CN102782194A - 制造半导体材料制品的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造半导体材料制品的方法包括：将固体模具从熔融半导体材料的熔体中取出，所述固体模具的外表面上已经形成了半导体材料的固体层。在取出操作过程中，对温度、作用力以及取出相对速率中的一种或多种进行控制，从而使得在取出过程中在固体层上形成的半导体材料的固体外覆层中获得一种或多种所需的属性。

Description

制造半导体材料制品的方法
相关申请
本申请要求2009年10月30日提交的题为“制造半导体材料制品的方法”的美国申请第12/609987号的优先权。
技术领域
本发明涉及制造半导体材料制品的方法，更具体来说，本发明涉及外浇铸法(exocasting method)，从而在模具的外表面上形成半导体材料的制品。
背景技术
半导体材料用于各种用途，可以例如结合入光生伏打装置之类的电子装置之内。光生伏打装置通过光生伏打效应将光辐射转化为电能。
半导体材料的性质可能取决于很多的因素，包括晶体结构、本生缺陷的浓度和种类，是否存在掺杂剂和其他杂质，以及它们的分布。在半导体材料中，例如粒度和粒度分布会对制得的装置的性能造成影响。例如，随着粒度尺寸变大和粒度尺寸变得更均匀，光生伏打电池之类的基于半导体的装置的电导率会获得改进，因此总体效率会获得改进。
对于硅基装置，可以使用各种技术对硅进行成形。其例子包括成形为锭块、片材或带材的硅。所述硅可以被下方的基材支承，或者未被支承。这些用来制造支承型和非支承型硅制品的常规方法存在很多缺点。
制造非支承型半导体材料薄片(包括硅片)的方法可能很慢，或者会对半导体材料原料造成浪费。例如，可以使用Czochralski工艺制造非支承型单晶半导体材料。但是，在将所述材料切割成薄片或者晶片的时候，此种大批量法可能会不利地造成显著的切割损失。其它的可以用来制造非支承型多晶半导体材料的方法包括电磁浇铸和带材生长技术。但是，这些技术很慢，而且很贵。使用硅带材生长技术制造的多晶硅带材通常仅能以大约1-2厘米/分钟的速率形成。
可以以比较廉价的方式制造支承的半导体材料片，但是，半导体材料片受到在其上制造该半导体材料的基材的限制，所述基材必须满足各种工艺要求和应用要求，这些要求可能是矛盾的。
在以下专利文献中揭示了用来制造非支承型多晶半导体材料的方法：共同拥有的美国临时专利申请第61/067,679号，该申请于2008年2月29日提交，题为“用来制造非支承型纯的或者掺杂的半导体元件或合金的制品的方法(Method of Making an Unsupported Article of a Pure or Doped SemiconductingElement or Alloy)，”以及2009年2月27日提交的题为“用来制造非支承型纯的或者掺杂的半导体元件或合金的制品的方法(Methods of Making anUnsupported Article of Pure of Doped Semiconducting Element or Alloy)”的美国专利申请第PCT/US09/01268号，其内容参考结合入本文中。
如本文所述，本发明人发现了可以用来制备支承型和非支承型半导体材料制品的另外的方法。本发明所述的方法可以促进形成具有所需属性的外浇铸半导体材料，所述属性包括例如改进的晶粒结构，杂质和/或缺陷浓度降低，表面粗糙度降低，厚度均匀，同时减少材料浪费，加快生产速率。
发明内容
根据各种示例性的实施方式，制造半导体材料制品的方法包括：提供浸泡在熔融半导体材料中的模具，已经在所述模具的外表面上形成了所述半导体材料的固体层。改变所述模具相对于熔融半导体材料的相对位置，从而将包括由熔融半导体材料形成的固体层的模具取出。在取出过程中，对温度、作用力以及取出的相对速率中的一种或多种工艺变量进行控制。通过控制这些工艺变量中的一种或多种，可以在所述取出操作过程中在所述固体层上形成的半导体材料固体外覆层中实现一种或多种所需的属性。根据所述的方法，可以最大程度减小所述外覆层的厚度以及/或者最大程度减小所述外覆层的表面粗糙度。
在本文中，术语“半导体材料”包括具有半导体性质的材料，例如硅、硅的合金和化合物、锗、锗的合金和化合物、砷化镓、砷化镓的合金和化合物、锡的合金和化合物，以及它们的组合。在各种实施方式中，所述半导体材料可以是纯的(例如本征硅或i-型硅)或掺杂的(例如包含至少一种n型(例如磷)或p型(例如硼)掺杂剂的硅)。
在本文中，短语“半导体材料制品”、“外浇铸制品”以及它们的变化形式包括使用所述方法制造的半导体材料的任何形状或者形式。这些制品的例子可以是平滑的、织构化的、平坦的、有弧度的、弯曲的、有角度的、对称的或者非对称的。半导体材料的制品可以包括例如片材、晶片或管材的形式。
在本文中，术语“模具”表示具有外表面的物理结构，可以在此物理结构的外表面上形成本发明的半导体材料的制品。熔融的或者固态的半导体材料不一定与所述模具的外表面物理接触，但是也可以发生接触。
在本文中，术语“模具的外表面”表示在将模具浸泡在熔融半导体材料中时接触熔融半导体材料的模具表面。
在本文中，术语“支承(型)的”表示半导体材料的制品与模具一体化。所述支承型的半导体材料制品可以任选地保持在模具上，用于进一步加工。
在本文中，术语“非支承(型)的”表示半导体材料的制品没有与模具一体化。所述非支承型的半导体材料制品可以在成形的时候由模具支承，然后与模具分离。
在本文中，短语“在模具的外表面上形成半导体材料的固体层”及其变化形式表示来自所述熔融半导体材料的至少一部分半导体材料在模具的外表面上固化。
在本发明中，术语“晶体”是指包含晶体结构的任何材料，例如包括单晶和多晶半导体材料在内。
在本发明中，“多晶”包括由多个晶粒组成的任何材料。例如，多晶材料可以包括微晶和纳米晶材料。
在本发明中，术语“熔融半导体材料的温度”、“熔融半导体材料的体相温度”以及它们的变体表示容纳在容器内的熔融半导体材料的平均温度。熔融半导体材料内的局部温度可以在任意时间点发生空间变化，例如当将模具浸泡的时候，与模具紧邻的熔融半导体材料的区域，或者在容器顶表面附近，暴露于环境条件的熔融半导体材料。在各种实施方式中，尽管有一些局部温度变化，但是熔融半导体材料的平均温度是基本均一的。
在本文中，术语“过冷”表示以下工艺：通过该工艺在熔融半导体材料和模具之间产生温差，由此可使得熔融半导体材料发生固化。过冷的程度可以用摄氏度(℃)或者华氏度(℉)来衡量。
本发明描述了影响外浇铸工艺过程中形成的固体外覆层的厚度和/或形貌的方法。在以下说明中，特定的方面和实施方式将变得显而易见。应当理解，就最广义而言，本发明可以在没有这些方面和实施方式中的一个或多个特征的情况下实施。还应当理解，这些方面和实施方式仅仅是示例性和说明性的，并非意在限制权利要求书中的发明。
附图说明
以下的附图在下文中进行了描述，并且结合入说明书中，构成说明书的一部分，这些附图显示了示例性的实施方式，但是不会对本发明的保护范围构成限制。为了清楚和简明起见，附图不一定按比例绘制，附图的某些特征和某些视图可能按比例放大显示或以示意性方式显示。
图1A-1L显示用来制造半导体材料的制品的示例性外浇铸法；
图2是固体层厚度-浸泡时间的理论关系图；
图3是不同取出速率条件下，1.2毫米厚的模具的固体层厚度-浸泡时间关系的实验图；
图4是不同取出速率条件下，0.8毫米厚的模具的固体层厚度-浸泡时间关系的实验图；
图5是对于不同的模具厚度，固体层厚度-取出速率关系的理论图；
图6是对于不同的初始模具温度，固体层厚度-取出速率关系的理论图。
具体实施方式
在外浇铸法中，将固体模具浸泡在一定体积的熔融半导体材料中，然后从熔融半导体材料中取出。由于熔融半导体材料向着模具和周围发生很大部分的热量损失，一部分熔融半导体材料发生液相到固相的转化，由此导致在模具的外表面上形成半导体材料的固体层。在此过程中，所述模具作为散热器和用来发生固化的固体形式。
如图1A所示，固体模具100具有外表面102，所述外表面102悬于装有熔融半导体材料120的容器110上方。模具100可以为适用于所述方法的任意形式。例如，模具100可以是整体件或者晶片的形式，其厚度为0.5-5毫米。模具100可以包括多孔或非多孔的主体，任选具有一个或多个多孔或非多孔的涂层。模具100可以具有一个或多个平坦的外表面102，或者具有一个或多个弯曲的外表面。弯曲的外表面可以是凸形或者凹形的。所述模具及其外表面可以用包括形状、尺寸、表面积、表面粗糙度等的特征进行表征。这些特征中的一种或多种可以是均匀的或者不均匀的。可以理解，所述模具100及其外表面102的特征会对所得的外浇铸制品的性质造成影响。
还应当理解，虽然图中显示模具100和外表面102的二维截面图，但是模具100是三维主体，在模具的外表面102上形成的固体层140也是具有一定长度、宽度和厚度的三维主体。如下文更详细描述的，所述外浇铸固体层140在外浇铸工艺的不同阶段形成，包括在至少三个固化阶段过程中形成的固体材料。
在一些实施方式中，使用能够与熔融半导体材料120相容的材料制造模具100。例如，所述模具100可以由在浸泡的时候不会发生熔融或软化的材料形成。再例如，所述模具100可以是热稳定的，并且/或者对熔融半导体材料120呈化学惰性，因此对熔融半导体材料呈非反应活性或者基本非反应活性。
例如，所述模具100可以包含以下材料，或者由以下材料组成：熔融二氧化硅、石墨、氮化硅、单晶硅或者多晶硅，以及这些材料的组合和复合物。在至少一个实施方式中，模具100由多晶二氧化硅制造。
所述熔融半导体材料120可以通过使得合适的半导体材料在容器110中熔化来提供。容器110可以由选自玻璃状二氧化硅、石墨和氮化硅的材料制造。所述半导体材料可以是光生伏打级的硅，或者更高纯度的硅。除了硅以外，所述熔融半导体材料可以选自：硅的合金和化合物、锡的合金和化合物、锗、锗的合金和化合物、砷化镓、砷化镓的合金和化合物、以及它们的组合。
所述熔融半导体材料可以包括能够形成半导体合金或化合物的至少一种非半导体元素。例如，所述熔融半导体材料可以包括砷化镓(GaAs)，氮化铝(AlN)和磷化铟(InP)。
根据各种实施方式，所述熔融半导体材料120可以是纯的或者掺杂的。如果存在掺杂剂的话，掺杂剂的例子可以包括硼、磷或铝，可以具有任意合适的浓度，例如1-100ppm，例如可以根据制得的半导体材料制品中所需的掺杂剂浓度来进行选择。
为了形成半导体材料的制品，将模具100至少部分地浸泡在熔融半导体材料120中，然后取出。在进行浸泡和取出的过程中，所述熔融的半导体材料102在模具的外表面102上固化并形成半导体材料的固体层140。
不希望被理论所限制，固化分三个基本阶段发生。可以参考图1A-1L来理解所述外浇铸工艺，更具体来说，该外浇铸工艺包括在第I-III阶段的固化，图中描绘了根据各种实施方式，所述工艺的一系列顺序示意图。图1A-1F中显示了将模具100浸泡在熔融半导体材料120中的示意图，图1G-1L显示了将模具100从熔融半导体材料120取出的示意图。
在一个示例性的实施方式中，通过采用任何合适的加热装置或者方法，使得模具100达到特定的温度TM，使得熔融半导体材料120达到体相温度TS，所述体相温度TS等于或高于所述半导体材料的熔融温度。
可以用至少一种加热元件(图中未显示)对模具100、容器110进行加热，以及/或者将熔融的半导体材料120保持在所需的温度。合适的加热元件的例子包括阻抗或感应加热元件，红外(IR)加热源(例如IR灯)，以及火焰加热源。感应加热元件的一个例子是射频(RF)感应加热元件。RF感应加热可以最大程度减少熔体中出现外来物质的可能性，由此提供更清洁的环境。
可以在浸泡之前、过程中和之后对熔融半导体材料120上方的气氛190的组成进行控制。认为将玻璃状二氧化硅用于模具100和/或容器110会导致半导体材料的制品发生氧污染。因此，在各种实施方式中，可以任选地通过以下方式减轻或显著减轻氧污染：在低氧环境下(例如氢气(水含量小于1ppm)和惰性气体例如氩气、氪气或氙气的干燥混合物条件下)熔化半导体材料和外浇铸制品。低氧环境可以包括氢气、氦气、氩气或氮气中的一种或多种。在至少一个示例性实施方式中，气氛可以选自Ar/1.0重量％H2的混合物或Ar/2.5重量％H2的混合物。
在浸泡之前(图1A)，对模具温度TM和熔融半导体材料温度TS各自进行控制，使得TM＜TS。在熔融半导体材料包括硅的一个实施方式中，所述熔融硅的体相温度Ts可以为1414-1550℃，例如为1450-1490℃，例如为1460℃。在将模具浸泡入熔融半导体材料120中之前，所述模具的温度TM可以为-50℃至1400℃(例如-35℃至0℃，20℃至30℃，300℃至500℃)。除了控制模具温度和熔融半导体材料温度以外，还可以对辐射环境(例如容器110的壁112)的温度TE进行控制。
参见图1B和1C，随着模具100逐渐靠近熔融半导体材料120并浸泡在熔融半导体材料120中，模具的温度，例如模具100的前边缘104处的温度最初由于辐射、然后由于熔融半导体材料102向着模具100的传导和对流传热而升高。
在一些实施方式中，当所述模具100包括二氧化硅，所述熔融半导体材料120包括硅，当模具进入熔融硅的时刻会形成凸形的弯月面124，这是因为硅不易浸润模具的二氧化硅表面。
首先，模具100的温度保持低于熔融半导体材料120的温度。随着模具进一步浸泡入熔融半导体材料中(图1D和1E)，模具100和熔融半导体材料120之间较高的温差会引发液相到固相的转化，由此在模具的外表面102上形成半导体材料的固体层140。
所述模具100和熔融半导体材料120的温差的量会对固体层140的微结构和其他性质造成影响。所述模具100和熔融半导体材料120之间的较大的温度梯度的组合(可以约为800℃)在模具的外表面上形成第I阶段的固体层142，其中可以包括较细的粒度。
如图1C-1E所示，当模具100浸泡的时候，熔融半导体材料120首先在模具100的前边缘104固化。将模具进一步浸泡的时候，在模具的暴露表面102上形成第I阶段固体薄层142。在用熔融材料浸泡的过程中，第I阶段固体层142的生长前锋连续地从凸形弯月面124加料，所述第I阶段固体层142的生长方向基本平行于模具和熔体之间的相对移动方向(也即是说，第I阶段固体层的生长方向基本平行于模具的暴露表面102)。
根据一些实施方式，在浸泡模具的时候，模具100可以进行旋转或者振动。但是，在其它的实施方式，在将模具下降浸入熔融半导体材料120以及上升离开所述熔融半导体材料120的时候，所述模具在横向方向上保持基本静止。
如图1D-1F所示，在将模具100至少部分浸泡在熔融半导体材料120中的时候，第I阶段固体层142(通过生长方向基本平行于模具外表面的生长界面形成)成为用来形成第II阶段固体层的模板，来自熔体的熔融半导体材料120在所述第I阶段固体层的暴露表面处固化。第II阶段固体层144的初始形成通常在比第I阶段生长更低的温度差之下发生，会增大固体层140的厚度。因此，与第I阶段生长相比，第II阶段固体层144通过生长方向基本垂直于模具外表面的生长界面形成。实验数据表明第II阶段的生长速率可以约为100微米/秒。
所述固体层140(包括第I阶段和第II阶段固体层)的微结构除了取决于模具和熔体之间的温度梯度以外，还会随着模具100相对于熔融半导体材料120发生相对位置变化的速率变化而变化。在较慢的浸泡速度条件下(例如约为1厘米/秒)，由于模具受到加热，模具100和熔融半导体材料120之间的温度差减小，这通常会导致固体层140具有较大的粒度，但是具有较小的总厚度。另一方面，当浸泡速度约为50厘米/秒的时候，较高的速度会影响凸形弯月面124的形状，这会影响连续颗粒生长，导致形成具有较小晶粒的不连续的固体层140。在一些实施方式中，所述浸泡速率可以约为1-50厘米/秒，例如2，5，10或20厘米/秒。
在第II阶段中，固体层的静止生长会随着总浸泡时间(即停留时间)的变化而变化，所述总浸泡时间取决于外浇铸工艺的动力学性质，会在模具100的外表面上发生空间变化。因为模具的前边缘104是模具进行浸泡的第一部分，所以在前边缘104处或前边缘104附近，温差是最大的，第II阶段固体层144的初始生长可能是最快的。另一方面，因为模具的前边缘是最后取出的部分，前边缘104附近的第II阶段固体层144的重新熔融会减小前边缘104附近的固体层140的厚度。
模具100可以在熔融半导体材料120中浸泡一段时间，此段时间足以使得半导体材料的固体层140在模具100的表面102上固化。模具100可以在熔融半导体材料120中浸泡最多30秒或者更久(例如0.5-30秒)。再例如，模具100可以浸泡最多10秒(例如1-4秒)。所述浸泡时间可以基于本领域技术人员已知的参数适当地变化，例如系统的温度和传热性质，以及半导体材料制品所需的性质。
图2显示了由模具100的外表面102测得的固体层厚度随浸泡时间的变化关系的计算图。在初始时间段，固体层迅速生长到最大厚度。在随后的时间段内，厚度减小。不希望被理论所限制，认为在初始时间段，熔融半导体材料的固化在第I阶段固体层142和熔体之间的界面处开始，第II阶段层144继续发展进入熔融半导体材料，导致固体层140正的生长速率。在随后的时间段，随着模具的温度升高，模具的热容耗尽，发生第II阶段层144的重新熔融，导致负的生长速率。如果模具在熔融半导体材料120中停留无限的时间，随着模具与熔融半导体材料热平衡，最终整个固体层140(第I阶段和第II阶段固体层)会重新熔融并消散。
具体参见图1E和1F可以看到第II阶段层140的生长和重新熔融的动力学。在图1E中，当模具102接近完全浸泡在熔融半导体材料120中的时候，所述第II阶段的层144可以具有不均匀的厚度。在模具100的前边缘104附近，由于较长的总浸泡时间，平均模具温度最高，随着局部热通量的方向从模具向外，第II阶段层144开始重新熔融。所述重新熔融使得前边缘104附近，第II阶段层144局部变薄。在模具的另一端部，具有较低的平均模具温度，局部热通量的方向仍然是进入模具方向。模具102吸热导致第II阶段层生长进入熔体。
下面来看图1F，随着模具温度升高，进一步的重新熔融继续进行，可以在模具的长度上观察到第II阶段层144不均匀厚度的跃变。图1E和1F中的小箭头定性地显示了沿着第II阶段固体层144和熔融半导体材料120之间界面的不同位置的相对固体层生长速率。
因此，在浸泡过程中，在模具100的暴露表面102上形成第I阶段固体层142，该第I阶段固体层142任选地与所述暴露表面102直接接触。然后，在所述第I阶段固体层142上形成第II阶段固体层144，所述第II阶段固体层144与所述第I阶段固体层142直接接触。在一些实施方式中，固体层140没有完全重新熔融，在浸泡和取出过程中，第I阶段固体层的厚度基本恒定，而第II阶段固体层的厚度是动态的，随着传热动力学的变化而变化。图1D-1K中的虚线标记了第I阶段和第II阶段固体层142、144之间的边界。
在均于2009年5月14日提交的共同拥有的美国专利申请第12/466,120号和第12/466,143号中描述了固体层的生长和重新熔融随模具浸泡时间变化而变化的另外的情况，这些专利文献的内容参考结合入本文中。
上文描述了外浇铸工艺中将模具100浸泡在熔融半导体材料120中的部分，在图1A-1F中显示了其剖面示意图。具体来说，图1F显示了当模具最大程度浸泡、模具相对于熔融半导体材料120的速度为零的时候，模具的位置以及固体层140的形成。接下来具体参照图1G-1L描述外浇铸法的其他部分(即将模具100从熔融半导体材料120取出的过程)，包括在模具的表面上形成第III阶段固体层146。
在取出模具的过程中，因为暴露的固体表面是固化的半导体材料，而不是初始的模具材料，固体表面和熔体之间的浸润动力学可能会与浸泡过程中遇到的情况不同。参见图1G，在此例子中，熔融的硅在硅固体层140上固化，在固-液-气三相点处形成动态的凸形弯月面134。由于该动态弯月面134，在将模具从熔融半导体材料120取出的过程中，在之前形成的固体层(第I阶段和第II阶段固体层)上形成另外的固体层146(第III阶段固体层)。所述第III阶段固体层146在本文中也被称为外覆层，决定了通过外浇铸获得的固体层的最小厚度。
虽然在第I阶段固体层142上形成的第II阶段固体层144会根据熔融半导体材料120的表面122下方的局部热通量动力学特征而继续发生生长或者重新熔融，但是由于熔融半导体材料120对固体硅层(例如第II阶段固体层144的暴露表面)的浸润，所述第III阶段固体层146在熔融半导体材料120的平衡表面122上方形成。在取出过程中，第III阶段固体层的生长前锋136通过来自动态弯月面134下方的熔融材料连续供料。
在一些实施方式中，希望使得第III阶段固体层146的厚度和表面粗糙度都最小化。通过使得第III阶段外覆层的厚度最小化，固体层140的大部分厚度是在第II阶段过程中形成(即基本垂直于模具的外表面生长)。本申请人发现，可以通过在外浇铸过程中对温度、模具102从熔融半导体材料120中取出的作用力和相对速率中的一种或多种工艺变量进行控制来获得所需的第III阶段固体层146的属性，因此获得所需的固体层140的属性。
如下文详述，可以通过改变工艺温度、施加于动态弯月面134的作用力和/或模具的取出速率，影响动态弯月面134的形状，由此影响第III阶段生长前锋136的形状。这些工艺变量可以用来增大或减小第III阶段生长前锋136的长度，因此例如影响第III阶段外覆层的厚度或粗糙度。
应当理解，工艺变量如温度、作用力和速度可以互相独立，也可以不是互相独立的。例如，当将模具100从熔融半导体材料120中取出的时候，通过控制模具100的取出速率可以影响模具100、在模具上形成的固体层140、以及熔融半导体材料120中的两者或更多者之间的传热。通过控制模具的取出速率还可以影响作用于动态弯月面134上的粘滞作用力和毛细作用力。因此，通过对取出速率进行直接控制，可以间接影响工艺中的一种或多种温度。
参见图1G-1J，在取出过程中形成的动态弯月面134、第II阶段固体层144和第III阶段层146限定了位于熔融半导体材料120平衡表面122上方的熔体的动态体积128或者“拖曳体积”。所述动态体积128由于各种传热机理接近固化，在取出过程中为第III阶段固化前锋136连续供料。
可以通过减小第III阶段固化前锋136的宽度W，减小第III阶段固体层146的厚度。另外，可以通过改变动态体积128来减小第III阶段固化前锋136的宽度W，可以通过减小动态弯月面的曲率半径来实现这一点。温度的变化、施加在动态弯月面上的作用力和/或固体模具的取出速率有效地“推”在动态弯月面134上、减小动态体积128的性质将缩短第III阶段固化前锋136，减小第III阶段外覆层146的厚度。
虽然取出速率会对总停留时间(以及第II阶段固体层144的生长-重新熔融)造成影响，取出速率的变化会增大或者减小第III阶段固体层146的厚度。一般来说，较快的取出速率会导致拖拽较大体积的熔融半导体材料120，增大动态体积128内的熔融材料的量。但是，无论较快的取出速率会导致第III阶段固体层厚度增大或减小，也可以取决于第III阶段固化前锋136处的固化速率。
图3和图4显示的实验数据用来说明取出速率和浸泡时间对第III阶段固体层146的厚度的影响。在图3和图4的数据中，方块表示取出速率为10毫米/秒，圆形表示取出速率为5毫米/秒。从这两个附图可以看出，随着浸泡时间延长，第III阶段固体层146的厚度减小，这至少部分是由于模具较长浸泡时间内发生较大程度的加热，随之带来模具热容的减小。
对于1.2毫米厚的模具(图3)，10毫米/秒的取出速率制得的第III阶段固体层146的厚度大于取出速率为5毫米/秒条件下获得的厚度。如上文所讨论，较快的取出速率导致从动态体积摄取较大体积的液体。由于较厚的模具具有较高的热容，大部分在模具上“拖曳”的液体固化形成第III阶段外覆层。
对于0.8毫米厚的模具(图4)，第III阶段固体层146的厚度也会随着浸泡时间的发展而减小，但是对模具的厚度相对不敏感。认为0.8毫米的模具的总体第III阶段固体层厚度之所以相对小于1.2毫米的模具的对应固体层厚度，是由于较薄的0.8毫米的模具具有较小的热容。具体来说，虽然较快的取出速率会从动态体积拖拽较大量的液体，但是由于较高的模具温度(以及随之造成的较低的热容)，会有较小体积的拖拽液体固化。从图4可以看到，在较长浸泡时间条件下，第III阶段固体层的厚度接近实验测定的最小值，对于二氧化硅模具-熔融硅体系来说，约为100微米。
图5和图6显示了第III阶段外覆层厚度-取出速率的理论计算结果。在图5中，短虚线表示厚度为4毫米的模具，实线表示厚度2毫米的模具，长虚线表示厚度为1毫米的模具。对于特定的取出速率，在较厚的模具上形成较厚的第III阶段固体层，所述较厚的模具具有较高的热容。
图6是对于不同的初始模具温度，第III阶段外覆层厚度-取出速率关系图。在图6中，实线表示初始温度100℃的模具，长虚线表示初始温度500℃的模具，短虚线表示初始温度1000℃的模具。对于特定的取出速率，在具有较低的初始(浸泡前)温度的模具上形成较厚的第III阶段固体层。
在一些实施方式中，所述取出速率可以约为1-50厘米/秒，例如2，5，10或20厘米/秒。较快的取出速率可导致流体拖曳，可对动态弯月面带来扰动，这些扰动可能会被传递到第III阶段外覆层。因此本领域普通技术人员能够认识到，可以根据以下因素对取出速率进行选择：所需的横截面积，包括外浇铸制品的厚度、厚度均匀性和粗糙度，以及会对固体层造成影响的其他因素，例如模具的热容，熔融半导体材料上方的大气的温度，以及用来制造外浇铸制品的任何其它的工艺步骤。
除了控制模具的取出速率以外，在各种实施方式中，可以通过控制例如模具100、动态体积128、第III阶段生长前锋136或固体外覆层140中的一种或多种的温度，从而影响第III阶段外覆层的厚度和其它的属性。例如可以通过对模具进行预热，或者在浸泡之前将模具保持在熔融半导体材料120的上方，从而升高模具100的初始温度。还可以控制模具取出过程中和取出模具之后的温度。
可以用各种热源或者绝热体来控制热量流动，从而控制温度。合适的热源的例子包括但不限于电阻线圈、激光器、燃烧器以及等离子体喷射器，这些热源可以将热量导向特定的位置。还可以使用镜子之类的被动加热源，这些被动加热源可以将来自熔融半导体材料120的红外辐射折向外覆层146。所述热源可以设置在与模具100、熔融半导体材料120和/或固体层140紧邻的位置。例如，热源可以安装在容器壁112上，提供热量输出，当模具从熔融半导体材料中取出的时候，输出的热量导向模具100、动态体积128、第III阶段生长前锋136或固体外覆层140中的一种或多种。
作为对模具100、动态体积128、第III阶段生长前锋136或固体外覆层140中的一种或多种进行直接加热的补充或者替代，还可以使用各种加热源间接提供热量，例如通过在将模具从熔融半导体材料中取出的时候，控制模具周围的气氛的温度。
根据各种其它的实施方式，可以通过直接施加作用力或者其它的物理约束，从而影响第III阶段外覆层146的厚度、粗糙度和/或其它的属性。这些作用力可以包括例如导向动态弯月面的加热的、未加热的、反应活性的或者非反应活性的气流(例如气体喷射)。可以使用朝向不同位置的单个气体喷射或者多个气体喷射。加热的气体喷射可以包括火焰(例如氢气火焰)或者等离子体喷射。可以对气体喷射进行选择，使其包含惰性气体，或者在另一个实施方式中，使用用来结合入最终外浇铸制品表面内或者表面上的掺杂剂或者其它的材料。气体喷射可以提供作用力，例如以流体静压力的方式提供作用力，可以用来改良动态弯月面134的形状和/或动态体积136的体积。
根据各种实施方式，物理约束可以包括机械阻挡件，所述机械阻挡件可以用来改良动态体积之内的熔融半导体材料的体积。例如，可以将外表面上形成有固体层的模具(动态体积浸润所述固体层)牵拉通过狭缝，所述狭缝具有边缘，对所述边缘的位置进行设定，以减小动态体积内的熔融半导体材料的体积。所述狭缝可以作为擦拭器或者橡皮辊。狭缝的变体包括在织物、无纺织网、毡材或纸张之类的材料上牵拉动态弯月面。在至少一个另外的实施方式中，可以在刀片或小刀边缘上牵拉动态弯月面。
所述方法可以用来制造半导体材料的制品，所述半导体材料的制品具有与例如总厚度、杂质含量和/或表面粗糙度相关的一种或多种所需的属性。所述制品例如硅片可以用于电子装置，例如光生伏打装置。例如，如上所述形成的硅片可以具有大约156毫米×156毫米的面积尺寸，厚度为100-400微米，以及大量大于1毫米的颗粒。在一些实施方式中，固体层的总厚度为150，200，250，300，350或400微米。在另外的实施方式中，固体层的总厚度小于400微米(例如小于350，300，250，200或150微米)。
将模具100从容器110取出并充分冷却之后，可以通过例如不均匀膨胀和/或机械辅助方式将半导体材料的固体层140从模具100取出或者与模具100分离。或者，所述固体层140可以保留在模具100上，作为支承型的半导体材料制品。
除非另有说明，否则，本说明书和权利要求书中使用的所有数字均应理解为在所有情况下都受“约”字修饰，而不管有没有这样表述。还应理解，本说明书和权利要求书中使用的精确数值构成本发明另外的实施方式。发明人已尽力确保实施例中所披露的数值的精确度。然而，由于各测量技术中存在标准偏差，任何测得的数值都可能不可避免地包含一定的误差。
应注意，除非明文且毫不含糊地局限于一个指代物，否则在本说明书和所附权利要求中使用的单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代物。因此，仅作为举例，提及一个“固体层”可以是指一个或多个层，提及一种“半导体材料”可以是指一种或多种半导体材料。在本发明中，“包括”一词及其语法上的变体不是为了起限制作用，因此，对列表中的项目的引述不是排除可以替换到或者添加到所列项目中的其它类似项目。
对本领域的技术人员而言，显然可以对本发明的程序和方法进行各种修改和变动而不会偏离本发明的范围和精神。本领域技术人员通过阅读说明书和实施本发明所披露的实施情况，本发明的其它实施方式是明显的。本发明人的意图是，本说明书中的实施方式应被认为仅仅是示例性的。

Claims (16)

1.一种制造半导体材料的制品的方法，所述方法包括：
提供浸泡在熔融半导体材料中的模具，所述模具的外表面上形成有所述半导体材料的固体层；
改变所述模具相对于熔融半导体材料的相对位置，从而将包括固体层的模具从熔融半导体材料中取出；
对取出操作过程中的温度、作用力以及取出相对速率中的一种或多种进行控制，从而使得在所述取出操作过程中在所述固体层上形成的半导体材料固体外覆层中获得一种或多种所需的属性，所述固体外覆层是通过使得熔融半导体材料的动态弯月面的一部分固化而形成的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述改变模具的相对位置的步骤包括：对模具进行平移和旋转中的一种或多种，以及/或者对盛放熔融半导体材料的容器进行平移和旋转中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对温度、作用力和取出相对速率中的一种或多种进行控制的步骤包括：控制一种或多种温度、一种或多种作用力、以及/或者一种或多种相对速率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括对温度、作用力以及取出的相对速率各自进行控制。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括控制动态弯月面的曲率半径。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括控制动态体积的体积。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括在提供浸泡在熔融半导体材料中的模具之前，对所述模具进行预热。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括使用选自激光器、等离子体喷射器和电阻加热源的加热源对动态弯月面进行加热。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括控制与动态弯月面热接触的气体的温度。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括控制与动态弯月面热接触的气体和动态弯月面之间的传热以及/或者与动态弯月面热接触的气体和外覆层之间的传热。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制包括对动态弯月面施加物理约束。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述物理约束选自织物、毡材、纸张和无纺织网。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体层的一种或多种属性选自厚度、组成、微结构和形貌。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制品的总厚度小于400微米。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述属性选自固体外覆层的厚度以及固体外覆层的粗糙度。
16.一种半导体材料制品，根据如权利要求1所述的方法制备。
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