TW201139763A - High throughput recrystallization of semiconducting materials - Google Patents

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Balram Suman
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201139763 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本揭示是關於製造及/或處置半導體材料物品的方法，以 及猎此所製造及/或處置而得的半導體材料物品。 【先前技術】 [0002] 半導體材料可運用於各種應用項目，並且可為併入在例 如像是光伏裝置的電子裝置内。光伏裝置可透過光伏效 應將光線輻射轉換成電能。 〇 [0003]光伏裝置可含有矽而例如作為半導體材料。對於矽式裝 置而言，可利用各種技術以將矽構成為具有各種形狀。 這些範例包含經構成如錠塊、薄片或條帶。此矽町為由 底置基板所支撐，或者未受支撐。然而，用以製造受支 撐及未受支撐之矽物品的傳統方法具有多項缺點。 剛製造未受支撐之半導體材料物品，例如像切薄片，的 方法可能耗時過長或者浪費半導體材料原料。来受支撐 的單晶體半導體材料可為例如利用a 1 sk丨製程所 生產。然而，這些體塊方法在當將該材料切割成薄片或 晶圓時可能不利地導致顯著的劈截損失。其1一生產 未受支撐多晶體半導體材料的方法包含電礎鑄造以及條 帶成長技術。但是這些技術都具有耗時冗長和成本昂貴 :傾向。利时條帶技術所生產的多㈣條帶通常僅能 按約卜2Cm/min的速率所構成。 [0005] 099142354 又謂半導騎料“可為按成本較低方柄製造，缺 斜導體材料薄片會到其上構成: ’並且該基板可能必須符之基板的限制 表單編號侧 第3頁/共:，程及應用要求’而這 1003167693-0 201139763 些要求可能會有所衝突。 [0006] 製造未支撐多晶半導體材料之方法揭示於共同申請人 2008年2月29日申請之美國第61 /067, 679號專利申請案 ，該專利發明名稱為"Method of Making an Unsupported Article of a Pure or Doped Semicon-ducting Element or A1 loy"以及 2009 年9 月 3 曰申請 之PCT W009/1 08358號專利公告案，該專利發明名稱為 Methods of Making an Unsupported Article of Pure of Doped Semiconducting Element or Al-loy"，這些專利之說明在此加入作為參考。 [0007] 半導體材料的性質可依據各種因素而定，包含晶體顆粒 結構、本生性瑕疵的聚集度和類型，以及摻質物或其他 不純物的出現與分佈。在半導體材料内，例如晶體顆粒 大小、顆粒大小分佈及顆粒指向都會對所獲裝置的效能 造成影響。藉由範例’像是光伏裝置之半導體式裝置的 V電性，並因而整體效率，將概可隨著更大且更為均勻 的晶體顆粒而獲改善。 [0008] 、 -w…咖肪州科〇—口貝的降低， 並因而減少該所獲半導體式裝置的效率性。其一解決方 案為自改善顆粒結構及/或其他將瑕疫予以最小化的製程 中移離製造半導體材料物品（即如石夕薄片）的製程。目e 099142354 第4頁/共35頁 項高產通量步驟裡產生擁有所欲幾何性(即：厚 又、見度及/或長度）的半導體材料，後隨以其中可對顆 =程瑕絲集度等等進行修改的第二項步驟。移離 範性…請並且標題 1003Κ 201139763 [0009] Ο 為” Methods of Treating Semiconducting Materials ,and Treated Semiconducting Materials ”的美國專利申請案第12/156, 499號案文所述，茲將該 案揭示依參考方式併入本案。 其他方法，如Fraunhofer Institut Solar Energiesysteme之WO 2009/002550 A1 以及” The ZMR 100 Zone melt Recrystallization System for Silicon Films”案文所述的”區帶熔融再結晶 (ZMR)”製程和相關方式是藉由沿該基板平面掃描一熱源 以進行熔融並在橫側方向上再固化半導體材料，或反是 。然而這些ZMR方法會面臨多項缺點，像是不如預期的產 通量.。 [0010] ο [0011] 如在此所說明，我們已發現其他製造半導體材料物品方法 及/或處理半導體材料物品之方法。所揭示方法容易形成 具有所需要屬性之半導體材料物品，該屬性例如為一項或 多項之改善晶粒結構，減少缺陷低表面粗糙度以及均勻 厚度，同時減少降低材料浪費及增加生產率。 【發明内容】 根據本揭㈣各種示紐具體實關1提供用以製造 第二半導體材料物品的方法，其中包含提供第—半導體材料物品；足夠地加熱該第一半導體材料物品以熔融該 第一半導體材料物品；以及在一大致平行於該溶融第一 半導體材料物品之最短尺寸的方向上固化該雜第一半 導體材料物品。 099142354 =:的其他=具體實施例是有關於處置第 第5頁/共35頁 1003167693-0 [0012] 201139763 半導體材料物品的方法，其中包含足夠地加熱該第一半 導體材料物品以熔融該第一半導體材料物品；以及在一 大致平行於該熔融第一半導體材料物品之最短尺寸的方 向上固化該熔融第一半導體材料物品。前揭製造第二半 導體材料物品以及處置該第一半導體材料物品的方法可 改善該第一半導體材料物品之晶體顆粒結構及/或表面性 質的至少一者。 [0013] 其他示範性具體實施例是有關於藉由下列方式製造第二 半導體材料物品的方法，即足夠地加熱第一半導體材料 物品以熔融該第一半導體材料物品；以及在一大致平行 於該熔融第一物品之最短尺寸的方向上固化該熔融第一 半導體材料物品。該第二半導體材料物品可具有經改善 的晶體顆粒結構及/或表面性質。 [0014] 即如本揭中所使用者，該詞彙”半導體材料”包含展現 半導體性質的材料，以非限制性方式舉例可如像是矽、 鍺、錫合金和化合物、神化鎵、二氧化鈦、其等之合金 、其等之化合物以及其等之混合物。在各種具體實施例 裡，該半導體材料可為純淨（例如像是本生性或i型矽）， 或經摻質（例如像是含有η型或p型掺質物的石夕，分別地即 如磷或硼）。 [0015] 即如本揭中所使用者，該詞彙”半導體材料物品”包含 任何形狀或形式的晶態或非晶態半導體材料。該等物品 的範例包含平滑或經紋理化的物品；平坦、曲形、彎折 或經角度化的物品；對稱或非對稱的物品；以及含有各 種形式的物品，例如像是薄片、膜層、晶圓、錠塊、條 099142354 表單編號Α0101 第6頁/共35頁 1003167693-0 201139763 帶或長桿。在一具體實施例裡，該半導體材料物品可擁 有至少一大致平面的表面。在其他具體實施例裡，該半 導體材料物品可含有厚度例如自約25叫至5〇〇〇叩範圍， 例如自約100Mm至3〇〇um範圍以及長度及寬度彼此獨立為 自約75/zm至500cm範圍，例如為自約250 至250cm範 圍’自約500 /zm至I5cm範圍之薄片。 . [0016] Ο [00173 [0018] ❹ [0019] [0020] 在此所使用術語"未支撐的"意指半導體材料之自由靜止 的物件（即半導體材料物品並不與基板整體形成）。 在此所使用術語"支撐的"意指半導體材料藉由例如至少 化學鍵結至基板及/或至少一個半導體材料物品。 即如本揭中所使用者，該詞彙”第一半導體材料物品” 意指在本揭所述之加熱步驟前提供的任何半導體材料物 品。例如，即如前述，在至少一具體實施例裡，該第一 半導體材料物品可為網狀矽膜層，像是由美國專利申請 案第PCT/US09/01268號案文所揭示之外鑄製程所製造者 即如本揭中所使用者，該詞彙”第二半導體材料物品” 意指自既已承受於本揭所述加熱及固化步驟之第一半導 體材料物品而構成的任何半導體材料物品。在一具體實 施例裡，該”第二半導體材料物品，’可保留該相對應第 一半導體材料物品的整體組成成分、幾何性、形狀及/或 形式。 即如本揭中所使用者，該詞彙，，合金”意指至少兩種金 屬之固態炫體的均質現合物，而其一金屬的原子取代或 099142354 表單編號A0101 第7頁/共35寅 1003167693-0 201139763 佔據另一者之原子間的空隙性位置。 [0021] 即如本揭中所使用者，該詞彙”大致平面性表面”意指 任何大致平坦表面（亦即在此其本生性曲率大致為零）。 在本揭示情境裡，應瞭解一半導體材料物品的整體表面（ 亦即以巨觀比例而言）雖可視為大致平面性，然在任何特 定位置處檢視該表面（亦即以微觀比例而言）確能顯示一 些表面不規則性。而為本揭示之目的，以巨觀比例而言 為大致平面然又可具備此等微觀表面不規則性的表面係 予視為”具有大致平面性”。 [0022] 即如本揭中所使用者，該詞彙”大致平行”意指在大致 相同方向上並在所有點處皆為大致等距地延伸。在本揭 示情境裡，應瞭解直線及/或平面雖可被視為大致整體地 平行（亦即以巨觀比例而言），然在任何特定位置處檢視 該等直線（亦即以微觀比例而言）可顯示在方向上的一些 不規則性（亦即並非大致平行）。而為本揭示之目的，以 巨觀比例而言為大致平行，然又可具備此等在方向上之 微觀不規則性的直線及/或平面係予視為”具有大致平行 性”。 [0023] 即如本揭中所使用者，該詞彙”大致垂直”意指一直線 或平面對另一給定直線或平面相交並且構成大致直角。 在本揭示情境裡，應瞭解直線及/或平面雖可被視為大致 整體地垂直（亦即以巨觀比例而言），然在任何特定位置 處檢視該等直線（亦即以微觀比例而言）可顯示在方向上 的一些不規則性（亦即並非大致垂直）。而為本揭示之目 的，以巨觀比例而言為大致垂直，然又可具備此等在方 099142354 表單編號A0101 第8頁/共35頁 1003167693-0 201139763 向上之微觀不規則性的直線及/或平面係予視為” 致垂直性”。 具有大 [0024] ❹ 即如本射所制者，相對於—半導體材料物品所運用 的’彙’大致靜止，’意指並無或者在大致 半導體材料物品之最短尺寸的方向上僅有最小移動^ 如’在-具體實施例裡’該第一半導體材料物品及/或該 炫融第-半導體材料物品可分別地於加熱和方向性固化乂 驟的過程中維持大致靜止。在本揭示情境裡’應瞭解 ^第半導體材料物品及/或該溶融第—半導體材料物品 可於該等加熱和方向性固化步驟的過程t維持為大致 整體地靜止（亦即以巨觀比例而言），然在任何特定位置 处檢視4第—半導體材料物品及/或該熔融第-半導體材 料物品（LX微觀比例而言）可顯示在移動上的—些不 規則性（亦即並非大致靜止）。 — [0025] Ο 而為本揭示之目的’以巨觀比例而言為大致靜止，然又 可具備此等在移動上之微觀不規則性的第—半導體材料 物品及/或溶融第-半導體材料物品係予視為，，具有大致 靜止性”。 [0026] 即如本揭中所使用者，該詞句”該熔融第一半導體材料 物品之最紐尺寸”意指，相較於該第一半導體材料物品 °玄溶融第半導體材料物品之最短尺寸而無關於其方 向性指向。例如，在一具體實施例裡，該熔融第—半導 體材料物品可經部份地熔融以製造該第一半導體材料物 品的熔物庫池，並且該熔融第—半導體材料物品的最短 099142354 尺寸可為按異於該第一半導體材料物品之最短尺寸的 表單編號A0101 筮Q百/丘叩百 顯 1003167693-0 201139763 著不同指向。在另一具體實施例裡，該熔物庫池之最短 尺寸的方向可在與該第一半導體材料物品之最短尺寸大 致相同的方向上。 [0027] 即如本揭中所使用者，該詞彙”基板”意指一結構的任 何底部或頂部（頂板）層，該者可在該半導體材料的熔點 上維持為大致固態的形式，並且不會與該半導體材料或 覆蓋層產生反應（即大致為化學惰性），即如本揭中所述 者。該基板可接觸於該第一半導體材料物品及/或至少一 覆蓋層的整體表面，或者該者可僅接觸於該第一半導體 材料物品及/或至少一覆蓋層的多個局部，像是該第一半 導體材料物品及/或至少一覆蓋層的末端或邊緣處。在一 些具體實施例裡，該基板可含有例如像是二氧化矽的折 射性材料。亦可運用其他材料以構成該基板，並且在一 些具體實施例裡可依據該材料阻抗高溫及/或降低不純物 對該第一半導體材料物品造成污染之風險的能力所選定 。在一些具體實施例裡，該基板含有熱源。 [0028] 在此所使用詞組'’提升的生產率''及其變化包含對於傳統 生產半導體材料的方法（例如帶成長方法），於半導體材料 物件的生產率之提升。舉例來說，提升的生產率可為任何 大於約1-2 cm/mi η者。 [0029] 在此所使用詞組''降低材料浪費”及其變化意指半導體材 料的量透過傳統方法在生產半導體材料之物件後切割之 損失。 [0030] 即如本揭中所使用者，該詞彙”晶體顆粒結構”包含顆 099142354 表單編號Α0101 第10頁/共35頁 1003167693-0 201139763 [0031] Ο [0032] [0033]
[0034] [0035] 099142354 粒大小、顆粒形狀、顆粒大小的均勻度、顆粒形狀的均 勻度及/或顆粒方向的均勻度。 即如本揭中所使用者，”經改善的晶體顆粒結構”以及 其變化項目意指在該半導體材料之任何一或更多晶體顆 粒特性方面的改善結果，例如像是晶體顆粒紋理、晶體 顆粒均勻度和晶體顆粒大小及/或形狀、晶體顆粒指向， 並且/或者，相較於生產半導體材料的傳統方法，可供減 少該第二半導體材料物品或將需予進行之後處理的量值 〇 即如本揭中所使用者，該詞彙”縱長顆粒”包含在大致 平行於該熔融第一半導體材料物品最短尺寸之方向上成 長的晶體。 即如本揭中所使用者，”經改善之表面性質”意指在任 何一或更多表面性質方面的改善結果，例如像是表面拓 樸和表面外觀。經改善的表面性質亦可包含在該半導體 材料物品之厚度上的改善結果，例如像是產生均勻的厚 度及/或減少該半導體材料物品的厚度。 在此所使用術語”晶質''意指任何包含晶體結構之材料，包 含例如單晶質及多晶質材料。 在此所使用術語”多晶質”包含任何包含複數個晶體顆粒 之材料。舉例來說，多晶質材料可包含多晶質，微晶質， 及奈米晶質材料。 即如本揭中所使用者，該詞彙”非晶態”包含任何含缺 少長範圍序階的材料。 表單編號Α0101 第11頁/共35頁 1003Β7693-0 [0036] 201139763 [0037] 即如本揭中所使用者，該詞句”該熔融第一半導體材料 物品的熱含量”以及其變化項目意指該熔融第一半導體 材料物品的平均熱含量。該熔融半導體材料内的局部性 溫度可在任何時間點處改變，例如像是當加熱該第一半 導體材料物品時在該熔融半導體材料裡接近於該熱源的 區域，或者受曝於大氣條件的熔融半導體材料。在各種 具體實施例裡，該熔融半導體材料的平均熱含量為大致 均勻，即使是出現任何局部性溫度變異亦然。 [0038] 即如本揭中所使用者，該詞彙”熔物庫池”意指在一第 一半導體材料物品之上或之内所收集到的熔融材料量值 ，其中該熔融材料含有與該第一半導體材料物品近似相 同的組成成分，並且是藉由令該第一半導體材料物品受 曝於一熱源而足供該第一半導體材料物品的至少一部份 成為熔融所構成。 [0039] 即如本揭中所使用者，該詞句”足夠地加熱該第一半導 體材料物品以熔融該第一半導體材料物品”意指該第一 半導體材料物品被足夠地加熱以在任何方向上部份地或 完全地熔融該第一半導體材料物品。例如，在一具體實 施例裡，該第一半導體材料物品可經足夠加熱以在自該 第一半導體材料物品之頂部、底部及/或任何至少一側所 指向的任何方向上部份地或完全地熔融該第一半導體材 料物品。 [0040] 即如在此所用，該等詞彙”熔融”、”熔解”以及其變 化項目為可互換。 099142354 表單編號A0101 第12頁/共35頁 1003167693-0 201139763 [0041] [0042] [0043] Ο [0044]
即如本揭中所使用者，該詞彙”覆蓋層”意指，在本揭 所述的加熱步驟之前，可先予沉積及/或構成於該第一半 導體材料物品之至少一表面上，整體地或部份地，藉以 顯著地禁阻該熔融第一半導體材料物品表面積減少的任 何（多個）材料。 即如本揭中所使用者，該詞彙”固化”以及其變化項目 意指令為固態（亦即從液態改變為固態形式）。 即如本揭中所使用者，該詞彙”方向性固化”意指在大 致平行於該熔融第一半導體材料物品最短尺寸之方向上 固化該熔融第一半導體材料物品的方法。 即如本揭中所使用者，該詞彙”固態/液態介面”意指被 視為一共同邊界而大致分隔該固態半導體材料和該液態（ 亦即熔融）半導體材料的表面。在本揭示情境裡，應瞭解 整體的固態/液態介面（亦即以巨觀比例而言）雖可為大致 垂直於該熔融第一半導體材料物品的最短尺寸，然在任 何特定位置處檢視該固態/液態介面（亦即以微觀比例而 言）可顯示在方向上的一些不規則性（亦即並非大致垂直） 。而為本揭示之目的，以巨觀比例而言為大致垂直於該 熔融第一半導體材料物品的最短尺寸，然又可具備此等 在方向上之微觀不規則性的固態/液態介面係予視為”固 態/液態介面”。 即如本揭中所使用者，該詞彙”垂直方向”以及其變化 項目意指大致平行於該熔融第一半導體材料物品之最短 尺寸的方向。 099142354 表單編號Α0101 第13頁/共35頁 1003167693-0 [0045] 201139763 [0046] 即如本揭中所使用者，該詞彙”橫邊方向”以及其變化 項目意指大致垂直於該熔融第一半導體材料物品之最短 尺寸的方向。 [0047] 即如本揭中所使用者，本揭示是關於製造及/或處置半導 體材料物品的方法，以及藉此所製造及/或處置而得的半 導體材料物品。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。應進 一步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。 [0048] 本發明的其他特性與優點將可自後文詳細說明以及後載 申請專利範圍所顯見。 【實施方式】 [0049] 現在參考附圖詳細說明本發明。在詳細說明中，揭示出許 多特定細節以提供作為完全瞭解本發明。不過，熟知此技 術者能夠了解本發明能夠實施而並不需要一些或全部之 細節。在其他情況中，熟知的特性及/或處理步驟可不詳 細說明而不會模糊本發明。除此，儘可能地相同的參考數 目表示相同的元件。 [0050] 本揭示考量到各種用以製造第二半導體材料物品或處置 第一半導體材料物品的示範性方法，其中包含提供第一 半導體材料物品；足夠地加熱該第一半導體材料物品以 熔融該第一半導體材料物品；以及在一大致平行於該熔 融第一半導體材料物品之最短尺寸的方向上固化該熔融 第一半導體材料物品，像是在厚度的方向上（即如約200 099142354 表單編號A0101 第14頁/共35頁 1003167693-0 201139763 [0051]
[0052] 099142354 微米）。該熔融第一半導體材料物品20之最短尺寸10的示 範性具體實施例可如圖1中虛線所示。在一具體實施例裡 ，該第一半導體材料物品可為部份地或完全地熔融，隨 後為在大致平行於該熔融第一半導體材料物品之最短尺 寸（即如厚度）的方向上進行固化。本揭示亦考量到由本 揭所述製程而製造之第二半導體材料物品的各種示範性 具體實施例。 在根據本揭示的示範性具體實施例裡，可將構成例如網 形石夕（即如15 cm X 15 cm X 200微米）之第一半導體材料 物品的方法移離於細化顆粒大小和瑕疵密度的方法。在 第一步驟中，可藉由熟諳本項技藝之人士已知的任何方 法來構成第一半導體材料物品。僅藉由範例，可藉由如 美國專利申請案第PCT/US09/0 1268號案文所揭示之外鑄 製程以依高產通量產生具有所欲厚度的矽。可藉由這些 製程達到高產通量，像是6000cm2/miri或甚更高的產通 量。藉由多工處理（亦即同時地構成多個第一半導體材料 物品），產通量可為顯著地提升以供有效率地運用熔器/ 烘爐空間。 在一些具體實施例裡，由這些高產通量製程所構成的第 一半導體材料物品對於所欲應用項目而言並無須具備最 佳的晶體品質（即如大小分佈、指向、瑕疵密度、表面性 質）。這可能是由於高沾/拉速度（產通量）與瑕疵聚集度 之間的相反關係所致。據此，該第一半導體材料物品可 為根據本揭所述的各種方法進一步處理。 在提供該第一半導體材料物品之後，該第一半導體材料 表單編號A0101 第15頁/共35頁 1003167693-0 [0053] 201139763 物品可經足夠地加熱以部份地或完全地熔融該第一半導 體材料物品，然後在大致平行於該熔融第一半導體材料 物品之最短尺寸的方向上固化。在至少一些具體實施例 裡，該第一半導體材料物品可為供置於一基板上以利進 行該加熱及/或方向性固化步驟。非限制性的基板範例包 含陶瓷、玻璃和石墨基板以及其等的混合物。在進一步 示範性具體實施例裡，該基板材料可為一混合物，其中 含有該半導體材料本身的散置粒子，像是按降簡形式者 。例如，該基板可含有矽/二氧化矽的合成物。藉由適當 地選擇基板材料（即如熱導性、密度、特定熱能、多孔性 、厚度等等）以及製程參數（即如基板溫度、熱源溫度等 等），即能在所構成的第二半導體材料物品裡達到相對較 低的厚度變化性。 [0054] 在各種示範性具體實施例裡，可藉由至少一熱源對第一 半導體材料物品進行加熱。例如，在一具體實施例裡， 加熱該第一半導體材料物品包含令該第一半導體材料物 品的底部或頂部表面受曝於一熱源。在另一具體實施例 裡，加熱該第一半導體材料物品包含令該第一半導體材 料物品的頂部表面受曝於第一熱源，並且令該第一半導 體材料物品的底部表面受曝於第二熱源，此第二熱源可 為相同或不同於該第一熱源。 [0055] 熟諳本項技藝之人士將能夠依據本揭所述方法的任何特 定具體實施例以決定適用於加熱該第一半導體材料物品 的加熱技術和參數。在各種示範性具體實施例裡，該熱 源可為局部性地施用並且具有足夠熱流以熔融該第一半 099142354 表單編號A0101 第16頁/共35頁 1003167693-0 導體材料物品。任何能夠提供足夠熱流以部份地或完全 地炫融該第-半導體材料物品的加熱方法皆可運用，例 如像是如美國專利申請案第1 2/156, 499號案文所揭示並 主張的任何加熱方法。此等加熱方法包含例如燃燒熱源（ 火鼓）、電性放電來源（電衆）、紅外線發射（電阻構件、 燈泡）以及其等的任何組合。此外，在各種示範性具體實 施例裡，該熱源可為自下列各者所収，即熱能貯庫（亦 即任何能夠予以加熱的材料，包含例如石墨塊）、氫/氧 火燄、氫/齒素火燄（即如氫/氣火燄）、鎢質惰性氣體 (TIG)火燄，此者可選擇性地含有經二氧化矽包封的鎢晰 電極、IR燈泡，例如像是鹵素燈及雷射陣列、氩戈氕^ 漿火燄、電性放電來源、電弧燈泡，以及碳桿，像:狖 RF加熱碳桿，此者可為選擇性地包封以避免碜質進 另污染该溶融半導體材料以及該等組合。 次 在一些不範性具體實施例裡，利用不致對該熔融第“ 導體材料物品造成污染的熱源可為有利。藉由範 半 所處置的第一半導體材料物品為矽時，可利用戽例，當 化矽喷嘴的熱源。在其他的示範性具體實施例糙有〜氣 具有過度氫質的氫/氧火燄可為有利。在—此，煲用 裡，該熱源可為單孔噴嘴類型，或是多重、直·見施例 形的喷嘴。在至少-具體實施例裡，軸源可塑 、直線或經塑形的輻射狀熱源。 有多重 用於熔融該第-半導體材料物品的適#加熱參t 熟諳本項技藝之人士針對任何特定具體實施例簡可為由 定。例如’热諳本項技藝之人士可選擇該熱易地决 、、大小及/ 表單編號删1 第Π頁/共35頁 久/ 201139763 或形狀俾配合於該第一半導體材料物品、該所欲半導體 材料溶物庫池或是兩者的大小及/或形狀。此外，熱能的 流率和施予熱能的時間長度可為根據例如所產生之溶物 庫池的大小、待予控制之熱流以及其他因素改變，而實 作本發明的熟諳本項技藝之人士確能便利地決定。在一 些具體實施例裡，該熱源可含有多個熱源，例如像是按 陣列方式所排置的多個熱源。在各種示範性具體實施例 裡，該熱源可為固定或可移動。在各種具體實施例裡， 該熱源亦可為合併，亦即”混合式熱源”。即如非限制 性範例，混合式熱源可包含與火燄或電弧相合併的IR燈 泡。 [0058] 對於產生該熔物庫池的適當溫度可為例如該半導體材料 的熔融溫度或更高。例如，該第一半導體材料物品可經 加熱至自約900 °C到約1 650 ° C或更高之範圍的溫度。藉 由非限制性範例，該半導體材料可經加熱自約1 350 ° C至 約1450°C。即如進一步非限制性範例，在一具體實施例 裡，其中該第一半導體材料物品為矽，該者可被加熱自 約1414°C至約1 650 °C。熟諳本項技藝之人士將能瞭解用 以產生熔物庫池的適當溫度可為根據多項因素而改變， 例如像是該第一半導體材料物品的組成成分、該者所受 加熱的條件等等。 [0059] 在一些具體實施例裡，亦可藉由觀察該第一半導體材料 物品之放射率的變化以監視熱流的施用情況。例如，在 其中該半導體材料係自矽或矽合金所選定的具體實施例 裡，當施用該熱源時，可藉由光熾度的上升來監視溫度 099142354 表單編號A0101 第18頁/共35頁 1003167693-0 201139763 [0060]
[0061]
的增高1而纽融時，放射率可能隨相對應亮度減少 而下降’即使該熔融區域為較熱的事實亦同。當例如透 過烊燒破璃進行檢視時，熟諳本項技藝之人士可注音到 未經熔融材料會較明亮，並因此可決定所產生之溶物 池的點處。 =任何特定的具體實施例運用於加熱之較佳加熱方法 〇數可依照例如該第-半導體材料物品所含有之半導 體材料、是否既經摻質、究係、希望部份地或完全地溶融 、«二半導體材料物品的所欲性質，以及其他可由孰 諳本項技藝之人士良好決定辑估的參數而定。 你合禋具體實 …^里千等體材料的表面張力 之故（例切，約_達因/⑻，可在加熱之前先選擇性 地採行額外步驟。高張力液_層《收縮其表面區域 以最小化表面能量並且出現，，球化，，的自然傾向。因而 當溶融時，該液體膜層在基板上可能並非平卜這 運用於—些具體實施例。在至少―具體實_裡，可能 希望是具Μ夠大的厚度，故而重力能夠克服表面張力 的收縮力度。在另-具體實施例裡，可在加熱前或過程 中將-覆蓋層沉積或構成於該第一半導體材料物品的至 少^表面上。熟諳本項技藝之人士可針對任何特 體實施例便利地決U否需要此覆蓋層。 - 099142354 [0062] 一旦藉由該加熱步驟以部份地或完全地熔融該第一半導 體材料物品後，該炫融第―半導體材料物品即藉由錄 其熱含量以在平行於該炫 应蛐第—半導體材料物品之最短 尺寸的方向上固化。無欲成ΙΒ> 、、又理論所限，據信該方向性固 表單編號Α0101 第19頁/共35 U 頁 1003167693-0 201139763 化可至少部份地控制該第二半導體材料物品的最終微結 構（亦即顆粒大小、指向等等）與瑕疵密度。由於該等兩 者性質係強烈地依據固態-液態介面形狀和固態—液態介 面速度（亦即固化速度）而定，因此藉由適當地控制該方 向性固化速率，該第二半導體材料物品可依大型縱長顆 粒以及低瑕疵密度所成長。在至少一具體實施例裡，該 固態-液態介面維持在大致垂直於該熔融第一半導體材料 物品的最短尺寸。該固態-液態介面可例如自該熔融第一 半導體材料物品的至少—表面移動至相對表面或反是 ’而同時維持大致垂4於該㈣第—半導體材料物品的 最短尺寸。在進—步具體實施例裡，該固態—液態介面可 按相同或變化速度自至少_表面和至少_額外表面移動（ 即如自兩個或以上側邊起的方向性固化），而無關於熱能 的來源。在至少-些具體實施例裡，在橫邊方向上令溫 度的分佈儘可能地均質可為重要，藉以择保該固態液態 介面可在該方向性gj化㈣㈣財於任何點處皆能維 持大致垂直於魏融第—半導體材料物品的最短尺寸。 [0063] ，、體'施例裡，該第-半導體材料物品、該熔融第 一半導體材料物品、至少-熱源及/或至少-基板可於本 揭所述的加熱及/或固❹料料_大致靜止。例如 ，在一具體實施例裡，該第—半導體材料物品可經足夠 地加熱以部份地或完全轉融該第—半導體材料物品， 而同時該第—半導體材料物品及/或該至少-熱源可維持 大致靜止，並且贿融第—半導體材料物品為在大致平 订於該溶融第-半導體材料物品之最短尺寸的方向上固 099142354 表單編號A0101 第2〇頁/共35頁 1003167693-0 201139763 化，而同時該溶融第一半導體材料物品及/或該至少4 Z維持大致靜止。在另—具體實施例裡，㈣融第:、 +導體材料物品可維持大致靜止，而同時該至少一熱源 可在垂直方向上移離於該炫融第—半導體材料物品^固 化該熔融第一半導體材料物品。 [0064] Ο
本揭所述之加熱及方向性固化製程的示範性具體實施例 可如圖2A、2B、2C及2D所示。在圖2A所示之示範性具體 實施例裡，提供-例如像是石夕i的第一半導體材料物品。 圖2B及2C内所示的加熱和方向性固化製輕可為施用於任 何第一半導體材料物品，並且熟諳本項技藝之人士能夠 隨即根據例如所使用之第-半導體材料物品的類型和厚 度、該固化半導體材料中的所欲性f，及/或熱源的類型 ’以決定是否須予任何變更，若衫要。在嶋所示之 不範性具體實施例中’該製程開始於將該第—半導體材 料物品，石夕1 ’放置在像是高溫陶:是基板的基板2上而 此者接觸於-熱㈣庫3。在將卿丨放置在該基板2上之 前’可先將多個覆蓋層4沉積於該石夕！的兩個大致平面表 面上·，然在其他具體實施例裡，至少_覆蓋層可在將該 第-半導體材料物品放置在該選擇性基板上之前及/或之 後沉積於該第一半導體材料物品的至少一表面上；或者 在所有時間上皆無覆蓋層沉積於該第—半導體材料物品 上。該熱能貯庫3的溫度可按所欲速率而改變。至少一絕 緣層’例如像是二氧切’可為供置於該第—半導體材 料物品的至少一表面上。例如’即如圖2A所示，該石夕以 兩個垂直侧是由兩個絕緣層5所框構。該石”兩側上之垂 099142354 表單編號A0101 第21頁/共35頁 1003167693-0 201139763 直絕緣層5的目—最小化在橫邊方向上的溫度梯度 ’並且在姉融第—半導體㈣物品之最短尺寸的方向 上進行固化。頂部加熱器6係經設置於該石夕上的上方。在 圖2B的示範性具體實施例裡，該頂部加熱器6的目的係為 =完全地溶融該石夕1。圖2B内的頂部加熱器6係經設定在 问於抑1之炫點的溫度處，並且會將該頂部加熱器6和 該熱能貯庫3兩者的溫度保持在足以完全地炫融整個石夕13 段時間然在其他具體實施例裡，該石夕1可僅為部份地 炫融。在此階段’該石夕1於該等覆蓋層4之間為完全炫融 la ’即如圖2B所示。 [0065] [0066] 接著’即如圖2C所示’該熱能貯庫3的溫度可按—受控速 率降低’藉以自底部朝向頂部，亦即大致平行於該溶融 石夕ia之最短尺寸的方向，依方向性的方式固化該炼融矽 la。在圖2C中亦可觀察到該固態（lb)_液態（la)介面了於 方向性固化過程中保持大致垂直於該炫融石夕1&的最短尺 寸。在遠方向性固化步驟之後，即如圖％所見，該熔融 矽la為經固化之矽第二半導體材料物品lb，即如圖抑所 示。在一具體實施例裡，該等矽1、熔融矽13、固化矽11} 、基板2、熱能貯庫3、覆蓋層4、垂直絕緣層5及/或頂部 加熱器6在如圖2B及2C示範性具體實施例中所示之加熱及 /或方向固化步驟的過程中可大致維持靜止。 一般說來，該方向性固化可為自該第一半導體材料物品 的頂4表面及/或底部表面起始。在其中固化是從該底部 表面開始的具體實施例裡，即如圖2(：所示’方向性固化 可為藉由降低該熱能貯庫3的溫度，例如緩慢地降低該熱 099142354 表單編號A0101 第22頁/共35頁 1003167693-0 201139763 能貯庫3的溫度，所達成。對於固化速率Vs，必須自該熔 融第一半導體材料物品中移除之潛藏熱能的量值為： [0067] qc= (LW)Vs/oAH (1) [0068] 〇 例如，其中對於長方形的第一半導體材料物品具體實施 例而言，L為長度，W為寬度，/>為密度，並且為潛藏熔 融熱能（即如對於矽為1800J/g)。藉由範例，為在一 15cm乘15cm矽薄片上保持100微米/秒的固定固化速度， 會需要約10kW的熱能移除速率。在至少一具體實施例裡 ，該固化速度是出現在約10至約1 000微米/秒的速率範圍 〇 [0069] 〇 該至少一絕緣層可含有任何能夠協助進行熱流管理的材 料，只要此者在當接觸於該經加熱第一半導體材料物品 時能夠足夠地穩定，提供某一程度的絕緣數值並且最好 是不會造成半導體材料污染即可。適用於該至少一絕緣 層之材料的非限制性範例包含二氧化矽、氧化鋁、氧化 錯、氧化紀和氧化铪，以及其等的混合物與化合物以及 其等的玻璃質形式。在各種示範性具體實施例裡，該至 少一絕緣層可為按傳授熱阻抗性的形式，這可因該材料（ 包含混合物或是兩種以上化合物的固態熔融物）之熱傳導 性和熱擴散性而為本生性質，像是依密集、單塊形式者 ，或是藉由工程處理該材料的微型及/或内觀結構以納入 一體積分量之具有遠低導體性的大致均勻分佈材料。該 等材料可採行各種形式，僅藉由範例可為像是顆粒著床（ 具有自奈米至〜1 mm的大小，亦即煙燻成砂）；非紡編織品 ，像是由折射材料之纖維所製造的制氈或紗罩，包含其 099142354 表單編號A0101 第23頁/共35頁 1003167693-0 201139763 内嵌微粒；紡編織品；以及前述各者之單獨或組合的經 燒結而未完全密實化版本。 [0070] 該熔融第一半導體材料物品的熱含量可為按任何熟諳本 項技藝之人士所知曉的方式取出。例如，在一具體實施 例裡，除提高自該底部的熱流（出方）之外，或是另替地 ，可減少自該頂部的熱流（入方），藉以從該熔融第一半 導體材料物品中出熱含量。在另一具體實施例裡，可藉 由增加該熱源與該半導體材料之間的距離以取離該熔融 第一半導體材料物品的熱含量。在另一示範性具體實施 例裡，像是當該熱源含有爐火時，可藉由在較廣大表面 積上扇吹該熱源的爐火以取離該熔融第一半導體材料物 品的熱含量。在又另一具體實施例裡，可藉由降低該至 少一熱源的溫度、控制該至少一基板的溫度（若確使用基 板）以及主動冷卻方式之至少一者以取離該熔融第一半導 體材料物品的熱含量。 [0071] 在各種具體實施例裡，可精準地控制該固化速度和方向 ，並因此可同樣地控制該固態-液態介面，使得該者能夠 按低於形態不穩定性之關鍵速度的速度成長。不欲受限 於理論，據信可藉由本揭所述之方向性固化製程以避免 或最小化大致垂直於該熔融第一半導體材料物品最短尺 寸之胞格介面及次顆粒邊界的構成，從而獲致較高品質 的顆粒結構。藉由將溫度梯度維持為大致平行於該熔融 第一半導體材料物品的最短尺寸，即可大致平行於該熔 融第一半導體材料物品的最短尺寸而成長出縱長顆粒。 該等大致平行於該熔融第一半導體材料物品之最短尺寸 099142354 表單編號A0101 第24頁/共35頁 1003167693-0 201139763 的縱長顆粒可藉由傾斜的顆粒邊界以將電洞及電子的攔 截降至最低，藉此提高含有該第二半導體材料物品之裝 置的效率性。 [0072] Ο 在其中冀求兩產通量的各式具體實施例裡，玎藉由在第 半導體材料物品上執行方向性固化以在至少部份的具 體實施例裡獲致低固化速度（約1〇〇微米/秒）而又無須犧 牲產通量。該固化速度雖僅例如約1〇〇微米/秒，然該固 化距離在一些具體實施例裡亦可為相當微小，例如像是 在垂直方向上約200微米。因而在此項示範性具體實施例 裡，實僅需約2秒的處理時間以供在大致平行於該熔融第 -半導體材料物品之最短尺寸的方向上進行固化。該示 範性具體實施例說明可達到按相對低速度進行 固化而同
時仍保持高產通量。產通量依照對應於前述橫邊方向之 固化及垂直方向之固化（亦即方向性固化），即如本揭所 述，兩者固化速度的函數之計算結果可如圖3所示。圓圈 疋對應於橫邊固化，而方形則是對應於垂直固化。即如 圖3所示，在由垂直虛線表示之實驗觀得，，關鍵掃描速度 的上方處，該固態-液態介面可變成胞格/枝晶（c/d) 而導致該第二半導體材料物品内的次顆粒邊界。超過此 一關鍵掃描速度’掃描速度愈快，瑕蔽結構即愈劣。若 該固化速度低於此一關鍵掃描速度，則可在該固態_液態. 介面處獲得穩定平面前緣（SPF)，如此可獲致經固化的晶 體結構而無次顆粒邊界。 另一具體實施例可牽涉到在大致平行於該熔融第一半導 體材料物品之最短尺寸的方向上熔融及固化該第一半導 099142354 表單編號A0101 第25頁/共35頁 1003167693-0 [0073] 201139763 體材料物品的一些範圍（“單點熔融”，而非跨於該第一 半導體材料物品整個區域上的熔融及固化）。單點熔融可 為例如利用氫質火燄所達成-熔融範圍的區域為整體爐 火形狀和溫度的函數，並且可在簡易的手持火燄上便利 地自數平方毫米改變至達ίο個平方毫米。可利用任何聚 焦式熱源（輻射性或是對流/傳導性）以達成這種範圍性的 熔融及方向性固化。亦應瞭解熱點的施用並不需為單項 事件。例如，可將多個此等熱點同時地施用於第一半導 體材料物品。該等熱點可為或無須重疊。然而非重疊可 能獲致較劣的微結構，理由在於當接受次熔融退火或部 份熔融（單側）時，可能會出現並未被完全地重新組態設 定的週緣範圍。 [0074] 在另一示範性具體實施例裡，可能希望部份地或完全地 熔融該第一半導體材料物品並且在大致平行於該熔融第 一半導體材料物品之最短尺寸的方向上固化，然後重複 該等部份或完全熔融及方向性固化步驟至少另外一次。 在至少一示範性具體實施例裡，可視需要多次地重複進 行後續的熔融及方向性固化製程，並且可進一步改善該 半導體材料物品的晶體結構及/或表面性質。 [0075] 根據本揭示的各種示範性具體實施例，本揭所述方法可 在週遭條件下，例如大氣下，所實作，或者是在受控環 境下，像是含有例如氬氣、氫氣或其等混合物的包封器 具（即如手套操作箱），進行實作。 [0076] 本揭示的各種示範性方法可藉由提供一第一半導體材料 物品，足夠地加熱該第一半導體材料物品以熔融該第一 099142354 表單編號A0101 第26頁/共35頁 1003167693-0 201139763 半導體材料物品，以及在一大欵 十仃於該熔融第一半導 體材料物品之最短尺寸的方向. 二回化該熔融第一半導體 材料物品，藉此改善該第一半導 子體材料物品之晶體顆粒 結構及表面性質的至少一者。 [0077]
在此申請書和附加聲财的單數形式，，_個"和"此•涵蓋 複數指示對象的實施例，除非在^中有清楚表示。在此 申請書中，❹單數形式的項目可㈣蓋包含超過一個此 項目的實施例，除非在内文中有清楚表例如，片語"一 個加熱源”涵蓋-個或多個加熱源，以及所謂"半導體材料 "能夠表示-種或多種半導體材料。在此所使用”包含，，或 類似名詞意指涵蓋但不局限於此，也就是說包含且非排外 的。 [0078]
G 熟知此技術讀解本發㈣揭*難及料能夠作許多 變化及改變而並不會賴本糾。業界熟知 此技術者能夠由參考本發明說明書以及實施在此所揭示 内合而㈣預期本發明說明書中所說明實施例視為只 是範例性。 [0079] 【圖式簡單說明】 如後所示*且經併人於並喊本專㈣文之—部份的隨 附圖式》兒月多g根據本揭示的示範性具體實施例 ，同時 不應被視為限制本㈣之_，因為本發明確可涵蓋其 他具備㈣效果的具體實_。該”纽非必然地依 照比例’並且該等圖式的_些特性和部份觀點可能為簡 潔及扼要之目的而在比例上有所料或依略圖方式所顯 示0 099142354 表單編號A0101 第27頁/共35頁 1003167693-0 201139763 [0080] 圖1為，根據本揭示之示範性具體實施例，該熔融第一半 導體材料物品之最短尺寸的略圖表示； [0081] 圖2 A為根據示範性具體實施例之第一半導體材料物品的 略圖； [0082] 圖2 B為根據示範性具體實施例之第一半導體材料物品加 熱的略圖； [0083] 圖2C為根據示範性具體實施例之第一半導體材料物品方 向性固化的略圖； [0084] 圖2D為根據示範性具體實施例之第二半導體材料物品的 略圖；以及 [0085] 圖3為顯示，根據示範性具體實施例，按固化速度之函數 的產通量關係圖。 【主要元件符號說明】 [0086] 碎1，液遙石夕1 a ;固態碎1 b ;弟二半導體材料物品1 b ; 基板2;熱能貯庫3;覆蓋層4;絕緣層5;加熱器6;固 態-液態介面7;最短尺寸10;第一半導體材料物品20。 099142354 表單編號A0101 第28頁/共35頁 1003167693-0

Claims (1)

  1. 201139763 七、申請專利範圍： 1 . 一種製造第二半導體材料物品的方法，該方法包含：提供 第一半導體材料物品； 加熱該第一半導體材料物品足以熔融該第一半導體材料物 品，以及 在大致平行於該熔融第一半導體材料物品之最短尺寸的方 向上固化熔融第一半導體材料物品。 2 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中第一半導體材料物品 具有至少一個大致平面性表面。 Ο 3 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中第一半導體材料物品 以及熔融第一半導體材料物品在固化步驟中保持靜止的。 4 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中至少一層覆蓋層在加 熱步驟之前形成於第一半導體材料物品之表面上。 5 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中第一半導體材料物品 提供於至少一個基板上。 6 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中至少一個基板包含陶 0 瓷，玻璃，石墨，或其混合物。 7 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中第一半導體材料物品 包含矽，矽合金及化合物，鍺，鍺合金及化合物，砷化鎵，砷 化鎵合金及化合物，錫合金和化合物，以及二氧化鈦合金及 化合物，以及其混合物。 8 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中加熱第一半導體材料 物品包含利用至少一個加熱源進行加熱。 9 .依據申請專利範圍第1項之方法，其中加熱第一半導體材料 物品包含利用至少一個加熱源進行加熱，該加熱源由熱能 099142354 表單編號A0101 第29頁/共35頁 1003167693-0 201139763 貯庫，燈泡，雷射陣列，氫及氧火燄，電性放電來源，以及電 弧燈泡，以及其組合選取出。 ίο 11 12 13 14 . 15 . 16 . 17 . 099142354 依據申請專利範圍第1項之方法，其中加熱第一半導體材料 物品包含加熱至900-1 600¾溫度範圍内。 依據申請專利範圍第1項之方法，其令加熱第_半導體材料 物品包含加熱至1 350-145(TC溫度範圍内。 依據申請專利範項之方法其中固化包含触炫融第 —半導體材料物品之熱含量，其速率足以提供均勾的溫度 梯度，其方向平行於熔融第一半導體材料物品之最短尺寸 依據申請專利範圍第12項之方法，其中娜溶融第一半導 體材料物品熱含4之速钱得在第—半導體㈣物品中固 體-液體介面保持垂直於㈣第—半導體_物品之最短 尺寸。 依據申請專利範圍第12項之方法，其中操取熱含量包含至 ^項·減V至J 一個加熱源之溫度，主動地冷卻，以及當 第一半導體材料物品提供於至少_個基板時㈣至少一個 基板之溫度。 依據申請專利範圍第1項之方法，其中固化速率在10至 1 000微米/秒範圍内。 依據申請專利範圍第1項 、您万法，其中至少一個絕緣層提供 於第-半導體材料物品至少一個表面上。 -種第二半導體材料物品，該物品由下列步驟製造出··加 熱第一半導體材料物品足以溶融該第—半導體材料物品； 以及在大財行於㈣第—半物㈣物品之最短尺寸 的方向上固麟融第—半導體材料物品。 表單編號删1 ^ 30 35 I 1003167693-0 201139763 18 . —種處理第一半導體材料物品之方法，該方法包含： 加熱第一半導體材料物品足以熔融第一半導體材料物品； 以及 在大致平行於熔融第一半導體材料物品之最短尺寸的方向 上固化熔融第一半導體材料物品。 099142354 表單編號A0101 第31頁/共35頁 1003167693-0
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