到熔融体126开始形核的温度。
工作过程中，可使用例如图案400或图案500(在图4和5中分别显示)等的图案以向熔融体126(在图1中显示)应用热梯度。在示范性实施例中，以及如上文说明的，应用热梯度便于在预定位置142降低熔融体126的温度。在预定位置142降低熔融体126的温度便于以更加可控的方式诱发形核。
上文说明的用于制造半导体晶圆的方法以及设备的实施例便于在半导体熔融体预定位置诱发形核。在半导体熔融体内预定位置诱发形核便于更加有序形核，从而提高晶圆的品质。提高的晶圆品质便于通过促使贯穿晶圆的基本上均匀的分布来提高包括该晶圆的相关元件也就是相关太阳能电池的性能而同时维持低成本。而且，在半导体熔融体内预定位置诱发形核便于生长更大晶粒和/或更具柱状的晶粒组织。这样的晶粒组织便于改善半导体晶圆的电性能，从而提高具有这样的半导体晶圆的太阳能电池的效率。
上文中详细说明了用于制造半导体晶圆的方法以及设备的示范性实施例。方法和设备不限于本文说明的具体的实施例，但是，方法以及设备的组成部分可独立地以及与本文说明的其他组成部分分开地使用。
虽然本发明根据不同具体的实施例说明，那些本领域内技术人员会认识到本发明可以以权利要求的精神以及范围内的改动来实施。

Claims (6)

1.一种半导体晶圆(144)，其包括具有由预定图案(306)定义的大致上均匀结晶的本体，所述半导体晶圆通过以下制造：
施加(202)脱模涂层(124)至定位装置材料(102)的上表面(118)；
在所述脱模涂层的上表面之上施加(203)至少一种半导体材料(112)的至少一层；
将所述定位装置材料、脱模涂层、以及所述至少一种半导体材料引入(204)到预定的温度梯度以形成所述至少一层半导体材料层的至少上表面的熔融体(126)；以及
根据所述预定图案形成(205)至少一个局部冷点(142)。
2.如权利要求1所述的半导体晶圆(144)，其中以所述预定图案(306)施加(202)所述脱模涂层(124)。
3.如权利要求1所述的半导体晶圆(144)，其中以预定厚度梯度施加(202)所述脱模涂层(124)。
4.如权利要求1所述的半导体晶圆(144)，其中所述定位装置材料(102)包括所述预定图案(306)。
5.如权利要求1所述的半导体晶圆(144)，其中通过在离所述熔融体预定的距离处放置排热装置(122)向所述熔融体(126)应用所述预定图案(306)，其中所述排热装置包括所述预定图案和大致上平坦表面的至少其中之一。
6.如权利要求1所述的半导体晶圆(144)，其中通过将所述熔融体与排热装置(122)的至少一部分接触来向所述熔融体(126)应用所述预定图案(306)，其中所述排热装置包括所述预定图案和大致上平坦表面的至少其中之一。
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