CN105121714A - 半导体材料片材、用于形成它的系统和方法 - Google Patents

半导体材料片材、用于形成它的系统和方法 Download PDF

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Abstract

使用一系统形成半导体材料片材的方法。所述系统包括沿着第一轴线延伸且能绕着第一轴线旋转的第一凸面元件，以及与第一凸面元件隔开的沿着第二轴线延伸且能绕着第二轴线旋转的第二凸面元件。第一和第二凸面元件限定了在它们之间的辊隙。所述方法包括在第一和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体以在第一和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上形成沉淀物。所述方法还包括以相互相对的方向旋转第一和第二凸面元件以允许沉淀物穿过辊隙,由此形成半导体材料片材。

Description

半导体材料片材、用于形成它的系统和方法
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§120，要求2013年3月15日提交的美国申请系列号13/841,995的优先权，并根据35U.S.C.§119，要求2012年10月9号提交的美国临时申请系列的号61/711,506的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
背景技术
本发明涉及用于形成半导体材料片材的系统,使用该系统形成半导体材料片材的方法,和使用该方法形成的半导体材料片材。
半导体材料用于各种应用，并可结合进入例如电子设备例如光伏设备。半导体材料的性质可取决于各种因素，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器件的性能造成影响。一种半导体材料是硅，其可通过各种技术来形成，例如作为锭、片材或带。硅可通过下面的基片来支持或不支撑。
小的半导体材料片材可通过各种间歇方法来制备。形成这种小片材的一种间歇方法称为外浇铸法(exocasting)，其中把具有能放入坩锅的小形状的模具浸入设置在坩锅中的半导体材料熔体。然后，把模具从半导体材料熔体取出，并在模具的表面上形成小的片材，其随后可取下和提纯或以其它方式利用。但是,用这种常规方法形成的半导体材料片材基于所用模具的尺寸受限于大小，因此为了获得大量的小半导体材料片材，这种常规方法可为特别耗时的。此外,这种常规方法是间歇过程，这进一步限制了半导体材料片材的生产速率。
概述
本发明提供使用一系统形成半导体材料片材的方法。所述系统包括第一凸面元件，其沿着第一轴线延伸且能绕着第一轴线旋转。所述系统还包括与第一凸面元件隔开的第二凸面元件，其沿着第二轴线延伸且能绕着第二轴线旋转。第一和第二轴线基本上相互平行，且第一和第二凸面元件限定了在它们之间的辊隙(nipgap)。所述方法包括在第一凸面元件和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体以在第一凸面元件和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上形成沉淀物。所述方法还包括以相互相对的方向分别绕着第一和第二轴线旋转第一和第二凸面元件，以允许沉淀物穿过辊隙,由此形成半导体材料片材。
此外，本发明提供用于使用所述方法形成半导体材料片材的系统。最后，本发明提供使用所述方法形成的半导体材料片材。
附图简要说明
在下面的详细描述中将结合附图描述其它优势和方面，其中：
图1是用于形成半导体材料片材的系统的一种实施方式的示意性横截面视图；
图2是用于形成半导体材料片材的系统的另一种实施方式的示意性横截面视图；
图3是图2的实施方式的示意性透视图；和
图4是用于形成半导体材料片材的系统的另一种实施方式的透视图。
发明详细描述
本发明提供使用系统形成半导体材料片材的方法。此外，本发明提供用于根据方法形成半导体材料片材的系统10。最后，本发明提供使用系统10和方法形成的半导体材料片材。通过方法和系统10形成的半导体材料片材特别适用于电子应用和组件，例如微处理器和光伏电池模块。
利用系统10来从半导体材料熔体形成半导体材料片材。用于形成半导体材料片材的系统10包括第一凸面元件10，其沿着第一轴线14延伸且能绕着第一轴线14旋转。系统10还包括与第一凸面元件12隔开的第二凸面元件16，其沿着第二轴线18延伸且能绕着第二轴线18旋转。第一和第二凸面元件12,16限定了在它们之间的辊隙20。在各种实施方式中,大部分因为第一和第二凸面元件中的至少一个和环境的热损失,至少一部分的半导体材料熔体经历液固相转变，这导致在第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面上形成半导体材料沉淀物。在系统10中,第一和第二凸面元件12,16中的至少一个用作散热器和用于发生固化的固体模型(form)或模具。如下参考方法所述，当沉淀物穿过辊隙20时，形成半导体材料片材。
系统10的第一和第二凸面元件12,16具有总体上凸面形状。第一和第二元件12,16各自的外部表面具有总体上凸面形状。第一和第二凸面元件12,16无需在它们各自的全部外部表面呈现总体上凸面形状。例如,第一和第二凸面元件12,16可独立地是圆柱的、部分圆柱的、椭圆、的部分椭圆的、部分球形的，或者包括弧形部分来提供凸面形状的任意形状。第一和/或第二凸面元件12,16具有周界，可为总体上矩形的，其中大于0度到小于360度的周界即外部表面包括弧形部分来呈现凸面形状。就尺寸、形状和/或材料而言，第一和第二凸面元件12,16可相互相同或不同。
第一和第二凸面元件12,16的各第一和第二轴线14,18是基本上相互平行的。具体来说,用“基本上平行,”指第一和第二轴线14,18基本上在相同水平面，以及相交时第一和第二轴线14,18形成小于5度,或者小于4度,或者小于3度,或者小于2度,或者小于1度的锐角(如果有的话)。取决于水平面的视角，水平面可为倾斜的。
第一和第二凸面元件12,16通常各自沿着第一和第二轴线14,18分别具有基本上均匀和连续的横截面。参考第一和第二凸面元件12,16的横截面时，本文所使用的术语“基本上均匀和连续”指横截面变化小于30％,或者小于20％,或者小于10％,或者小于5％,或者小于2％,或者小于1％。此外，第一和第二凸面元件12,16总体上包括基本上类似形状，从而在第一和第二凸面元件12,16之间限定的辊隙20相对于辊隙20的中心轴线是对称的。但是,第一和第二凸面元件12,16可具有互补的形状，它们不基本上均匀和连续。例如,第一和第二凸面元件12,16可具有互补的锥形状。
在一些实施方式中,第一凸面元件12包括第一圆柱辊筒,以及第二凸面元件16包括第二圆柱辊筒。
第一和第二凸面元件12,16可为实心的、中空的和/或它们的组合。例如,当第一和第二凸面元件12,16是第一和第二圆柱辊筒时,第一和第二圆柱辊筒可具有中空内部，从而第一和圆柱辊筒具有管形状或者第一和第二圆柱辊筒可为实心。
第一和第二凸面元件12,16可包括相同或不同材料。此外，第一和第二凸面元件12,16可各自独立地包括连续的材料或者不同材料的组合。第一和第二凸面元件12,16总体上包括与半导体材料熔体兼容的材料。例如,如果该材料不因接触半导体材料熔体或暴露于半导体材料熔体的热量而熔融或软化，则第一和第二凸面元件12,16的材料是与半导体材料熔体兼容的。还例如，第一和第二凸面元件12,16的材料可对半导体材料熔体是热稳定的和/或化学惰性的,因此与半导体材料熔体是非反应性的或基本上非反应性的。
适用于第一和第二凸面元件12,16的材料的具体示例包括耐火材料例如熔融石英、石墨、碳化硅、玻璃碳、类金刚石碳、氮化硅、单晶或多晶硅,以及这些材料的组合和复合材料。在一些实施方式中,第一和第二凸面元件12,16的材料是玻璃体氧化硅。当第一和/或第二凸面元件包括材料的组合时,至少一部分的第一和/或第二凸面元件包括至少一种上述耐火材料。在这种实施方式中,第一和/或第二凸面元件的外部表面包括这些耐火材料中的至少一种。或者，只有部分的第一和/或第二凸面元件的外部表面包括这些耐火材料中的至少一种。当第一和/或第二凸面元件的外部表面包括小于360度第一和/或第二凸面元件周界的弧形部分时,该弧形部分包括这些耐火材料中的至少一种。这种弧形部分可全部或部分地包括这些耐火材料中的至少一种。第一和第二凸面元件12,16的耐火材料用于接触半导体材料熔体。
当第一和/或第二凸面元件包括材料的组合时,第一和第二凸面元件12,16可包括适于支撑耐火材料的材料。例如,耐火材料可与金属、合金、陶瓷、塑料和它们的复合材料和/或组合一起使用。当在第一和/或第二凸面元件中使用这种组合时,其中第一和/或第二凸面元件中的耐火材料的相对厚度是第一和第二凸面元件12,16和半导体材料熔体之间所需的传热动力学的因子。为此，不同的耐火材料具有不同的比热容，因此第一和第二凸面元件12,16中耐火材料的相对厚度也是所用特定耐火材料的因子。作为一个具体示例，当第一和第二凸面元件12,16包括玻璃态氧化硅时,第一和第二凸面元件12,16中耐火材料的相对厚度通常是至少约250微米(μm)。或者,当第一和第二凸面元件12,16包括碳化硅时,第一和第二凸面元件12,16中耐火材料的相对厚度通常是至少约170微米(μm)，因为碳化硅的比热容比玻璃态氧化硅的大得多。
第一和第二凸面元件12,16中耐火材料可为整体件或晶片的形式。此外,第一和第二凸面元件12,16的耐火材料可包括多孔或非多孔体，任选的包括一种或更多种多孔或非多孔涂层。第一和第二凸面元件12,16的耐火材料可通过下述特征来表征：包括形状、大小、表面积、表面粗糙度等。这些特征中的一个或多个可为均匀或非均匀的。例如,耐火材料可具有特定的表面粗糙度或突出，用于赋予半导体材料片材第一和/或第二凸面元件的耐火材料的表面粗糙度。
如图2和3所示,在一些实施方式中其中第一和第二凸面元件12,16是第一和第二圆柱辊筒,该系统10还包括邻近和接触第一圆柱辊筒的第一圆柱对22。在这种实施方式中,系统10还可包括邻近和接触第二圆柱辊筒并用于支承第二圆柱辊筒的第二圆柱对24。第一圆柱对22从第一圆柱辊筒与辊隙20相对设置,第二圆柱对24从第二圆柱辊筒与辊隙20相对设置。第一和第二圆柱对22,24可独立地包括相对于第一和第二凸面元件12,16如上所述的任意材料,但不像第一和第二圆柱辊筒,第一和第二圆柱对22,24不必但可包括任意耐火材料。此外,第一和第二圆柱对22,24的形状可独立地是中空或实心。因为当第一和第二圆柱辊筒由第一和第二圆柱对22,24支承时第一和第二圆柱对22,24接触第一和第二圆柱辊筒,所以第一和第二圆柱对22,24总体上具有不含污染物的光滑表面，否则污染物将转移到第一和第二圆柱辊筒的外部表面。在一些实施方式中,第一和第二圆柱对22,24由金属或合金，例如碳钢、不锈钢或基于镍的超级合金形成。这种金属或合金可包括例如作为涂层的腐蚀抑制剂，例如铬或铝氧化物。
第一和第二圆柱对22,24的各圆柱包括轴线，其基本上平行于第一和第二圆柱辊筒22,24的第一和第二轴线14,18。第一和第二圆柱对22,24可绕着这些轴线旋转。第一和第二圆柱对22,24通常用来防止第一和第二圆柱辊筒遭受弯曲负载。相反，第一和第二圆柱对22,24确保第一和第二圆柱辊筒只遭受压缩负载。为此,第一和第二圆柱对22,24总体上由轴承支撑,而第一和第二圆柱辊筒总体上不用轴承支撑。相反,第一和第二圆柱辊筒总体上由第一和第二圆柱对22,24支撑，因为第一和第二圆柱对22,24支承第一和第二圆柱辊筒。
在一些实施方式中,第一凸面元件12包括第一耦合元件26，第二凸面元件16包括第二耦合元件28，用于使得能旋转第一和第二凸面元件12,16。第一和第二耦合元件26,28可分别耦合到第一和第二凸面元件12,16的任意部分，只要第一和第二耦合元件26,28能使得能旋转第一和第二凸面元件12,16。在一些实施方式中,第一和第二耦合元件26,28耦合到第一和第二凸面元件12,16的相对端部。第一和第二耦合元件26,28可通过电机或提供旋转驱动扭矩的其它合适的方法(例如手动旋转)来旋转第一和第二凸面元件12,16。通常,第一和第二耦合元件26,28分别独立地耦合到用于提供旋转驱动扭矩第一电机和第二电机40,42。
在包括第一和第二圆柱对22,24替代实施方式中，第一圆柱对22的一个或两个圆柱和第二圆柱对24的一个或两个圆柱可包括耦合元件，用于当第一和第二圆柱辊筒由第一和第二圆柱对22,24支承时旋转第一和第二圆柱辊筒。
在各种实施方式中,第一和第二凸面元件12,16至少可沿着垂直于第一和第二轴线14,18的轴线从初始位置到操作位置进行调节。在这种实施方式中,第一和第二凸面元件12,16可在初始位置时相互公称接触(nominalcontact)，且当半导体材料熔体或在其间形成的部分或全部固化的沉淀物穿过时，在操作位置限定了辊隙20的宽度。当系统10在操作位置时，由第一和第二凸面元件12,16限定的辊隙20总体上对应于半导体材料片材的所需厚度。
在这些实施方式中,第一和第二凸面元件12,16通常在初始位置时通过弹簧相互公称接触，当半导体材料熔体穿过辊隙20时该弹簧压缩,由此把第一和第二凸面元件12,16调节成操作位置。
图4显示了一种实施方式其中第一和第二凸面元件12,16是第一和第二圆柱辊筒,和其中系统10包括第一和第二圆柱对22,24来分别支承第一和第二圆柱辊筒。第一和第二圆柱辊筒与第一和第二圆柱对22,24一起沿着第一和第二轴线14,18在第一和第二端部之间延伸。第一和第二圆柱辊筒的第一和第二端部各自包括框架元件30,32。第一和第二圆柱对22,24可分别支撑通过支撑板34由轴承,其设置在系统10的框架元件30,32中用于分别固定第一和第二圆柱对22,24。在该实施方式中,第一和第二圆柱辊筒不由轴承支撑。相反,第一和第二圆柱辊筒由第一和第二圆柱对22,24支承，从而第一和第二圆柱辊筒横向地或穿过框架元件30,32延伸且不与之接触。在各框架元件30,32中，沿着垂直于第一和第二轴线14,18的轴线，邻近支撑板34设置可调节的板36。第一对圆柱辊筒22在第一端部通过支撑板34和在第二端部通过可调节的板36由轴承支撑,而第二对圆柱辊筒24在第一端部通过可调节的板(未显示)和在第二端部通过支撑板(未显示)由轴承支撑。这种构造允许第一和第二圆柱辊筒22,24各自沿着垂直于第一和第二轴线14,18的轴线是可调节的。在其他实施方式中,第一圆柱辊筒可同时在第一和第二端部由可调节的板支撑，而第二圆柱辊筒同时在第一和第二端部由支撑板支撑(或者反之亦然)，从而第一和第二圆柱辊筒中只有一个沿着垂直于第一和第二轴线14,18的轴线是可调节的。可调节的板36接触在各框架元件30,32中的与支撑板相对的弹簧，从而可调节的板36和支撑板34任选地在初始位置时相互公称接触。当半导体材料熔体穿过辊隙20时，弹簧压缩，当各框架元件30,32中的可调节的板36远离支撑板34沿着垂直于第一和第二轴线14,18的轴线移动时，由此把系统10调节到操作位置。各框架元件30,32可任选地包括垫片38，其设置在可调节的板36和各框架元件30,32之间以实时调节辊隙20。这种垫片38允许相对于辊隙20调节系统10，从而系统10可用来形成半导体材料片材，其具有不同的厚度而无需重新构造或改变系统。或者,作为垫片38的附加或替代，可利用具有不同压缩力或其它物理性的不同弹簧。框架元件30,32、支撑板34和可调节的板36总体上由刚性材料形成，例如金属,金属合金,或陶瓷,或它们的组合/复合材料。
所述方法包括在第一凸面元件12和第二凸面元件16中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体。在第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体的步骤，在第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面上形成沉淀物。具体来说,当接触第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面时，至少一部分的半导体材料熔体经历液固相转变以形成沉淀物。沉淀物可包括半导体材料熔体,部分固化半导体材料、完全固化半导体材料和它们的任意组合。相反,一旦沉淀物穿过在第一和第二凸面元件12,16之间限定的系统10的辊隙20，就形成半导体材料片材。通常,沉淀物是至少部分固化的，且不包括含液态半导体材料熔体的任何部分。沉淀物通常是易延展的，且当沉淀物穿过系统的辊隙20时在应力下能进行塑性变形。
总体上施加半导体材料熔体，从而半导体材料熔体接触就在系统的辊隙20上方的第一和第二凸面元件12,16的外部表面。在系统的初始位置,第一和第二凸面元件12,16通常相互公称接触，从而半导体材料熔体要穿过辊隙20就会接触第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面。因为当接触第一和第二凸面元件12,16中的至少一个时半导体材料熔体经历液固相转变,通常期望邻近辊隙20即在其上方施加半导体材料熔体，从而最小化与使固化的半导体材料熔体沉淀物通过辊隙20时相关的压缩力。
半导体材料熔体通常设置在容器中(例如坩锅)，并设置成例如倾倒至第一凸面元件12和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上。第一和第二凸面元件12,16可在水平平面设置，从而半导体材料熔体通过重力倾倒。或者,第一和第二凸面元件12,16在垂直平面设置，从而半导体材料熔体在垂直于重力牵拉的方向引入系统10。可通过在容器中熔融合适的半导体材料来提供或获得半导体材料熔体。容器通常由选自下组的高温或耐火材料形成：玻璃态氧化硅,石墨,碳化硅,玻璃碳,和氮化硅。或者,容器可由第一高温或耐火材料形成，并提供有第二高温或耐火材料的内部涂层，其中该内部涂层适于接触半导体材料熔体。所述半导体材料可以是硅。除了硅以外或者，半导体材料熔体可以选自：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以及它们的组合。例如,硅可为纯的，例如,固有或i-型硅；或者硅可为掺杂的,例如,包括n-型或p-型掺杂剂的硅。
半导体材料熔体可包括可形成半导体合金或化合物的至少一种非半导体元素。例如，所述半导体材料熔体可包括砷化镓(GaAs),氮化铝(AlN)和磷化铟(InP)。
根据本发明的各种实施方式，所述半导体材料熔体可以是纯的或者掺杂的。如果存在，示例掺杂剂包括硼、磷或铝，且可以任意合适的浓度存在例如1-100ppm,这可基于例如半导体材料片材中所需的掺杂剂浓度来选择。
可利用至少一个加热元件来形成半导体材料熔体和/或把半导体材料熔体保持在所需温度。合适的加热元件的示例包括电阻或电感加热元件、红外(IR)热源(例如,IR灯),和火焰加热源。电感加热元件的一个示例是射频(RF)电感加热元件。RF感应加热可以最大程度减少半导体材料熔体中出现外来物质的可能性，由此提供更清洁的环境。
在第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体之前,半导体材料熔体的本体温度(TS)大于或等于所用半导体材料的熔点温度(TM)，从而(TS)≥(TM)。在半导体材料熔体包括硅的实施方式中,熔融硅的本体温度可为1414-1550℃,或者1450-1490℃,例如1460℃。
第一和第二凸面元件12,16的外部表面可具有选择性受控的温度,例如可冷却和/或加热第一和第二凸面元件12,16的外部表面,或第一和第二凸面元件12,16的外部表面可仅仅具有环境温度。第一和第二凸面元件12,16的外部表面通常具有基本上相同的温度(TR)。第一和第二凸面元件12,16的外部表面的温度小于半导体材料熔体的本体温度((TR)＜(TS))，还小于所用半导体材料的熔点温度((TR)＜(TM))，从而第一和第二凸面元件12,16的外部表面和半导体材料熔体之间的温差将诱导半导体材料熔体的液固相转变。外部表面第一和第二凸面元件12,16的温度(TR)通常为大于0-500℃,或者100-400℃,或者100-200℃。(TR)和(TS)之间温差的大小可影响半导体材料片材的微观结构和其它性质。(TR)和(TS)之间的温度梯度可在例如大于或等于800℃的量级。
除了控制第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面和半导体材料熔体的温度之间的温度梯度以外,还可控制辐射环境例如壁容器的温度。
所述方法还包括以相互相对的方向旋转第一和第二凸面元件12,16，以允许沉淀物穿过辊隙20,由此形成半导体材料片材。沉淀物沿着向下方向穿过辊隙20,通常借助重力。具体来说,第一和第二凸面元件12,16相向旋转，或朝着辊隙20旋转。第一和第二凸面元件12,16中的一个顺时针旋转，而第一和第二凸面元件12,16中的另一个逆时针旋转。
如上所述，第一和第二凸面元件12,16可通过多种不同方法来旋转。例如,第一和第二凸面元件12,16可手动旋转(例如通过手柄),或通过第一和第二耦合元件26,28来旋转,其通常独立地耦合到用于提供旋转驱动扭矩的第一电机和第二电机40,42。在其他实施方式中,当第一和第二凸面元件12,16是第一和第二圆柱辊筒,和系统10包括第一和第二圆柱对22,24时,可旋转第一圆柱对22的一个或两个以及第二圆柱对24中的一个或两个，由此引发旋转第一和第二圆柱辊筒。第一和第二圆柱对22,24可通过类似于第一和第二凸面元件12,16的方法来旋转。
第一和第二凸面元件12,16通常以相互相对的方向以基本上相同的角速度旋转。第一和第二凸面元件12,16的角速度是几个变量的函数，包括半导体材料片材的所需厚度、第一和第二凸面元件12,16的材料、第一和第二凸面元件12,16的温度、第一和第二凸面元件12,16的横截面积以及辊隙20的厚度。因为期望使第一和第二凸面元件12,16以相互相对的方向以基本上相同的角速度旋转，所以第一和第二凸面元件12,16通常通过第一和第二电机40,42来旋转,其通过第一和第二耦合元件26,28耦合到第一和第二凸面元件12,16。这种电机40,42最小化了角速度的任何变化。在一些实施方式中,可在把半导体材料熔体施加到第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面之前、之时或之后，改变(即增加或降低)第一和第二凸面元件12,16的一个或两个的角速度。第一和第二凸面元件12,16可以不同的角速度旋转，特别是如果第一和第二凸面元件12,16的尺寸或大小相互不同时。第一和第二凸面元件12,16旋转的角速度通常选定来在半导体材料片材排出辊隙20之前，在第一和第二凸面元件12,16的外部表面和半导体材料熔体之间提供所需的接触时间。接触时间通常为大于0-10秒,或者0.5-5秒。例如,当第一和第二凸面元件12,16各自的直径约为50毫米(mm)时,第一和第二凸面元件12,16的角速度通常为约6转/分钟(rpm)。
半导体材料熔体接触第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面的时间或时间段的长度，通常足以允许在穿过辊隙20之前，半导体材料片材进行部分固化。这个时间段可基于各种参数来适当变化，例如系统的温度和传热性质和所需的半导体材料片材的性质。时间段通常是大于0-30秒。但是,这个时间段不计入半导体材料片材形成之后半导体材料片材接触第一和/或第二凸面元件12,16的时间段，其可延伸显著超出30秒，取决于把半导体材料片材14与第一和/或第二凸面元件12,16分离得有多快。
半导体材料片材的某些方面通过把半导体材料熔体施加到第一和第二凸面元件12,16中至少一个外部表面来测得。例如,当把半导体材料熔体施加到第一和第二凸面元件12,16中至少一个外部表面上时,当沉淀物开始固化和穿过辊隙20时形成半导体材料片材。当半导体材料熔体固化以形成厚度大于辊隙20的厚度的沉淀物时,辊隙20通常平坦化该沉淀物，从而沉淀物具有与辊隙20相同的厚度。为此,通常旋转凸面元件并施加半导体材料熔体，从而半导体材料熔体不完全固化然后穿过辊隙20,这可使第一和第二凸面元件12,16遭受压缩力。相反,半导体材料熔体穿过辊隙20时通常是部分固化的，然后形成半导体材料片材。甚至当部分固化时，半导体材料熔体是比实心半导体材料(例如半导体材料熔体完全固化然后穿过辊隙20)基本上更柔软和可延展的。
当半导体材料熔体只施加到第一和第二凸面元件12,16中的一个的外部表面上时,形成的半导体材料片材通常穿过半导体材料片材厚度具有连续的横截面积和连续的颗粒结构。相反,当半导体材料熔体同时施加到第一和第二凸面元件12,16的外部表面上时,半导体材料熔体在第一凸面元件12上形成第一沉淀物，在第二凸面元件上形成第二沉淀物。第一和第二沉淀物在辊隙20处融合在一起以形成半导体材料片材。这样,当把半导体材料熔体同时施加到第一和第二凸面元件12,16的外部表面上时,半导体材料片材通常不在其全部厚度具有连续的颗粒结构，因为颗粒分别在第一和第二沉淀物中形成，融合第一和第二沉淀物以形成半导体材料片材不会分别改变第一和第二沉淀物的单个颗粒特征。
当把半导体材料熔体施加到第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面时，可任选地振动第一和第二凸面元件12,16。通常，当把半导体材料熔体施加到第一和第二凸面元件12,16中的至少一个的外部表面时，可使第一和第二凸面元件12,16基本保持静态。
可利用例如差异化膨胀和/或机械辅助，把半导体材料片材从第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面分离。或者,片材仍然在第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面上，作为支撑的半导体材料制品。但是,半导体材料片材通常在穿过系统10的辊隙20之后与第一和第二凸面元件12,16的外部表面分离，并变成自立式的。或者,系统10可包括在第一和第二凸面元件12,16的一个或两个外部表面上且在辊隙20下方的刀片，用于把半导体材料片材从外部表面分离。此外,这种刀片可用来去除粘附到第一和第二凸面元件12,16d外部表面的任何残留半导体材料,或当第一和第二凸面元件12,16旋转时连续地从那去除污染物。
可在把半导体材料熔体施加到第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面之前、之时或之后，控制环绕系统10的气氛的组成。例如,使用玻璃态氧化硅作为第一和/或第二凸面元件和/或容器的耐火材料可导致半导体材料片材的氧污染。因此，在各种实施方式中,可以通过以下方式减轻或显著减轻氧气污染：在低氧气环境下例如氢气(例如，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形成半导体材料片材。低氧气环境可包括氢气、氦气、氩气或氮气中的一种或更多种。在一个示例性实施方式中，所述气氛可以选自Ar/1.0重量％H2的混合物或者Ar/2.5重量％H2的混合物。在这种实施方式中,系统10通常是封闭的系统,即,系统10的气氛不受其环境的影响。
所述方法可作为间歇方法或连续的方法来操作。在间歇方法中,第一和第二凸面元件12,16只需具有弧形部分。在连续的方法中,第一和第二凸面元件12,16通常是第一和第二圆柱辊筒或其它椭圆元件，从而当把半导体材料熔体连续施加到第一和第二凸面元件12,16中至少一个的外部表面上时，第一和第二凸面元件12,16可连续地旋转。
因为半导体材料片材可通过融合第一和第二沉淀物来形成，可理想地改变所得半导体材料片材的颗粒结构。为此,在一些实施方式中,所述方法还可包括至少部分再次熔融半导体材料片材以形成再次熔融的半导体材料和重结晶再次熔融的半导体材料。或者,再次熔融和重结晶半导体材料片材可能不是所需的，特别是当半导体材料片材不通过把第一和第二沉淀物融合在一起来形成时,例如当半导体片材通过只把半导体材料熔体沉积在第一和第二凸面元件12,16的一个外部表面上来形成时。
其中，半导体材料片材的厚度随下述变化：辊隙20、第一和第二凸面元件12,16的角速度和半导体材料熔体接触第一和第二凸面元件12,16中至少一个外部表面的时间。在一些实施方式中,半导体材料片材的厚度是100-400微米,或者125-350微米或者150-300微米,或者175-250微米。此外,半导体材料片材的总厚度变化(TTV)小于30％,或者小于25％,或者小于20％,或者小于15％,或者小于10％,或者小于5％,或者小于4％,或者小于3％,或者小于2％,或者小于1％。TTV表示片材取样区内最厚的点与最薄的点之间的归一化最大厚度差。TTV等于(t最大–t最小)/t目标，其中t最大和t最小是取样区内的最大厚度和最小厚度，t目标是目标厚度。取样区可定义为整个片材或一部分片材。TTV可根据ASTMF657–92(1999)来测量。
如有需要，还可通过改变系统10自身来改变半导体材料片材的大小。例如,改变第一和第二凸面元件12,16从而第一和第二轴线14,18相交以形成3度的锐角，可制备具有楔形状的半导体材料片材即穿过半导体材料片材的横截面具有非均匀厚度。
所述方法可以用来制造半导体材料片材，所述半导体材料片材具有与例如总厚度、TTV、杂质含量和/或表面粗糙度相关的一种或多种所需的属性。这些片材，例如硅片材可用于电子设备例如光伏设备。例如，当片材包括硅时，片材通常包括多晶硅。例如，刚形成的硅片材可以具有大约156mmx156mm的面积尺寸，厚度为100-400μm，以及大量大于1mm的颗粒。但是,如果作为连续的方法操作,系统10可形成具有基本上大于156mm的连续的长度的半导体材料片材,但可取决于所需的半导体材料片材大小改变或切割这种半导体材料片材。
半导体材料片材可限定一个或多个(例如最多达30)穿过其中的孔。孔可使得限定这种孔的半导体材料片材可用于制备金属化包覆穿透的光伏电池。
半导体材料片材可用于各种应用和组件，例如包括半导体材料片材的电子组件或设备。例如,半导体材料片材用于集成电路、发光二极管、光伏电池、微处理器和其他电子元件,这可能被纳入计算机、数码相机、和光伏电池模块。
上述的一个或多个数值可变化5％,10％,15％,20％,25％等，只要这种变化仍然在本发明的范围之内。从马库什(Markush)组的各成员可获得意料不到的结果，且独立于所有其它成员。可单独地或组合地依赖各成员，并为所附权利要求的范围之内的具体实施方式提供足够的支持。这里明示设想了独立权利要求和单项或多项从属的从属权利要求的所有组合的主题。本说明书是说明性的，包括描述的词语而非限制。考虑上述教导，能对本发明进行修改和变化，且可以除本文具体所述以外的其它方式实施本发明。
下面的实施例用于阐述实施方式，无论如何都不视为限制本发明的范围。
实施例
实施例1:
根据本发明的系统包括第一和第二圆柱辊筒(如图2-4所示)作为第一和第二凸面元件。
系统根据下述公式操作：
a > ( Q / W ) d · R · ω > b
其中，a是1.5、或者1.2、或者1；b是0.5、或者0.8、或者0.9；Q是半导体材料熔体的体积流量；W是第一和第二圆柱辊筒的宽度(或者分别沿着第一和第二轴线的第一和第二圆柱辊筒的长度),d是辊隙的长度,R是各第一和第二圆柱辊筒的半径；和ω是第一和第二圆柱辊筒的旋转速度。
具体来说,在本实施例中,第一和第二圆柱辊筒各自包括高纯熔凝石英，直径为50毫米(mm),和宽度(或分别沿着第一和第二轴线的第一和第二圆柱辊筒的长度)为150毫米(mm)。辊隙是200微米(μm)。在温度为30℃的第一和第二圆柱辊筒上方舀进温度为1500℃的30毫升(mL)熔融硅。第一和第二圆柱辊筒以相互相对的方向以约10转/分钟(rpm)的速度旋转。系统在Ar/1％H2下操作。形成的硅片材宽度为20毫米(mm),长度为200毫米(mm)且厚度为200微米(μm)。
如本文中所用，单数形式的“一个”、“一种”和“该”包括复数指代形式，除非文中另有明确说明。因此，例如，提到的一种“凸面元件”包括具有两种或更多种这样的“凸面元件”的例子，除非文中有另外的明确表示。
在此，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值的范围。当表示这样一个范围的时候，实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当使用先行词“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值构成另一个方面。应理解每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是有意义的。
除非另有明确说明，本文所述的任何方法绝对没有构成成要求它的步骤必须以特殊的顺序进行。因此，当方法权利要求没有实质上引用它的步骤需要遵循顺序或者没有在权利要求或说明书中以其它方式明确陈述步骤限于特殊顺序时，在任何方面都绝对没有指示某种顺序。
虽然会用过渡语“包括”来公开特定实施方式的各种特征、元素或步骤，但是应理解的是，这暗示了包括可采用过渡语“由......构成”、“基本由......构成”描述在内的替代实施方式。因此例如,包括辊隙的系统所暗示的替代实施方式包括其中系统由一个辊隙组成的实施方式和其中系统主要由辊隙组成的实施方式。
还要注意本文关于将部件“构造成”或“使其适于”以特定的方式起作用的描述。关于这方面，将这样一个组分“构造成”或“使其适于”体现特定的性质，或者以特定的方式起作用，这样的描述是结构性的描述，而不是对预定应用的描述。更具体来说，本文所述的将部件“构造成”或“使其适于”的方式表示该部件现有的物理条件，因此可以将其看作该部件的结构特征的限定性描述。

Claims (10)

1.一种使用一系统形成半导体材料片材的方法，所述系统包括沿着第一轴线延伸且能绕着第一轴线旋转的第一凸面元件，以及与第一凸面元件隔开的沿着第二轴线延伸且能绕着第二轴线旋转的第二凸面元件,其中第一和第二凸面元件限定了在它们之间的辊隙，其中，第一和第二轴线基本上相互平行,所述方法包括下述步骤：
在第一凸面元件和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体以在第一凸面元件和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上形成沉淀物；和
以相互相对的方向旋转第一和第二凸面元件以允许沉淀物穿过辊隙,由此形成半导体材料片材。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加半导体材料熔体在第一凸面元件上形成第一沉淀物和在第二凸面元件上形成第二沉淀物，其中将第一和第二沉淀物在辊隙处融合在一起以形成半导体材料片材。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，旋转第一和第二凸面元件包括使第一和第二凸面元件以相互相对的方向以基本上相同的角速度旋转。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一凸面元件包括第一圆柱辊筒，以及第二凸面元件包括第二圆柱辊筒。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述系统还包括邻近和接触第一圆柱辊筒并用于支承第一圆柱辊筒的第一圆柱对，以及邻近和接触第二圆柱辊筒并用于支承第二圆柱辊筒的第二圆柱对。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第一和第二圆柱辊筒中的至少一个能沿着垂直于第一和第二轴线的轴线从初始位置调节到至少一个操作位置，从而第一和第二圆柱辊筒在初始位置时相互公称接触，且在操作位置当半导体材料穿过辊隙之间时限定辊隙的宽度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，(a)第一和第二凸面元件具有100-400℃的基本上相同的温度(TR)，半导体材料熔体具有温度(TS)，从而TS>TR；(b)半导体材料片材的厚度为25-500微米；(c)半导体材料片材包括硅、锗、它们的化合物、它们的合金和它们的组合；(d)半导体材料熔体包括熔融硅、熔融锗、熔融砷化镓、它们的化合物、它们的合金或它们的组合；(e)第一和第二凸面元件独立地包括选自下组的材料：熔融石英、石墨、碳化硅、玻璃碳、类金刚石碳、氮化硅、单晶或多晶硅、它们的复合物以及它们的组合；或(f)上述(a)-(e)的任意组合。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还可包括下述步骤：至少部分再次熔融半导体材料片材以形成再次熔融的半导体材料，并重结晶再次熔融的半导体材料。
9.用于使用如权利要求1所述的方法形成半导体材料片材的系统。
10.使用如权利要求1所述的方法形成的半导体材料片材。
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