TWI437140B

TWI437140B - 矽晶粒成長控制裝置及晶錠形成方法

Info

Publication number: TWI437140B
Application number: TW101109517A
Authority: TW
Inventors: Rong Ruey Jeng; yu ru Chen; Ya Lu Tsai; Kun Fung Lin
Original assignee: Auo Crystal Corp
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2014-05-11
Also published as: TW201339380A

Description

矽晶粒成長控制裝置及晶錠形成方法

本發明是有關於一種矽晶粒成長控制裝置及晶錠形成方法，且特別是有關於一種半導體領域中利用晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置及晶錠形成方法。

半導體產業中，矽扮演著舉足輕重的原料地位。而利用矽獨特的結晶結構，發展出各式各樣的應用與技術。例如：太陽能電池基板所使用的單晶矽、多晶矽等等。單晶矽的結晶結構為單一方向，而多晶矽則是具有相異結晶結構，因而晶粒間的晶界較不完整且容易有雜質累積，故缺陷密度較高，影響實際應用上的轉換效率。相對而言，具有單純結晶結構的單晶矽在太陽能電池之應用時可以帶來較好的轉換效果。但是，針對不同的應用領域，單晶矽/多晶矽都各自有其優缺點。

因此，控制矽原料長晶過程而長成單晶矽/多晶矽之技術是現今半導體產業中不可或缺之核心發展技術。

目前針對長晶控制之作法為：在坩堝中置入矽原料後，對矽原料加熱而產生矽熔液。接著，在矽熔液中置入晶種後，讓矽熔液順應晶種生長成所需的結晶結構。任何形式的晶種使用都會增加整體製程的複雜度，同時增加經濟成本，而且造成資源的浪費。

因此，本發明提出一種不需晶種之矽晶粒成長控制裝置，利用可以重複使用的物件使得矽熔液在形成晶粒之過程中，會順應競爭性成長之特性而形成所需的結晶結構。

故本發明之一實施方式是在提供一種晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置，其包含複數個基礎單元與複數個控制成長單元。基礎單元係配置於坩堝之底部上，且基礎單元包含第一接合部。而控制成長單元係與基礎單元交互配置於坩堝之底部上。且控制成長單元包含本體及通道。本體係具有上表面與下表面，且包含第二接合部。又通道係貫穿本體而在本體之上表面形成開口，通道並在本體之下表面形成通口，且開口之直徑不小於通口之直徑。

依據本發明一實施例，基礎單元可以利用第一接合部互相接合，而控制成長單元可以利用第二接合部互相接合，當然基礎單元也可以利用第一接合部與控制成長單元之第二接合部互相接合。

依據本發明另一實施例，上述控制成長單元之通道可包含管狀段及開口段。管狀段係鄰近本體之下表面並在本體之下表面與通口相連，且管狀段之直徑等於通口之直徑。開口段係鄰近本體之上表面並在本體之上表面與開口相連，且開口段在遠離開口處之直徑等於管狀段之直徑而與管狀段相連，且其中開口之直徑大於通口之直徑。

依據本發明再一實施例，上述控制成長單元之通道可包含管狀段、通口段及開口段。通口段係鄰近本體之下表面並在本體之下表面與通口相連，且通口之直徑大於管狀段之直徑，又通口段在遠離通口處之直徑與管狀段之直徑相同。而開口段係鄰近本體之上表面並在本體之上表面與開口相連，且開口之直徑大於管狀段之直徑，又開口段在遠離開口處之直徑與管狀段之直徑相同。

上述管狀段之長度可以大於1mm，又或者管狀段之直徑可以大於1mm。

並且，依據本發明之一實施例，基礎單元與控制成長單元由耐高溫且不與矽反應之材料所製成，如：陶瓷材料、玻璃材料等等。也可以選用具有相對於矽為低之偏析係數的材料。

再者，依據本發明之一實施例，控制成長單元及基礎單元可以具有相異之高度。

又本發明之另一實施方式是在提供一種晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置。此矽晶粒成長控制裝置包含基體及控制成長通道。基體係配置於坩堝之底部上，具有上表面及下表面。而控制成長通道係貫穿基體且在其上表面形成開口，又在其下表面形成通口，且開口之直徑不小於通口之直徑。

上述控制成長通道可具有對基體之通道密度。依據本發明一實施例，通道密度可以為均勻密度，但另一實施例中，當基體包含相對低溫區時，在相對低溫區中，通道密度會較大。

依據本發明另一實施例，上述控制成長通道可包含管狀段及開口段。管狀段係鄰近基體之下表面並在基體之下表面與通口相連，且管狀段之直徑等於通口之直徑。開口段係鄰近基體之上表面並在基體之上表面與開口相連，且開口段在遠離開口處之直徑等於管狀段之直徑而與管狀段相連，且其中開口之直徑大於通口之直徑。

依據本發明又一實施例，上述控制成長通道之通道可包含管狀段、通口段及開口段。通口段係鄰近基體之下表面並在基體之下表面與通口相連，且通口之直徑大於管狀段之直徑，又通口段在遠離通口處之直徑與管狀段之直徑相同。而開口段係鄰近基體之上表面並在基體之上表面與開口相連，且開口之直徑大於管狀段之直徑，又開口段在遠離開口處之直徑與管狀段之直徑相同。

依據本發明再一實施例，上述基體之上表面可以為非平面。

本發明又一實施方式，是在提供一種晶錠形成方法，其包含將上述之矽晶粒成長控制裝置置入坩堝中之步驟、使坩堝中之矽熔液以競爭成長之方式通過矽晶粒成長控制裝置之通道以形成特定方向之至少晶粒之步驟及凝固晶粒之步驟。

藉由上述矽晶粒成長控制裝置與晶錠形成方法，不但可以省去使用晶種帶來的高成本與複雜製程，重複利用的通道更可以因應所需的結晶方向或各種需求而有不同的設計。而本發明提出之矽晶粒成長控制裝置不但可以控制矽熔液長晶之方向，更可以生成大晶粒之結晶結構。

綜觀而言，本發明提供了簡單、直覺、有效且環保的矽晶粒成長控制裝置，其成品可以應用在半導體各種技術領域中。

請參照第1、2A圖，其繪示應用本發明一實施方式的一種矽晶粒成長控制裝置之示意圖。細言之，此實施方式提供一種晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置100，其包含複數個基礎單元210與複數個控制成長單元220。矽晶粒成長控制裝置100可以配置於長晶設備中任何型式之坩堝115底部。控制成長單元220係與基礎單元210交互配置於坩堝115之底部，其配置方式可以因應不同矽晶粒成長控制之需求進行改變。例如：針對坩堝115底部面積較低的區域，可以控制成長單元220多於基礎單元210。換句話說，由於一般坩堝115之加熱點為其中心，所以坩堝115的角落處之相對溫度便偏低，所以角落處的控制成長單元220便可較基礎單元210為多。又或者其他配置方式可以控制成長單元220與基礎單元210交錯排列，也可以控制成長單元220圍繞基礎單元210等等。

又基礎單元210包含第一接合部211，而控制成長單元220包含第二接合部221，所以基礎單元210可以利用第一接合部211彼此互相接合，而控制成長單元220也可以利用第二接合部221彼此互相接合，當然基礎單元210也可以利用第一接合部211與控制成長單元220之第二接合部221交互接合而達到上述的各種配置方式。

第一接合部211與第二接合部221可以利用對應的機械構造實現但不論用何種方式進行接合，必須讓間隙達到不影響矽熔液成長之尺度。

而雖然第1~2A圖之基礎單元210與控制成長單元220以相同尺寸之長方體代表，但事實上控制成長單元220與基礎單元210之數量、面積、材料、高度等各種性質都可以更改。

從第2A圖及第2B圖更可以清楚控制成長單元220包含本體222及通道227。本體222係具有上表面223與下表面224。又通道227係貫穿本體222而在本體222之上表面223形成開口225，通道227並在本體222之下表面224形成通口226。

第3A圖係繪示第2A圖中控制成長單元220之一實施例的示意圖。上述控制成長單元220之通道227包含管狀段B及開口段A。管狀段B係鄰近本體222之下表面224並在本體222之下表面224與通口226相連，且管狀段B之直徑d_B 等於通口226之直徑d₂ 。開口段A係鄰近本體222之上表面223並在本體222之上表面223與開口225相連，且開口段A在遠離開口225處之直徑d_A 等於管狀段B之直徑d_B 而與管狀段B相連，且其中開口225之直徑d₁ 大於通口226之直徑d₂ 。

第3B圖是繪示第3A圖中P-P線剖面示意圖，所以此實施例中，通道227在剖面會有倒漏斗之形狀。

第4A圖係繪示第2A圖中控制成長單元220之另一實施例之示意圖。上述控制成長單元220之通道227可包含管狀段B、通口段C及開口段A。通口段C係鄰近本體222之下表面224並在本體222之下表面224與通口226相連，且通口226之直徑d₂ 大於管狀段B之直徑d_B ，又通口段C在遠離通口226處之直徑d_C 與管狀段B之直徑d_B 相同。

而開口段A係鄰近本體222之上表面223並在本體222之上表面223與開口225相連，且開口225之直徑d₁ 大於管狀段B之直徑d_B ，又開口段A在遠離開口225處之直徑d_A 與管狀段B之直徑d_B 相同。

第4B圖是繪示第4A圖中P-P線剖面示意圖，所以此實施例中，通道227在剖面會有沙漏之形狀。

上述兩個實施例中，開口225之直徑d₁ 可能大於或等於通口226之直徑d₂ 。換句話說，開口225之直徑d₁ 不小於通口226之直徑d₂ 。又依據本發明之再一實施例，當開口225之直徑d₁ 等於通口226之直徑d₂ 也等於管狀段B之直徑d_B 時，一樣可以達到使矽熔液競爭成長的效果，但其表現並沒有上述兩種實施例要好。

從另一個觀點來看，從通道227中心往開口225觀之，開口段A之展開角度可介於20°到130°之間；而從通道227中心往通口226觀之，通口段C之展開角度也可介於20°到130°之間。

上述管狀段B之長度可以大於1mm，又或者管狀段B之直徑d_B 可以大於1mm。

並且，依據本發明之一實施例，基礎單元210與控制成長單元220由耐高溫且不與矽反應之材料所製成，像是陶瓷材料(如：SiO_X 、AlO_X 、AlxNy、Si₃ N₄ 、BN、N-ceramics)、玻璃材料(如：石英)等等。當然也可以選用具有相對於矽為低之偏析係數的材料。若是選用它種材質，則可以在其表面施以上述材料之塗層以避免它種材質在高溫之坩堝115中與矽反應。

第5A圖是繪示本發明另一實施方式的一種矽晶粒成長控制裝置之示意圖。

細言之，此實施方式提供一種晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置500。此矽晶粒成長控制裝置包含基體522及至少一個控制成長通道527。可以像第1圖一樣，讓基體522配置於坩堝115之底部上，因此基體522可以和坩堝115之底部面積相同或略小，在某些狀況下也可以不完全覆蓋坩堝115底部。而基體522具有上表面503及下表面504。控制成長通道527係貫穿基體522且在其上表面503形成開口525，又在其下表面504形成通口526，且開口525之直徑d₁ 不小於通口526之直徑d₂ 。

上述控制成長通道527可具有對應基體522之通道密度。依據本發明一實施例，對整個基體522而言，通道密度可以為均勻密度，也就是通道527均勻分布於基體522之中。但另一實施例中，當基體522包含相對低溫區時，在相對低溫區中，通道527會較多，排列較密，所以通道密度會較大。

第5B圖是繪示第5A圖中矽晶粒成長控制裝置的P-P線剖面示意圖。而依據此實施方式之一實施例，通道527可以對應所需結晶結構而有相異之尺寸。

進一步言之，依據此實施方式之另一實施例，上述控制成長通道527可包含管狀段B及開口段A。管狀段B係鄰近基體522之下表面504並在基體522之下表面504與通口526相連，且管狀段B之直徑d_B 等於通口526之直徑d₂ 。開口段A係鄰近基體522之上表面503並在基體522之上表面503與開口525相連，且開口段A在遠離開口525處之直徑d_A 等於管狀段B之直徑d_B 而與管狀段B相連，且其中開口525之直徑d₁ 大於通口526之直徑d₂ 。

而從第6A、6B圖中可以得知，此實施方式之再一實施例為：上述控制成長通道527可包含管狀段B、通口段C及開口段A。通口段C係鄰近基體522之下表面504並在基體522之下表面504與通口526相連，且通口526之直徑d₂ 大於管狀段B之直徑d_B ，又通口段C在遠離通口526處之直徑d_C 與管狀段B之直徑d_B 相同。

而開口段A鄰近基體522之上表面503並在基體522之上表面503與開口525相連，且開口525之直徑d₁ 大於管狀段B之直徑d_B ，又開口段A在遠離開口525處之直徑d_A 與管狀段B之直徑d_B 相同。

事實上，基體522也可以交錯利用具有管狀段B、通口段C及開口段A三者之控制成長通道527、具有管狀段B及開口段A兩者之控制成長通道527、甚至是僅具有管狀段B之控制成長通道527來交錯組合排列使得矽晶粒成長控制裝置達到最佳效果。

另外，雖然第5A-5B、6A-6B中的基體522之上表面503繪示為平面，但依據本發明之一實施例，此上表面503可為非平面。又非平面可能之表現有：參差不齊的表面、凹凸面或斜面等等。

本發明又一實施方式，是在提供一種晶錠形成方法，其包含將上述之矽晶粒成長控制裝置100、500置入坩堝115中之步驟(701)、使坩堝中之矽熔液以競爭成長之方式通過矽晶粒成長控制裝置之通道以形成特定方向之至少一晶粒之步驟(702)及凝固晶粒之步驟(703)。

上述晶錠形成方法中，矽熔液是加熱矽原料而得者。加熱方式可選用電阻式加熱(單/多區段加熱控溫)、感應式加熱、Plasma或E-beam或VAR加熱方式等等。

藉由上述本發明之各種實施方式而可以得知，當坩堝中的矽熔液開始長晶時，本發明提出之控制成長單元220之通道227或者控制成長通道527會使得特定方向的結晶可以快速生長，因而順應矽本身競爭性成長之特性，便可以控制長晶的方向。再者，利用展開的開口設計，可以讓競爭成長下特定方向的結晶生成為大晶粒。而展開的通口設計則可以協助所需的特定方向的結晶輕易快於其他方向的結晶。更特定地說，上述特定方向可以是矽結晶的晶粒結晶<111>、<110>、<100>、<211>之方向。所以當所需的結晶方向為<110>時，藉由對應的控制成長單元220之通道227或者控制成長通道527設計，便可以使得結晶方向<110>的生長快於<211>而最終之成品便可為一顆結晶方向<110>的單晶矽，或是兩顆以上的結晶方向<110>的單晶矽‧

因此，應用本發明所提出之可以重複使用之矽晶粒成長控制裝置，完全不需利用晶種，即可使得矽熔液在形成晶粒之過程中，會順應競爭性成長之特性而形成所需的結晶方向與結構。

故藉由上述矽晶粒成長控制裝置與晶錠形成方法，不但可以省去使用晶種帶來的高成本與複雜製程，重複利用的特性更可以因應各種需求而有不同的設計，而可以達到晶粒優選，增大方向性凝固之晶粒尺寸、低缺陷密度之單晶、可量產化等優點。

一言以蔽之，本發明提出之矽晶粒成長控制裝置不但可以控制矽熔液長晶之方向，更可以生成大晶粒之結晶結構，所以提供了簡單、直覺、有效且環保的矽晶粒成長控制裝置與晶錠形成方法，其成品可以應用在太陽能及半導體各種技術領域中。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．矽晶粒成長控制裝置

210．．．基礎單元

211．．．第一接合部

220．．．控制成長單元

221．．．第二接合部

222．．．本體

223、503．．．上表面

224、504．．．下表面

225、525．．．開口

226、526．．．通口

227．．．通道

701、702、703．．．步驟

115．．．坩堝

A．．．開口段

B．．．管狀段

C．．．通口段

d_A ．．．開口段之直徑

d_B ．．．管狀段之直徑

d_C ．．．通口段之直徑

d₁ ．．．開口之直徑

d₂ ．．．通口之直徑

500．．．矽晶粒成長控制裝置

522．．．基體

527．．．控制成長通道

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖是繪示應用本發明一實施方式的一種矽晶粒成長控制裝置之示意圖。

第2A圖係繪示第1圖中矽晶粒成長控制裝置的示意圖。

第2B圖係繪示第1圖中矽晶粒成長控制裝置的控制成長單元示意圖。

第3A圖係繪示第2圖中控制成長單元之一實施例的示意圖。

第3B圖是繪示第3A圖中P-P線剖面示意圖。

第4A圖係繪示第2圖中控制成長單元之另一實施例之示意圖。

第4B圖是繪示第4A圖中P-P線剖面示意圖。

第5B圖是繪示第5A圖中矽晶粒成長控制裝置的P-P線剖面示意圖。

第6A圖是繪示本發明再一實施方式的一種矽晶粒成長控制裝置之示意圖。

第6B圖是繪示第6A圖中矽晶粒成長控制裝置的P-P線剖面示意圖。

第7圖是繪示本發明再一實施方式的一種晶錠形成方法之流程示意圖。

701、702、703．．．步驟

Claims

一種晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置，其包含：複數個基礎單元，配置於一坩堝之一底部上；以及複數個控制成長單元，與該基礎單元交互配置於該坩堝之該底部上，且該控制成長單元包含：一本體，具有一上表面與一下表面；及一通道，貫穿該本體而在該本體之該上表面形成一開口，該通道並在該本體之該下表面形成一通口，且該開口之直徑不小於該通口之直徑。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中各該基礎單元包含一第一接合部，該基礎單元利用該第一接合部互相接合。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中各該控制成長單元之該本體包含一第二接合部，該本體利用該第二接合部互相接合。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中各該基礎單元包含一第一接合部，各該控制成長單元之該本體包含一第二接合部，該基礎單元利用該第一接合部與該控制成長單元之該第二接合部互相接合。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中該控制成長單元之該通道包含：一管狀段，鄰近該本體之該下表面並在該本體之該下表面與該通口相連，且該管狀段之直徑等於該通口之直徑；及一開口段，鄰近該本體之該上表面並在該本體之該上表面與該開口相連，且該開口段在遠離該開口處之直徑等於該管狀段之直徑而與該管狀段相連；且其中該開口之直徑大於該通口之直徑。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中該控制成長單元之該通道包含：一管狀段；一通口段，鄰近該本體之該下表面並在該本體之該下表面與該通口相連，且該通口之直徑大於該管狀段之直徑，又該通口段在遠離該通口處之直徑與該管狀段之直徑相同；及一開口段，鄰近該本體之該上表面並在該本體之該上表面與該開口相連，且該開口之直徑大於該管狀段之直徑，又該開口段在遠離該開口處之直徑與該管狀段之直徑相同。
如請求項5或6之矽晶粒成長控制裝置，其中該管狀段之長度大於1mm。
如請求項5或6之矽晶粒成長控制裝置，其中該管狀段之直徑大於1mm。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中該基礎單元與該控制成長單元由耐高溫且不與矽反應之一材料所製成。
如請求項9之矽晶粒成長控制裝置，其中該材料為一陶瓷材料。
如請求項9之矽晶粒成長控制裝置，其中該材料為一玻璃材料。
如請求項9之矽晶粒成長控制裝置，其中該材料具有相對於矽為低之偏析係數。
如請求項1之矽晶粒成長控制裝置，其中該控制成長單元及該基礎單元具有相異之高度。
一種晶粒競爭成長之矽晶粒成長控制裝置，其包含：一基體，配置於一坩堝之一底部上，具有一上表面及一下表面；以及至少一控制成長通道，該控制成長通道貫穿該基體且在該基體之該上表面形成一開口，又在該基體之該下表面形成一通口，且該開口之直徑不小於該通口之直徑。
如請求項14之矽晶粒成長控制裝置，其中該控制成長通道具有對該基體之一通道密度。
如請求項15之矽晶粒成長控制裝置，其中該基體包含一相對低溫區，而在該相對低溫區中，該通道密度增加。
如請求項15之矽晶粒成長控制裝置，其中該通道密度為一均勻密度。
如請求項14之矽晶粒成長控制裝置，其中該控制成長通道包含：一管狀段，鄰近該基體之該下表面並在該基體之該下表面與該通口相連，且該管狀段之直徑等於該通口之直徑；及一開口段，鄰近該基體之該上表面並在該基體之該上表面與該開口相連，且該開口段在遠離該開口處之直徑等於該管狀段之直徑而與該管狀段相連；且其中該開口之直徑大於該通口之直徑。
如請求項14之矽晶粒成長控制裝置，其中該控制成長通道包含：一管狀段；一通口段，鄰近該基體之該下表面並在該基體之該下表面與該通口相連，且該通口之直徑大於該管狀段之直徑，又該通口段在遠離該通口處之直徑與該管狀段之直徑相同；及一開口段，鄰近該基體之該上表面並在該基體之該上表面與該開口相連，且該開口之直徑大於該管狀段之直徑，又該開口段在遠離該開口處之直徑與該管狀段之直徑相同。
如請求項14之矽晶粒成長控制裝置，其中該基體之該上表面為一非平面。
一種晶錠形成方法，其包含以下步驟：將如請求項1或14之矽晶粒成長控制裝置置入一坩堝中；使該坩堝中之一矽熔液以競爭成長之方式通過請求項1之該通道或請求項14之該控制成長通道以形成特定方向之至少一晶粒；及凝固該晶粒。