TW201137191A - Method of exocasting an article of semiconducting material - Google Patents

Description

201137191 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本揭示是關於製作半導體材料物品的方法，並且特別是 有關能夠用以在模具之外部表面上構成半導體材料物品 的外鑄方法。 【先前技術】 [0002] 半導體材料可運用於各種應用中，以及加入例如電子電子 裝置例如為光伏打裝置。光伏打裝置經由光伏效應將光 線輻射轉換為電能。 [0003] 半導體材料的半導體性質決定於多種因素，包含材料的結 晶結構，本質性缺陷之型式以及濃度，以及摻雜劑與雜質 的存在及分佈。在半導體材料内，顆粒大小及形狀分佈會 影響所形成裝置之性能。例如半導體為主裝置例如光伏 打電池之導電性及整體效率一般將藉由增加顆粒大小和 顆粒的均勻度兩者而改善。 [0004]對於矽為主裝置，矽可使用多種技術構成。其範例包含分 形成為錠體，薄片或條帶。矽可被底下基板加以支待气未 支撐。然用該傳統製造矽支撐和受支撐物品之方法具有 多項缺點。 [0005] 099141315 製造未受支撐之薄型半導體材料薄片的方法可能耗時或 浪費半導體材料原料。可藉以製造未受支撐之單晶半導 體材料的方法包含例如Czochralski製程。然而此去了 能在當將材料切割成薄片或晶圓時導致顯著的截口損失 。其他藉以製造未受支推之多晶半導_料的方法^含 例如電磁模鑄及條帶成長技術。然而，這些技術可& 表單編號A0101 第4頁/共44頁 月匕、、又 1003190928-0 201137191 [0006] Ο [0007]

Q

[0008] 缓慢以及昂貴的。對聚晶矽條帶成長技術的產生而言約 為 1 - 2 c m / in i η 〇 製造未支撐多晶質半導體材料之有用的方法揭示於本案 申請人2008年2月29日申請之美國第61/067, 679號專利 臨時申請案，其發明名稱為” METH〇D 〇F MAKING AN UNSUPPORTED ARTICLE OF A PURE OR DOPED SEMICONDUCTING ELEMENT OR ALLOY”， 以及 2009 年2 月 27 日國際專利PCT/US09/01 268申請案，其發明名稱為 "METHOD OF MAKING AN UNSUPPORTED ARTICLE OF A PURE OR DOPED SEMICONDUCTING ELEMENT OR ALLOY"，這些專利之說明在此加入作為參考。 即如本揭所述，本案發明人既已發現可藉以製造受支撐與 未受支撐之半導體材料物品的其他方法。本揭方法可有 助於構成擁有所欲屬性的外鑄半導體材料，像是經改善 的晶體顆粒結構、降低的不純物濃度及/或瑕疵、低度的 表面粗糙度及均勻厚度，而同時得以減少材料浪費並且 提高生產率。 【發明内容】 根據各種示範性具體實施例，一種製作固體半導體材料 層的外鑄方法包含選定具有至少一模具屬性的模具，使 得在該固體層厚度相對於為以將該模具浸沒於熔融半導 趙材料中之浸沒時間的點繪圖裡出現在轉變時間處的固 體層厚度最大值是大致等於該固體層的目標厚度《即如 本揭中所使用者，該詞彙，，大致等於，，是指相等或者相 差20%或更低（像是5%或以下）的數值。然後將該模具浸沒 099141315 表單編號A0101 第5頁/共44頁 1003190928-0 201137191 在該熔融半導體材料内並予取出藉以在該模具的外部表 面上構成固體半導體材料層，其中該模具的浸沒時間大 致等於該轉變時間。 [0009] 在此所使用術語"半導體材料"包含展現半導體性質之材 料，例如碎，梦合金及化合物，鍺，錯合金及化合物，珅化鎵 ，坤化鎵合金及化合物，錫合金及化合物，及其混合物。於 許多實施例中，半導體材料可為純的（例如本質或i型矽） 或摻雜的（例如含有η型或p型摻雜物（例如磷或硼）的矽） 〇 [0010] 在此所使用詞組"半導體材料之物品”，"外鑄”，以及其變 化包含使用本發明之方法製成之任何形狀或形式的半導 體材料。此物品的範例包含平滑或有紋理之物品；平坦， 彎曲，折曲，或有角度的，密實的，多孔性，對稱或不對稱物 品。半導體材料之物品可包含例如板或管的形式。 [0011] 在此所使用術語π鑄模"意指能夠在半導體材料物品上形 成具有外部表面之物理結構。熔融或固化的半導體材料 不一定要實體地接觸鑄模之外表面，雖然會發生接觸。 [0012] 在此所使用術語"鑄模的外表面"意指鑄模表面，其由於鑄 模浸入至熔融半導體材料内將暴露於熔融半導體材料。 [0013] 在此所使用術語"支撐的’'意指半導體材料之物品係與鑄 模整體形成。半導體材料物品可選擇性地保留在鑄模上 以作更進一步處理。 [0014] 在此所使用術語''未支撐的"意指半導體材料之物品係未 與模具整體形成。半導體材料之未支撐的物品在被形成 099141315 表單編號Α0101 第6頁/共44頁 1003190928-0 201137191 時可加以切，但再由鑄模分離。 剛$此所使用詞組”在_的外表面上方形成包含至少部份 =半導體材料之固體層"及其變化意指來自炫融半導體 ;'、之第-半導體材料@化於鑄模的外表面或在其附近 [0016] 即如本揭中所使用者 數個晶體顆粒的材料 晶材料。 «•玄-¾彙 多晶，，包含任何含有複 例如，多晶材料可包含微晶及奈

在此所使用術5吾"炫融半導體材料之溫度"，"炼融半導體 材料之整體溫度"及其變化意指包含於合適的容器内之炫 融半導體材料之平均溫度1融半導體材料内的局部溫 度會在任⑽間點變化，例如當模具被狀時接近模具之 熔融半導體材料之部分，或在曝露至大氣條件接近容器的 頂表面之熔融半導體材料。在許多實施例中不管任何局 4«·度變化，熔融半導體材料之平均溫度實質上是一致 的。 [0018]在此所使用術語"過度冷卻"係指處理過程在熔融半導體 材料與鑄模間產生溫度差異，其促使熔融半導體材料固化 。過度冷卻可以華氏溫度或°(:來量測。 [0019] 即如本揭中所使用者’除另述明者外，該詞彙”浸沒時 間”是指模具被浸沒在熔融半導體材料之内的平均時間 。對於具有長度L的模具而言，該浸沒時間是等於 L/2Vin+ L/2V〇ut+ tdwell，其中Vu和V。"分別為浸沒 及取出速度，並且tdwell為該等浸沒與取出作業之間的選 1003190928-0 099141315 表單編號A0101 第7頁/共44頁 201137191 擇性停駐時間（即如持留時間）。在其中該浸沒速度等於 該取出速度並且該停駐時間為零的具體實施例裡，該浸 沒時間就等於L/V。 [0020] 茲說明在外鑄製程過程中對所構成之固體層的厚度、厚 度可變性及/或形態產生影響之方法。在後文說明裡，一 些特點及具體實施例將為顯見。應瞭解本發明，按其廣 義觀點，可為實作而無須具備該等特點及具體實施例的 一或更多特性。亦應瞭解該等特點和具體實施例僅為示 範性及解釋性，同時不對所主張的本發明造成限制。 【實施方式】 [0021] 在外鑄製程中，可將實心模具浸沒在一容積的熔融半導 體材料裡然後予以取出。很大部份地由於該模具及該週 遭環境的熱能損失之故，一部份的熔融半導體材料進行 液態至固體相位轉變，而這會在該模具的外部表面上獲 以構成固體的半導體材料層。在該製程裡，該模具是用 來作為散熱器以及待予進行之固化作業的固體形式兩者 。藉由控制該浸沒時間，該固體層厚度和該固體層厚度 上的可變性兩者皆可加以掌控。 [0022] 在一具體實施例裡，該目標厚度係對於該固體層所選定 。然後針對具有特定屬性的模具，包含模具成分、模具 厚度及初始模具溫度，計算出固體層厚度相對於浸沒時 間的點繪圖，使得該固體層厚度上的所算得最大值大致 等於該待予構成之固體層的目標厚度。對應於該所算得 最大固體層厚度的浸沒時間係經定義為轉變時間。即外 鑄的浸沒時間係經選定以重合於該轉變時間。按此方式 099141315 表單編號A0101 第8頁/共44頁 1003190928-0 201137191 ，將可在或靠近於該轉變點處，亦即其中該固體層内之 時間相關變化接近於零的最大厚度點，進行外鑄處理。 如此，跨於該模具之外部表面上的駐留時間變動就將不 會造成固體層厚度上的巨大變化。 [0023] 〇 即如圖1A所示，一具有外部表面102的固體模具100係經 懸掛於含有熔融半導體材料120之孤器110的上方。該模 具100可為按任何形式以供運用於本揭方法。例如，該模 具100可為按任何具有0.5 mm至5 mm範圍厚度之單塊或是 晶圓的形式。該模具100可包含多孔或非多孔本體，且可 視需要具有一或更多多孔或非多孔鍍層。該模具100可含 有一或更多平坦外部表面102或是一或更多曲形外部表面 。曲形外部表面可為凸出或凹入。該模具及其（多個）外 部表面可由多項特性所特徵化，包含形狀、維度、表面 積、表面粗糙度等等。該等特性的一或更多者可為均勻 或非均勻。將能瞭解該模具1〇〇及其外部表面102的特性 可對所獲之外鑄物品的性質產生影響。 〇 [0024] 將能瞭解該模具100及外部表面102雖以二維截面所示， 然該模具100為三維本體，並且構成於該模具之外部表面 102上的固體層140亦為擁有長度、寬度和厚度的三維本 體。即如後文額外細節中所揭示者，該外鑄固體層140係 於不同的外鑄製程階段過程中所構成，並且含有在至少 三個固化階段過程中所構成的固體材料。 [0025] 在具體實施例裡，該模具100係自與該熔融半導體材料 120相容的材料所構成。例如，該模具100可為由在當進 行浸沒時不會熔融或軟/化的材料所構成。即如進一步範 099141315 表單編號A0101 第9頁/共44頁 1003190928-0 201137191 例，該模具100對於該熔融半導體材料120可擁有熱性穩 定性及/或化學惰性，且因而不會與該熔融半導體材料產 生反應或大致不會產生反應。 [0026] 藉由範例，該模具100可含有折射性材料或由其所組成， 像是經熔融二氧化矽、石墨、氮化矽、單晶或多晶矽， 以及該等的組合或是合成物。在至少一具體實施例裡， 該模具1〇〇是由多晶二氧化矽所製成。該模具可具有範圍 自約0.1至100111111的厚度（即如0.1、0.2、0.5、1、2、5 、10 、 20 、 50或100mm) 〇 [0027] 該熔融半導體材料120可為藉由在該皿器110中熔融適當 的半導體材料所提供。該皿器110可為由從玻璃質氧化矽 、石墨及氮化矽中選定的材料所製成。該半導體材料可 為光伏等級或是更高純度的矽質。除矽質之外，該熔融 半導體材料可為由矽質合金與化合物、錫質合金與化合 物、鍺質、錄質合金與化合物、砰化嫁、珅化鎵合金與 化合物以及該等的組合所選定。 [0028] 該熔融半導體材料可含有至少一能夠構成半導體合金或 化合物的非半導體元素。例如，該熔融半導體材料可包 含珅化鎵（GaAs)、氮化銘（A1N)及填化銅（InP)。 [0029] 根據各種具體實施例，該熔融半導體材料120可為純淨或 經摻質。若確出現，示範性摻質物可包含硼質、磷質或 鋁質，並且可按任何適當濃度出現，即如卜10Oppm，此 值可為基於例如該所獲半導體材料物品内的所欲摻質物 濃度而選定。 099141315 表單編號A0101 第10頁/共44頁 1003190928-0 201137191 [0030] 為構成半導體材料物品，該模具100係經至少部份地浸沒 在该炼融半導體材料12〇之内，然後再予以取出。於浸沒 及取出的作業過程中，該熔融半導體材料12〇會固化並且 在該模具的外部表面102上構成半導體材料固體層14〇。 [0031] 在不欲受理論所限的情況下，該固化是以三個主要階段 進行。可參照圖1A-1L以瞭解該外鑄製程，其中包含階段 I-III固化作業的進一步詳細說明，該等圖式描繪一系列 根據各種具體實施例的循序略圖說明，圖以_11?略圖說明 〇 該模具100在該熔融半導體材料120内的浸沒作業，而圖 1G-1L略圖說明該模具1〇〇自該熔融半導體材料12〇的取 出作業。 [0032] 在一示範性具體實施例裡，可利用任何適當的加熱裝置 或方法將該模具1〇〇帶至溫度TM處，並且可將該熔融半導 體材料120帶至型體溫度Ts，此溫度高於或等於該半導體 材料的熔融溫度。 ◎ _可利用至少一加熱構件（未予圖示）以加熱該模具1〇〇、該 皿器110，並且/或是將該熔融半導體材料12〇維持在所欲 溫度處。適當加熱構件的範例可包含電阻式或電感式加 熱構件、紅外線（IR)熱源（即如IR光燈），以及火焰熱源 。電感式加熱構件的其一範例為射頻（RF)電感加熱構件 °RF電感加熱可藉由將熔物裡出現異物的情況降至最低 以提供較潔淨的環境。 [0034]位於該熔融半導體材料120上方處之大氣190的組成成分 可在浸沒作業之前、之中及之後加以控制。據信利用玻 099141315 表單編號A0101 第11頁/共44頁 1003190928-0 201137191 璃質氧化矽作為該模具100及/或該皿器110可能導致該半 導體材料物品的氧質污染。因此，在各種具體實施例裡 ，軋貝污染可視需要予以緩和或大幅減輕，像是藉由在 低氧環境下’即如像是氫氣（即如低於lppm的水）和像是 氬氣、氪氣或氙氣之惰性氣體的乾燥混合物，熔融該半 導體材料並且構成該物品。低氧環境可含有氫氣、氦氣 、氬氣或氮氣的一或更多者。在至少一示範性具體實施 例裡該大氣可為自Ar/1. 〇wt%H9混合物或是

U

Ar/2. 5wt%H2混合物所選定》 [0035] [0036] 在浸沒之前（圖1A)，該模具的溫度、及該熔融半導體材 料的溫度1^各者可加以控制而使得、<7^。在其中該半導 體材料含有矽質的示範性具體實施例裡，該熔融矽質之 型體溫度1^的範圍可為自〗4i4eC至1 550SC，例如像是自 1450 C至1490-C，即如1460SC。在浸沒於該熔融半導 體材料120内之前，該模具之初始溫度、的範圍可為自— 50°C 至 140(TC(即如自-35°C 至(TC、20°C 至30°C、300 °C至50(TC)。除控制該模具及該熔融半導體材料的溫度 之外，其週遭環境，像是該皿器11〇之邊壁112，的溫度 Te亦可加以控制。 現參照圖1B及1C，當該模具1〇〇被帶至靠近並且接著浸沒 在該熔融半導體材料12〇内時，該模具的溫度，即如該模 具100在前領邊緣1〇4處的溫度，首先將會因熱輻射，然 後是自該熔融半導體材料丨02至該模具1〇〇的傳導性和對 流性的熱能傳遞，而提高。 [0037] 099141315 在其中該模具100含有二氧化矽且該熔融半導體材料12〇 表早編號A0101 第12頁/共44頁 1003190928-0 201137191 含有矽質的具體實施例裡，將會在該模具進入該熔融矽 質的進入點處構成一凸彎液面124，原因是矽質並不會隨 即濕化於該模具的二氧化矽表面。 [0038] Ο [0039] 最初，該模具1〇〇的溫度將維持低於該熔融半導體材料 120的溫度。而隨著該模具浸沒在該熔融半導體材料内（ 圖1D及1Ε)，該模具100與該熔融半導體材料120之間松 當大的溫度差將會引生液態至固體相態轉變，這會導致 在該模具的外部表面102上構成該半導體材料的固體層 140。 該模具100與該熔融半導體材料120間之溫度差的規模可 對該固體層140的微結構及其他性質造成影響。該模具 100與該熔融半導體材料120間之相當大溫度差梯度的組 合可為位於800°C的數階處，並且獲以在該模具的外部表 面上構成階段I固體層142。該階段I固體層可含有相當細 緻的顆粒尺寸。 [0040] ϋ 即如圖1C-1E所示，當浸沒該模具100時，該熔融半導體 材料120首先會在該模具100的前領邊緣104處固化。而 當進一步浸沒該模具時，就會在該模具的曝出表面102上 構成階段I固體層142。該階段I固體層142的成長前緣在 浸沒過程中會自該凸彎液面1 24由該熔融材料連續地饋生 ，並且該階段I固體層142的成長方向大致平行於該模具 與該熔融物之間的相對移動方向（亦即該階段I固體層的 成長方向大致平行於該模具的曝出表面102)。 [0041] 根據具體實施例，該模具100在當浸沒時可進行旋轉或震 099141315 表單編號A0101 第13頁/共44頁 1003190928-0 201137191 動。然在其他具體實施例裡，該模具在當被降低進入且 提兩離開於該熔融半導體材料1 20時於其行旅維度上基本 上疋維持靜止不動。 [0042] [0043] 即如圖1D-1F所示’當該模具丨〇 〇至少部份地浸沒在該熔 融半導體材料120中時，該階段丨固體層142 (透過具有 大致平行於該模具外部表面之成長方向的成長介面所構 成）會變為構成階段Π固體層的模板，其中來自該熔融物 的熔融半導體材料丨2〇固化於該階段I固體層的曝出表面 處。该階段II固體層144的初始構成通常是出現在異於階 段I成長的較低溫度處，並且可增加該固體層14〇的厚度 。如此，不同於階段I成長，該階段II固體層144是經由 具有大致垂直於該模具外部表面之成長方向的成長介面 所構成。實驗資料顯示在該階段II成長過程中該固體層 成長的速率可為l〇〇m/sec的數階。 該固體層140之微結構（包含該等階段丨及階段u固體層） ，除其對於該模具與該熔融物間之溫度梯度的相關性以 外，為該模具100相對於該熔融半導體材料12〇相對位置 變化之速率的函數。在相對緩慢的浸沒速度下（即如在約 lcm/sec的數階處），該模具100與該熔融半導體材料12〇 之間的溫度差會因該模具的加熱而減少，這通常會致生 具有相對較大顆粒然相對較薄總厚度的固體層14〇。另一 方面，在約50cm/sec數階處的浸沒速度下，該相對高速 度可能會擾動該凸彎液面124的形狀，如此可能造成連續 顆粒成長中斷並且導致具有相對較小晶體顆粒的不連續 固體層140。在許多具體實施例裡，該浸沒速率可為自約 099141315 表單編號A0101 第14頁/共44頁 1003190928-0 201137191 1 至5〇cm/sec ’ 即如2、5、1〇 或 2〇cm/sec。 [0044] Ο [0045] u 在该階段11中該固體層的靜態成長為浸沒時間的函數（亦 即駐留時間），而由於該外鑄製程的動態本質之故，這又 將會在該模具100的外部表面上以空間方式出現變化。而 相較於該模具的尾後邊緣，該模具的前領邊緣會較長時 間地接觸到該炫融半導體材料。如此，相較於該尾後邊

緣’導致該前領邊緣的過度駐留時間等於L/V + L/V ' in out ，其中L為該模具的長度，並且及為浸沒和取出速 度。由於該模具之前領邊緣為該模具中所予浸沒的第 一部份，因此該階段II固體層144的初始成長在該前領邊 緣104處或附近，而該溫度差在此處為最大，可為最快。 另一方面，由於該模具之前領邊緣為該模具中所予取出 的最後部份，因此該階段Π固體層144在靠近該前領邊緣 104處的重熔會減少該固體層14〇在靠近該前領邊緣1〇4 處的厚度。 該模具100可為浸沒於該經熔融半導體材料120内一段時 間而足供該半導體材料的固體層14〇能夠在該模具丨〇〇的 表面102上固化。該模具100可浸沒在該熔融半導體材料 120内達30秒或更久（即如從〇. 5至3〇秒）。藉由進一步範 例’該模具100可為浸沒達1〇秒（即如自1秒至4秒）。可 根據熟諳本項技藝之人士所知曉的參數，例如像是該系 統的溫度和熱能傳遞性質以及該半導體材料物品的所欲 性質，以適當地改變該浸沒時間。 圖2顯示自該模具100外部表面102而按如浸沒時間之函數 所測得的固化層厚度之計算圖形。在初始時段上，該固 099141315 表單編號A0101 第15頁/共44頁 1003190928-0 [0046] 201137191 體層快速地成長至最大厚度。然後該厚度在後續時段上 漸減。於初始時段過程中，該熔融半導體材料的固化開 始於該階段I固體層142與熔融物之間的介面處，並且該 階段IISJM144前進到該㈣半導體材料内，如此獲致 該固體層140的正成長速率。而在後續的時段過程中，隨 著該模具的溫度增高並且該模具的熱容量耗盡，就會出 現該階段11固體層144的重熔，如此造成負成長速率。若 令該模具無限期地停留在該經熔融半導體材料12〇内，則 當該模具與該熔融半導體材料達到熱性平衡時，而最終 地整個固體層140 (階段I及階段π固體層）都將會重熔 且消散。 [0047] [0048] 從固化至出現重熔之轉變的時間係經定義為，，轉變時間 。該階段II固體層144的厚度會在該轉變時間處達到其 最大值。可在對應於該固體層之所欲厚度的預定時間後 從該溶融半導體材料中取離該模具。 亦可特別參照圖1Ε及1F觀察到該階段π固體層14〇之成 長及重熔兩者的動態性。在圖1£裡，當該模具1〇2趨近於 其完整地浸沒在該熔融半導體材料12〇内的程度時，該階 段II固體層144可具有非均勻的厚度。在靠近該模具1〇〇 的前領邊緣104處，此處的平均模具溫度因其最長浸沒時 間而為最高’該階段Π固體層144會開始重熔，原因是局 部性的熱流方向係自該模具而朝外。此一重熔會造成該 1¾ 11固體層1 4 4在靠近該前領邊緣1 〇 4處的局部性薄化 。在該模具的另一末端處，此者具有較低的平均模具溫 度並且局部性的熱流方向仍為進入該模具。該模具1 〇 2 099141315 表單編號A0101 第16頁/共44頁 1003190928-0 201137191 的熱能吸收造成該階段II固體層成長進入該炫融物内。 [0049] 現參照圖1F，當該模具溫度上升並且額外重溶進行時， 可在該模具的長度上觀察到該階段II固體層144的非均句 厚度出現變移。圖1Ε及1F内的箭頭是以定性方式表註在 沿該階段11固體層144與該熔融半導體材料丨2〇間之介面 上的不同位置處之相對固體層成長速率。 [0050] Ο 即如圖1A-1F所示’在浸沒過程中可於其上構成一階段！ 固體層142，並且選擇性地直接接觸於該模具100的曝出 表面102。而這又於其上構成一階段II固體層i44並且直 接地接觸到該階段I固體層142。在許多具體實施例裡， 由於缺少該固體層140的完全重熔，因此該階段j固體層 的厚度於浸沒及取出的過程中會大致維持固定，而該階 段II固體層144的厚度則是動態性並且為熱能傳遞動態性 的函數。圖1D-1K内的虛線標註該等階段丨與階段u固體 層142、144之間的邊界。 ο _] 該固體層按如該模具浸沒時間之函數的成長和重熔之其 他特點可如於2009年5月14日申審且共同擁有的美國專利 申請案第12/466，104及12/466，143號案文所述，兹將 該等揭示依參考方<併人本案。 [0052] 當該模具100浸沒在t 程的部份係如前文所 。尤其，圖1F中顯示 該模具相對於該炼融 [該熔融半導體材料120内時該外鑄製 呀述並且在圖1A-1F裡以截面略圖顯示 示當該模具位於其最大浸沒程度並且 融半導體材料120的迷度為零時，該模 具的位置以及該固體層140的構成情況 °後文中將特定地 099141315 表單編號A0101 1003190928-0 201137191 參照於圖1G-1L以說明該外鑄製程的進一步局部（亦即當 自該熔融半導體材料120中取出該模具1〇〇時），其中包含 在該模具的表面上構成一階段III固體層146。 [0053] 在取出該模具的過程中，由於所曝出之固體表面為經固 化的半導體材料而非原始的模具材料，因此該固體表面 與該熔融物之間的濕化動態性很可能會與浸沒過程中所 面臨者有所差異。現參照圖1G，在其中熔融矽質於—矽 質固體層140上固化的範例裡，會在該固體_液態—氣態三 相點處構成動態、凸彎液面13 4。由於該動態性半月片 134之故’在自該熔融半導體材料120取出該模具的過程 中’會在先前所構成的固體層上（階段I及階段Π固體層） 構成額外的固體層146 (階段III固體層）^該階段in固 體層146在此又稱為上疊層，並且可決定經由外鑄處理所 獲得之固體層的最小厚度。 [0054] 構成於該階段I固體層142上方的階段II固體層144雖將 依照該熔融半導體材料12 0表面12 2下方處的局部性熱流 動態性而繼續成長或重熔，然該階段III固體層146係因 該固體層（即如該階段II固體層144之曝出表面）由該熔融 半導體材料120的濕化而構成於該熔融半導體材料120的 平衡表面122上。在取出過程中，該階段III固體層成長 前緣136係自該動態半月片134的下方處由該熔融材料連 續地饋入。 [0055] 在許多具體實施例裡，該固體層140的大部份厚度是在階 段II過程中所構成（即如大致垂直於該模具之外部表面的 成長）。現參照圖1G-1J，在取出過程中所構成的動態半 099141315 表單編號A0101 第18頁/共44頁 1003190928-0 201137191 月片134、階段11固體層144以及階段III固體層146可定 義該熔融物的動態體積128或”拖曳體積”，此者位於該 溶融半導體材料120的平衡表面122上方處。該動態體積 128係因各種熱傳遞機制之故而趨於固化，並於取出過程 中連續地饋入該階段III固化前緣136。 [0056] Ο [0057] [0058] Ο [0059] 在許多具體實施例裡，該取出速率可為自約i至5〇cm/ sec，即如2、5、10或20cm/sec。較高的取出速率可造 成流體拖曳，如此會引生擾動進入該動態半月片而傳導 至該階段III上疊層。 在自該孤器110中取出該模具1〇〇並令足夠冷卻之後，可 利用例如差異性膨脹及/或機械性輔助方式以自該模具 100移除或分離出該半導體材料的固體層14〇 ^或另者， 该固體層140可維持在該模具上而作為受支推的半導 體材料物品。 現再度參照圖2，因為該固體層厚度相對於浸沒時間的曲 線顯示出在該轉變時間處的厚度最大值，因此可利用短 於或長於該轉變時間之浸沒時間以獲得具有特定厚度的 固體層（亦即除該最大厚度以外）。在圖2範例中，可利用 ~1. 2秒或秒的浸沒時間以產生2〇〇微米固體層。 將能暸解任一浸沒時間皆能產生厚度〜2〇〇微米的固體層 ，然個別時間提供不同的處理取捨結果。比起牽涉到5秒 浸沒時間的製程，牽涉到丨.2秒浸沒時間的製程可較快速 地完成，而這在當進行大規模生產時會益發地重要。然 另一方面，由於在約1.2秒處厚度變化的速率（亦即厚度 099141315 表單編號A0101 第19頁/共44頁 1003190928- 201137191 相對於浸沒時間曲線的斜率）遠高於在約5秒處厚度變化 的速率，故而在較快速的製程裡微小起伏將會在固體層 厚度方面導致較大程度的變異。

[0060] 由於該厚度相對於浸沒時間曲線的局部性斜率之故，浸 沒時間或其他製程參數上的任何變化都會導致該固體層 内的變異。說明此項原理的比較性外鑄範例可參照圖3所 描述，該圖說明對於經構成於具有15cm X 15cm X 1. 5mm厚度之二氧化矽模具之上的矽質固體層並且初始溫 度為1002(：該固體層厚度相對於時間的點繪圖。

[0061] 該固體層的目標厚度為200微米而具有盡可能低度的TTV ，即如小於30微米。即如參照圖3所見，該轉變時間約為 1. 5秒，此者對應於約350微米的最大固體層厚度。可選 定在該固化範圍内的浸沒時間（~0. 25秒）或是在該重熔範 圍内的浸沒時間（〜7. 2秒）以固化具有200微米目標厚度 的固體層。 [0062] 對於擁有這些維度的模具來說，20cm/sec的浸沒/取出 速度會在該模具的前領與尾後邊緣之間造成1. 5秒的過度 留駐時間。就以7. 2秒的平均浸沒時間，該模具的前領邊 緣會體驗到7. 95秒的局部性浸沒時間，而該模具的尾後 邊緣則體驗到6. 45秒的局部性浸沒時間。這項在浸沒時 間上的變化會導致215微米的局部性前領邊緣厚度、182 微米的局部性尾後邊緣厚度，以及〜33微米的最大TTV。 該前領與尾後邊緣之間的留駐時間窗口可為利用圖3的垂 直虛線所說明。 099141315 表單編號A0101 第20頁/共44頁 1003190928-0 201137191 [0063] [0064] Ο [0065] Ο [0066] 本案申請人既已發現可藉由選擇模具屬型，像是適當模 具的組成成分、厚度和初始溫度，使得相對應厚度相對 於浸沒時間曲線内之最大厚度是等於該固體層的目標厚 度以獲致總厚度變異的最小化。 在一具體實施例裡，矽質固體層的目標厚度維持為200微 米。在此範例裡，該模具維度為15cm X 15cm X 3mm厚 並且初始模具溫度為800QC。即如參照圖4所見，此項對 於二氧化矽模具之模具厚度及初始溫度的組合可獲致一 狀況，即其中位在該轉變時間處（〜3. 6秒）的最大厚度概 略地等於200微米的目標厚度，同時該厚度相對於浸沒時 間曲線的局部性斜率會接近於零，而如此可減少該固體 層厚度内的時間相關性變化。 在對應於圖4的範例裡，就以3. 6秒的平均浸沒時間而言 ，該模具的前領邊緣體驗到4. 35秒的局部性浸沒時間， 該模具的中線體驗到3. 6秒的局部性浸沒時間，而該模具 的尾後邊緣則體驗到2. 85秒的局部性浸沒時間。這項在 浸沒時間上的變異會導致195. 5微米的局部性前領邊緣厚 度、198. 3微米的局部性中線厚度，以及195. 1微米的局 部性尾後邊緣厚度。相對應的TTV為3. 2微米。關聯於該 比較性製程，確可降低TTV結果一個數量級的數階。 將能瞭解可利用至少模具材料、模具厚度和初始模具溫 度之各種組合來操縱該厚度相對於浸沒時間曲線的形狀 ，包含該轉變時間的數值以及對於最大固體層厚度的相 對應數值在内。模具材料的選擇可影響例如該模具的熱 傳導性、密度及熱容量。對於二氧化矽模具，模具厚度 099141315 表單編號A0101 第21頁/共44頁 1003190928-0 201137191 和初始模具溫度對於最大固體層厚度以及相伴隨之轉變 溫度的效應可如圖5及6所示。 [0067] 圖5為對於各種模具厚度最大固體層厚度相對於初始模具 溫度的圖式，而圖6則為對於各種模具厚度轉變時間相對 於初始模具溫度的圖式。圖5及圖6各圖式中顯示出，對 於1、2、3及4mm的模具厚度，最大固體層厚度或轉變時 間對於初始模具溫度的相關性，即如個別鍵值中所註明 者。對於像是該等可針對具有熱性質範圍（即如熱傳導性 、密度、熱容量等等）之模具進行開發的圖式，熟諳本項 技藝之人士能夠決定對於所欲低T T V製程的適當參數空間 〇 [0068] 本揭方法可用以生產具有關聯於例如總厚度、厚度變化 、不純物内容及/或表面粗糙度之一或更多所欲屬性的半 導體材料物品。而此等物品，例如像是矽質薄片，可運 用於像是光伏裝置的電子裝置。藉由範例，一種如所構 成的石夕質薄片可具有約1 5 6mm X 1 56mm的表面維度， ΙΟΟμιη至400μιη範圍的厚度以及眾多大於lram的顆粒。在 許多具體實施例裡，該固體層的總厚度為150、200、 250、300、350或400μιη。而在進一步具體實施例裡，該 固體層的總厚度小於40Ομιη (即如小於350、30 0、250 、200 或 1 50μπι)。 [0069] 本揭方法的其一優點包含可將因駐留時間在該固體層表 面維度上之變化所致生的總厚度變化（TTV)最小化之能力 。進一步優點為可將由於製程參數，像是模具及熔融溫 度，起伏所致生之總厚度變化最小化的能力。 099141315 表單編號Α0101 第22頁/共44頁 1003190928-0 201137191 [0070] 總厚度變化意味著在〜 最薄點處間的厚度上層之取樣區域裡最厚點處與 ττν是等於（t : ‘正範化最大差值。該總厚度變化 max — τ . )/+ ln target Ο [0071]

G

[0072] 取樣區域内的最大及1Π target '、為該 小厚度，並且t * Q I- 。該取樣區域可宕墓％ target曷目軚厚度 心我為該固體層的整體 具體實施例裡，該0^局邠。在一 趙層的總厚度變化小於1〇 於5%)。在牽涉到構 (即如小 你㈣… 上固體層的製程裡，厚度散 佈係經疋義為平均固厗度散 差。 料度對目標厚度之比值的標準 除另註明者外，本專 案文及申請專利範圍中所使用的 —專_心=數=== 體。業已致力於確保本揭數值的正確性。然任何 測:數值皆可㈣地含有源自於其相_量技術方面上 所哥知之標準差的些略誤差。 注意到即如在本巾敎件和後載之巾請專利_中所使 用者，除顯著地且明確地外受限於單一參照物者外，單數 形式"―"及"該”包含複數參考，反之亦然。故而，僅藉由 範例，所稱之"一固體層"實可參指為一個或多個固體層， 並且所稱之"一半導體材料"實可參指為一個或多個半導 體材料。即如本發明所揭示中所使用者該詞彙"包含"及 其文法變化項係欲為非限制性，使得在列表中的項目引述 並不排除可取代或增添於該等所列項目的其他類似項目 099141315 表單編號Α0101 第23頁/共44頁 1003190928-0 201137191 [0073]人們了解業界熟知此技術者能夠對本發明所揭示過浐^ 及方法作各種變化及改變而並不會脫離所揭示内容之範 圍。業界熟知此技術者能夠考慮說明書及實施在此所揭 示本發明内容而了解其他實❹卜預期說明書中所說明 實施例視為範例。 【圖式簡單說明】 闺底下賴_@在此加人構成制t之部份以及顯示出 本發明-般實施例以及並不考慮受限於本發明範圍，本發 明允許其他相同有效之實施例。附圖並不會需要按昭比 例，以及附圖特定特徵以及特定觀點之比例可放大或為了 清析而示意性地顯示出。 剛ffllWL說明-種用以製作半導體材料之物品的示範性外 鑄方法； 剛㈤為隨層厚度相對於浸沒時間_論圖形； 剛S3為«比較性_之㈣層厚度相對於肢時間的圖 形； 闺® 4為根據-具體實施狀_層厚度㈣於浸沒時間的 圖形； 國@5為躲不同模具維度之最大固體層厚度相對於初始模 具溫度的圖形；以及 [_]目6為對於不同模具維度之轉變時間相對於初始模具溫度 的圖形。 【主要元件符號說明】 099141315 表單編號A0101 第24頁/共44頁 1003190928-0 201137191 [0081] 模具100;表面Ι〇2;前領邊緣ι〇4;皿器邊壁 112;熔融半導體材料120;表面122;凸彎液面124;體 積128;彎液面134;固化前緣136;固體層140;階段I 固體層142;階段Π固體層144;階段III固體層146; 大氣1 9 0。 Ο ο 099141315 表單編號Α0101 第25頁/共44頁 1003190928-0

Claims (1)

1. 201137191 七、申請專利範圍： 1 · 一種製作半導體材料之固體層的方法，其中包含·· 決定該固體層的目標厚度； 4定具有至少一模具屬性的模具，使得在固體層厚度相 對於為以將該模具浸沒在炼融半導體材料内之浸沒時間的 點緣圖裡，出現在一轉變時間處的固體層厚度最大值係大 致等於該目標厚度；以及 將該模具浸沒在該㈣半導體材料内並取出該模具以在 X模具的外#表面上構成半導體材料固體層其中該模具 ， 的&沒時間大致等於該轉變時間。 2 ·如申β月專利範圍第J項所述之方法其中該至少一模具屬 係自模具組成成分、模具厚度和初始模具溫度中所選定 .如申請專利範圍第1項所述之方法， —氧化矽、石墨、氮化矽、單晶矽妄 .如申請專利範圍第1項所述之方法， 圍係自約0. 1至l〇〇mm。 .如申請專利範圍第1項所述之方法， 度範圍係自約-50°c至1400^。 .如申請專利範圍第1項所述之方法， 約 1 至50cm/sec。 .如申請專利範圍第1項所述之方法， 約 1 至50cm/sec。 •如申請專利範圍第1項所述之方法， 於取出速率。 其中該模具含有熔融 L多晶咬。 其中該模具的厚度範 其中該模具的初始溫 其中該浸沒速率係自 其中該取出速率係自 其中浸沒速率大致等 099141315 表單編號A0101 第26頁/共 1003190928-0 201137191 9 . 一種半導體材料固體層，該固體層根據申請專利範圍第1項 之方法製作出。 10 .如申請專利範圍第9項所述之固體層，其中該固體層的總 厚度變化係低於10%。 Ο

   099141315 表單編號A0101 第27頁/共44頁 1003190928-0