TWI547602B - 片材製造裝置 - Google Patents

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TWI547602B
TWI547602B TW104107675A TW104107675A TWI547602B TW I547602 B TWI547602 B TW I547602B TW 104107675 A TW104107675 A TW 104107675A TW 104107675 A TW104107675 A TW 104107675A TW I547602 B TWI547602 B TW I547602B
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彼德Ｌ 凱勒曼
法蘭克 辛克萊
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瓦里安半導體設備公司
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Description

片材製造裝置
本發明是有關於板材的製造，且特別是有關於從熔體製造一結晶板材。
矽晶圓或矽晶片可被應用於積體電路或太陽能電池產業中。對於太陽能電池的需求，持續隨著對再生性能源(renewable energy source)的需求之增加而增加。隨著這些需求的增加，太陽能電池產業的其中一個目標是降低成本對功率的比率。太陽能電池有兩種，即結晶矽太陽能電池與薄膜太陽能電池。大多數的太陽能電池是用結晶矽所製成。目前，佔結晶矽太陽能電池的成本最重的是晶圓，而太陽能電池便是作在晶圓上。太陽能電池的效率或在標準照明條件下所製造的功率大小會有部分受限於晶圓的品質。任何降低晶圓的製造成本但不降低晶圓品質的方法將能夠降低成本對功率的比率，並使此乾淨能源技術能夠廣泛被利用。
最高效率的太陽能電池可以具有大於20%的效率，這是藉由採用電子等級的單晶矽晶圓來達成，而這樣的晶圓可藉由將單晶矽人造圓柱晶塊鋸切成薄片而製成，其中此人造晶塊是利用丘克拉斯基 法(Czochralski method)所成長而成。人造晶塊所切成的薄片之厚度例如小於200微米。為了維持單晶成長，人造晶塊須緩慢地從容置熔體的坩堝成長，其成長速度例如小於每秒10微米。接下來的鋸切製程會導致每個晶圓約200微米的鋸口損失(kerf loss)或由鋸身寬度所造成的損失。圓柱人造晶塊亦可被方形化以利於製成一方形太陽能電池。方形化與鋸口損失皆會導致材料的損耗，並增加材料成本。當太陽能電池越薄，每切割一次所造成的矽材料損耗會越大。此外，鑄塊切片技術的限制會使獲得更薄的太陽能電池的能力受到阻礙。
其他太陽能電池是採用從多晶矽鑄塊鋸切而成的晶圓所製成。多晶矽鑄塊可以用較單晶矽快的速度成長而成。然而，由於會產生較多的缺陷與晶界，因此所長成的晶圓之品質會較低，這會導致太陽能電池的效率較低。多晶矽鑄塊的鋸切製程與單晶矽鑄塊或人造晶塊的鋸切製程同樣缺乏效率。
另一個可降低矽材料損耗的解決方法為在離子佈植製程後將矽鑄塊切割成晶圓。舉例而言，氫、氦或其他惰性氣體可被佈植於矽鑄塊的表面下以形成一佈植區。接著進行熱處理、物理處理或化學處理以沿著佈植區從鑄塊切出晶圓。雖然沿著離子佈植區切割可產生沒有鋸口損失的晶圓，但此方法是否能被經濟地用來製造晶圓仍有待證明。
又一個解決方法為從熔體鉛直地拉出一呈薄帶狀的矽材，且接著讓拉出的矽材冷卻並固化成一薄片。此方法之矽材拉出速率可限制在低於約每分鐘18毫米的範圍。在冷卻並固化矽材時所釋出的潛熱必須沿著鉛直的帶狀矽材移除，這會在帶狀矽材上產生一個大的溫度梯度。此溫度梯度會施加應力於結晶帶狀矽材，且會導致低品質的 多晶粒矽材之產生。帶狀矽材的寬度與厚度亦會受到此溫度梯度的限制。舉例而言，寬度會被限制在低於80毫米的範圍，且厚度會被限制在180微米。
從熔體以物理方式地拉出水平的帶狀矽材之方法亦已受到測試。在一桿體上貼附晶種，並將其插入熔體中，接著以相對坩堝邊緣較小的角度將桿體與所形成的矽片拉出。此角度會與表面張力互相平行，以避免熔體從坩堝中溢出。然而，要開始並控制這樣的拉晶製程是困難的。必須有一個入口用來將晶種置入坩堝與熔體中，但這會造成熱量損失。額外的熱量可被加入坩堝中以補償此熱量損失，這會在熔體中產生鉛直的溫度梯度，而導致非層狀流體流動。由於大量的熱量流入溶體中，因此可採用對流氣體冷卻。這樣的對流氣體冷卻是混亂的。氣體與熔體的非層狀流動會阻礙片狀矽材的厚度控制。再者，必須進行困難度可能很高的傾斜角之調校，以平衡在坩堝邊緣形成的液面之重力與表面張力。此外，由於在片狀矽材與熔體的分界點之熱量正被移除，正被移除的熱量會在潛熱與顯熱(sensible heat)間突然地轉換，這會在沿著帶狀矽材的這個分界點上造成大的溫度梯度，且可能造成晶體的差排(dislocation)。差排與變形可能會因沿著片狀矽材的溫度梯度而發生。
從熔體水平地分離出的薄片矽材之製造尚未被實行。從熔體水平地分離製造出片狀矽材可能比從鑄塊切片出矽材具有較低的成本，且可降低鋸口損失或由方形化所導致的損失。從熔體水平地分離製造出來的片狀矽材可能比採用氫離子佈植的鑄塊所切出的矽材或其他拉出帶狀矽材的方法具有較低的成本。再者，從熔體水平地分離出之矽材的結晶品質能夠被提升，且其會比拉出的帶狀矽材之結晶品質 更佳。如此之能夠降低材料成本的長晶方法將會是一個降低晶體太陽能電池的成本之重要的可行步驟。因此，有需要在此領域中提出一種改量的裝置與方法以用來從熔體製造出結晶片材。
本發明之一實施例提供一種片材製造裝置。片材製造裝置包括一容器，其定義出一通道，以容納一材料的一熔體。熔體會從通道的一第一位置流動至一第二位置。一冷卻板配置於鄰近熔體的位置，以在熔體上形成此材料的一片材。一溢流道(spillway)配置於通道的第二位置。溢流道用以將片材從熔體分離。
本發明之另一實施例提供一種片材製造方法。片材製造方法包括使一材料的一熔體流經一通道。接著，冷卻熔體，並在熔體上形成此材料的一片材。然後，使片材與熔體流動，且從熔體分離出片材。
本發明之又一實施例提供一種片材製造裝置。片材製造裝置包括一第一通道，以容納一材料的一熔體。熔體會從通道的一第一位置流至一第二位置。一冷卻板配置於鄰近第一通道的位置，以在熔體上形成此材料的一片材。一溢流道配置於第一通道的第二位置。溢流道配置於熔體內，以將片材從熔體分離出，其中熔體會流動而遠離片材。熔體會在一第二通道中被輸送至第一通道的第一位置。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧熔體
11‧‧‧進料器
12‧‧‧溢流道
13‧‧‧片材
14‧‧‧冷卻板
15、20‧‧‧板件
16‧‧‧容器
17、30、81‧‧‧通道
18‧‧‧第一位置
19‧‧‧第二位置
21、171‧‧‧片材形成裝置
22‧‧‧支撐元件
25‧‧‧底部
26‧‧‧包覆件
27‧‧‧襯墊
28‧‧‧層狀結構
29‧‧‧絕緣層
31、32‧‧‧側壁
33、34、142‧‧‧箭頭
50、51‧‧‧線圈
52、53、54‧‧‧磁力
55、56、57、58‧‧‧極板
59‧‧‧熱轉移
61‧‧‧固體
62‧‧‧液體
70‧‧‧螺旋幫浦
80‧‧‧磁流體動力幫浦
90、91、92、93、94‧‧‧冷卻部
95‧‧‧表面
100‧‧‧邊緣
110‧‧‧冷卻輪
111‧‧‧冷卻表面
112‧‧‧輻射保護層
120‧‧‧入口導管
121‧‧‧出口導管
122‧‧‧空氣軸承
123‧‧‧加工元件
124‧‧‧滾輪
130‧‧‧電漿摻雜裝置
131‧‧‧網板印刷器
132‧‧‧爐子
133‧‧‧切割裝置
134‧‧‧太陽能電池
140‧‧‧導引邊緣
141‧‧‧晶粒界
150‧‧‧電極
151‧‧‧矽
161‧‧‧第一裝置
162‧‧‧第二裝置
172‧‧‧磁流體動力電極
173‧‧‧第一磁體
174‧‧‧第二磁體
圖1為一實施例之用以將片材從熔體分離的裝置之側剖面圖。
圖2為圖1所繪示的裝置之實施例之上視平面圖。
圖3為圖1所繪示之裝置之實施例的前視剖面圖。
圖4為圖1所繪示之裝置的前視剖面圖，其中此裝置採用磁流體動力幫浦。
圖5為圖1所繪示之裝置的實施例之側剖面圖，其中此裝置採用磁流體動力幫浦。
圖6為圖1所繪示之裝置的實施例之前視剖面圖，其中此裝置採用螺旋幫浦。
圖7為圖1所示之裝置的實施例的上視平面圖，其中此裝置採用螺旋幫浦。
圖8為一實施例之在熔體上使一片材凝固的側剖面圖。
圖9為圖1所繪示之裝置的實施例之上視平面圖，其中此裝置具有一經塑形的冷卻板。
圖10為圖1所繪示之裝置的實施例之側剖面圖，其中裝置具有一冷卻輪。
圖11為矽與鍺系統的二元相圖。
圖12繪示一實施例之漸進型能帶間隙片材。
圖13為鍺系統之二元相圖的一部分。
圖14為一實施例之系統整合的側剖面圖。
圖15為採用空氣軸承的片材運送之一實施例之剖面圖。
圖16為一實施例之適用於太陽能電池製造的系統整合。
圖17A至圖17C繪示晶粒界控制的一實施例。
圖18為歐姆加熱之一實施例之前視剖面圖。
圖19為片材製造的另一實施例之側剖面圖。
圖20為另一實施例之用以從熔體中分離出片材的裝置之側剖面圖。
以下所描述之裝置與方法的實施例是有關於太陽能電池。然而，這些實施例亦可用於製造積體電路、平面面板或所屬領域中具有通常知識者所熟知之其他基板。再者，雖然此處所描述之熔體是以矽為例，但本發明之熔體亦可包括鍺、矽與鍺的混合物或其他所屬領域中具有通常知識者所熟知的材料。因此，本發明不以下述之具體實施例為限。
圖1為一實施例之用以將片材從熔體分離的裝置之側剖面圖。片材形成裝置21具有一容器(vessel)16及板件(panel)15與20。容器16與板件15、20的材質例如是鎢(tungsten)、氮化硼(boron nitride)、氮化鋁(aluminum nitride)、鉬(molybdenum)、石墨(graphite)、碳化矽(silicon carbide)或石英(quartz)。容器16是用來容置一熔體10。熔體10例如是矽(silicon)。在一實施例中，可藉由進料器11補充熔體10。進料器11可包含固態矽。在另一實施例中，熔體10可以是被幫浦打進容器16中。熔體10上會形成一片材13。舉例而言，片材13會有至少一部分在熔體10中浮動。如圖1所繪示，當片材13在熔體10中浮動時，片材13會有至少一部分被熔體10淹沒，或在熔體10的頂部浮出。在一實施例中，只有10%的片材13從熔體10的頂 部往上突出。
容器16定義出至少一通道17。通道17是用以容納熔體10，且熔體10從通道17的一第一位置18流動至一第二位置19。在一實施例中，通道17中的環境是平靜的，以避免在熔體10中產生漣漪。熔體10可因壓力差、重力或其他傳輸方法而流動。接著，熔體10會流過溢流道(spillway)12。溢流道12例如是一斜坡、一堰、一小型的壩或一角落，但不以圖1所繪示的實施例為限。溢流道12可以是呈任何讓片材13從熔體10中分離出的形狀。
在本具體實施例中，板件15有部分延伸至熔體10的液面下方，這可避免波浪或漣漪干擾在熔體10上形成的片材13。波浪或漣漪會因從進料器11加入熔體材料、藉由幫浦打入熔體材料或其他所屬領域中具有通常知識者所熟知的原因而產生。
在一具體實施例中，容器16與板件15及20的溫度可以維持在約略高於1687 K的溫度。對矽而言，1687 K代表結晶溫度(Tc)。藉由使容器16與板件15及20維持在略高於Tc的溫度，冷卻板14可用以產生輻射冷卻，以使在熔體10上或熔體10中的片材達到預期的冷卻凝固速率。在本實施例中，冷卻板14是由單一的部件或片段所組成。通道17的底部25可被加熱至Tc以上，以在熔體10中產生小的垂直溫度梯度，藉此避免在片材13上產生本質上的過度冷卻、樹枝狀結晶或枝狀凸起。然而，容器16與板件15及20的溫度可以是任何高於熔體10之熔點的溫度，這可避免熔體10在容器16與板件15及20上固化。
藉由一包覆件26將至少部分或全部的裝置21包覆其中，裝置21的溫度可維持在約略高於Tc的溫度。雖然圖1所繪示的包覆 件26僅部分環繞或包覆裝置21，包覆件亦可完全包覆裝置21，且裝置21並不僅僅以圖1所繪示的實施例為限。當包覆件26使裝置21的溫度維持在高於Tc的溫度時，便可不需或減少對裝置21的加熱，且包覆件26中或包覆件26周圍的加熱器可補償任何的熱量損失。包覆件26可為等溫，且其熱傳導性可為非各向同性。如此之包覆件26可用一襯墊27、一具有加熱器的層狀結構28及一絕緣層29所構成，然而，亦可採用其他所屬領域中具有通常知識者所熟知的設計。襯墊27可導熱，且在一實施例中襯墊27的材質例如是氮化硼(boron nitride,BN)。具有加熱器的層狀結構28可包括無線電頻率感應加熱(radio frequency inductive heating,RF inductive heating)或其他所屬領域中具有通常知識者所熟知的加熱方法。在另一個具體實施例中，加熱器不是配置於包覆件26上或包覆件26中，而是配置於裝置21中。在一實施例中，藉由在容器16中嵌入加熱器且採用多區式溫度控制，容器16的不同區域可被加熱至不同溫度。
包覆件26可控制裝置21所處的環境。在一具體實施例中，包覆件26包含惰性氣體。惰性氣體可以維持在高於Tc的溫度。惰性氣體可減少溶質被加入熔體10中，以避免在片材13形成的過程中產生本質上的不穩定性。
裝置21包括一冷卻板14。當片材13形成於熔體10上時，冷卻板14可將熱量抽出。當冷卻板14降溫至熔體10的凝固點以下時，冷卻板14會使片材13在熔體10上或熔體10中凝固。冷卻板14可採用輻射冷卻，且可由石墨或碳化矽所製成。冷卻板14可快速、均勻且在量值受到控制的情況下從液態熔體10中移除熱量。當片材13形成時，對熔體10的干擾會被抑制，以避免缺陷產生。
當欲使片材13維持在低缺陷密度(defect density)時，從熔體10表面所抽出熔化熱會加速片材13的產生，且速度會較其他帶狀拉晶法(ribbon pulling method)快。冷卻在熔體10表面的片材13或浮在熔體10上的片材13可使熔化潛熱被緩慢地移除，且允許熔體10在具有較大的水平流動速率時，能夠有較大的面積釋放熱量。從熔體垂直拉出片材具有大於約每秒300微米的晶體成長速率，而此處之裝置與方法的實施例可具有相較下很低的晶體成長速率，其接近丘克拉斯基晶體成長速率。在一實施例中，晶體成長速率可低於約每秒10微米。當片材被垂直拉出熔體表面外時，潛熱必須被沿著片材移除。結晶面積(或片材厚度乘以片材寬度)會較小，如此需要一個約每分鐘18毫米的較高的溫度梯度以垂直拉出片材。採用如此之垂直拉晶法會導致較低的結晶品質。冷卻在熔體10表面上的片材13或浮在熔體10上的片材除了可提升片材13的品質外，還可增加生產速度及片材13的尺寸，而這樣的生產速度與尺寸皆比從熔體表面垂直拉出的帶狀材料來得高。
冷卻板14的尺寸(例如同時在長度與寬度上)可以增加。相較於同樣的垂直成長速率及產出的片材13厚度，增加冷卻板14的長度可允許較快的熔體10流動速率。增加冷卻板14的寬度則可產生較寬的片材。不同於採用垂直的片材拉出方法，此處所描述之裝置與方法的實施例不會造成片材13寬度的先天物理限制。
在一具體實施例中，熔體10與片材13以約每秒1公分的速率流動。冷卻板14的長度約20公分，且寬度約25公分。片材13可以約20秒的速度長出約100微米的厚度。因此，片材13的厚度成長速率可以是約每秒5微米。厚度約100微米的片材可以用約每小時 10平方米的速率被製造。
在一實施例中，熔體10的溫度梯可以被微小化，這可使熔體10的流動成為層流或可藉由冷卻板14的輻射冷卻來形成片材13。冷卻板14與熔體10間約300 K的溫度差可以每秒7微米的速率在熔體10上或熔體10內形成片材13。
在冷卻板14下游且在板件20上方之通道17的區域可以是等溫的，此等溫區域可允許片材13的退火(annealing)。
在片材13形成於熔體10上之後，可利用溢流道12將片材13從熔體10分開。熔體10從通道17的第一位置18流動至第二位置19。片材13會與熔體10一起流動。片材13的傳輸可以是連續的運動。在一實施例中，片材13的流動速度可以約相同於熔體10的流動速度。如此一來，片材13在相對熔體10靜止時便可形成並被傳送。溢流道12的形狀或方向可被改變，以改變片材13的速度剖面(velocity profile)。
熔體10在溢流道12處會與片材13分離。在一實施例中，熔體10的流動會使熔體10越過溢流道12，且至少有部分會使片材13越過溢流道12，這可減少或避免片材13中的晶體斷裂，因為沒有外在應力施加於片材上。在本具體實施例中，熔體10會流過溢流道12並離開片材13。溢流道12處不會被冷卻，以避免對片材13的熱衝擊。在一實施例中，溢流道12處的分離發生在接近等溫的狀態下。
由於熔體10可以在讓片材13能夠適當的冷卻與結晶的速度下流動，因此在裝置21中形成的片材13之形成速度可以比垂直地從熔體拉出的方法來得快。片材13的流動速度會接近熔體10的流動速度，這可降低片材13所受到的應力。當垂直地從熔體拉出帶狀材料 時，拉力在帶狀材料上所造成的應力會使拉出帶狀材料的速度受到限制。在一實施例中，裝置21中的片材13會沒有任何如此之拉應力(pulling stress)，這可增進片材13的品質及生產速度。
在一實施例中，片材13會傾向筆直地流出溢流道12外。在一些實施例中，片材13在流過溢流道12後可以被支撐住以避免斷裂。一支撐元件22可用以支撐片材13。支撐元件22可利用一氣體或空氣鼓風機來提供一氣壓差以支撐片材13。當片材從熔體10分離之後，可緩慢地改變片材13所在的環境溫度。在一實施例中，當片材13移動至更遠離溢流道12之處後，可使溫度降低。
在一實施例中，片材13的成長、片材13的退火及利用溢流道12來使片材13從熔體10分離可發生在等溫的環境下。利用溢流道12來分離及大約相等的片材13與熔體10的流速可使在片材13上的應力與機械應變降至最低，這會增加產生單晶片材13的機率。
在另一實施例中，可對裝置21中的熔體10與片材13施加一磁場，這可抑制熔體10內的非層流，且可增進片材13的結晶化。
圖2為圖1所繪示的裝置之實施例之上視平面圖。圖3為圖1所繪示之裝置之實施例的前視剖面圖。圖2與圖3皆繪示具有通道30的裝置21。如圖2所繪示，熔體10會以如箭頭33所指的方向流經通道17。熔體會流過冷卻板14(如圖2中以陰影表示的區域)，且片材13會形成。由圖2至圖3可看出，冷卻板14可以不完全延伸至容置熔體10的側壁31、32，這可避免固態片材13靠著側壁31、32形成。片材13與熔體10會流動而越過溢流道(spillway)12，且片材13會從熔體10分離出。熔體10接著會以如箭頭34所指的方向經由通道30流回鄰近進料器11的區域。雖然圖中繪示兩個通道30，但亦 可採用一或多於二個的通道。此裝置並不僅以兩個通道30為限。再者，雖然圖中所繪示的通道30是位於裝置21的兩側，但亦可採用其他可讓熔體10流動的設計。
圖4為圖1所繪示之裝置的前視剖面圖，其中此裝置採用磁流體動力幫浦(magnetohydrodynamic pump,MHD pump)或勞倫茲幫浦(Lorentz pump)。在本實施例中，線圈50、51配置於裝置21的上方及下方，且在裝置21內產生一個鉛直的磁場(B)。在熔體10兩側的極板56、57提供直流電流至通道30內的熔體10中。極板55與56、極板56與57以及極板57與58可連接至至少一直流電源供應器，以在熔體10中產生電流(I)，這會產生磁力52、53、54，且這可由向量外積F=IxB所得知，其中F為以牛頓作單位的力，I為以安培作單位的電流，而B為以特斯拉(Tesla)作單位的磁場。勞倫茲力會在熔體10中提供一泵抽作用，且熔體10會因磁場的作用而流動。流經熔體10的電流亦會加熱熔體10，但不會加熱片材13。
圖5為圖1所繪示之裝置的實施例之側剖面圖，其中此裝置採用磁流體動力幫浦。在本實施例中，裝置21包括一個單一的通道81。磁流體動力幫浦80允許流經裝置21的熔體10藉由磁力與電力產生層流(laminar flow)，但這是發生在通道81中，而不是在裝置21中。利用磁流體動力幫浦80可使熔體10以重力的反方向流動。
圖6為圖1所繪示之裝置的實施例之前視剖面圖，其中此裝置採用螺旋幫浦(screw pump)。裝置21在每個通道30中各包括一螺旋幫浦70。螺旋幫浦70可由碳化矽(silicon carbide)所製成，且可在通道30內連續地泵抽熔體10。圖7為圖1所示之裝置的實施例的上視平面圖，其中此裝置採用螺旋幫浦。螺旋幫浦可延伸至通道30 的全部或部分長度。
在另一實施例中，採用一幫浦以使熔體10流經裝置21。在一實施例中，此幫浦為葉輪幫浦(impeller pump)。在又一實施例中，轉輪(wheel)可用以提升熔體10，並提供熔體10適當的液壓，以產生所需的流速。當然，所屬領域中具有通常知識者當知亦可應用其他的泵抽方法，且知道裝置21並不僅僅以在此所描述之泵抽方法為限。再者，所屬領域中具有通常知識者會認同裝置21的其他設計與配置方法。
圖8為一實施例之在熔體上使一片材凝固的側剖面圖。熔體10是以如箭頭33所指出的方向流動。在本實施例中，熔體10會通過板件15、冷卻板14及板件20下方。熔體10、板件15與板件20的溫度可維持在Tc或略高一點。在本實施例中，冷卻板14被成多段，且包括冷卻部90、91、92、93與94。每一冷卻部90、91、92、93與94的溫度可以不同或相近，或者用以讓不等量的熱從熔體10傳遞出來。當熔體10流經冷卻板14時，冷卻板會將熔體10冷卻，以形成片材13。至少根據時間與熔體10的流速，片材13的結晶速率在每個冷卻部90、91、92、93、94皆會受到控制。每個冷卻部90、91、92、93、94的尺寸可用以影響結晶的速率。對從熔體10傳遞至每一冷卻部90、91、92、93、94的熱的控制能力可讓片材13的結晶速率受到控制。
圖9為圖1所繪示之裝置的實施例之上視平面圖，其中此裝置具有一經塑形的冷卻板。冷卻板14包括至少一彎曲的邊緣100，這可讓片材13在形成於熔體10中時的形狀受到控制。在本具體實施例中，當片材13通過邊緣100下方時，片材的起始寬度會比最終寬度 窄。當片材13繼續流經冷卻板14下方，片材13的最終寬度會擴展，這可促進缺陷與晶粒界(grain boundary)遷移至片材13中受控制的位置，且可提供較佳的晶界(crystal boundary)之生成。在一實施例中，由於呈彎曲形的導引邊緣100的作用，片材13的晶粒會移往片材13的邊緣。
熔體10的流速會隨著製程控制的狀態而改變。在一實施例中，熔體10的流速可約為每秒1公分。在冷卻板14下方的時間控制可藉由改變流速來改變，且這可增進片材13的成長或改變片材13的厚度。
維持溫度Tc亦可允許片材13退火，進而提升片材13的品質。為了避免熔體10中溶質的存在而導致本質上的不穩定性，可在熔體10中維持小的垂直溫度梯度。舉例而言，這個垂直溫度梯度可以是約每公分1 K，這會在片材13形成時在其中產生一垂直溫度梯度。當片材13形成以後，片材13會流動至板件20下方，其可維持在與熔體10相同的溫度上。接著，片材13中不再有垂直的溫度梯度，且張力逐漸在片材13中形成，此時需要進行退火。板件20可使張力受到退火作用，這可降低片材13中的差排(dislocation)機率。
片材13上的樹枝狀結晶(dendrite growth)的成長會受到控制。在一實施例中，控制鍺(germanium)與污染物在熔體10中的等級(level)可減少鍺所引起的樹枝狀結晶、污染物所引起的樹枝狀結晶或片材13的表面95之粗糙度。在另一實施例中，表面95上的粗糙或樹枝狀結晶可藉由拋光、氧化或蝕刻來修復。
圖10為圖1所繪示之裝置的實施例之側剖面圖，其中裝置具有一冷卻輪。冷卻輪110具有至少一被輻射保護層112所圍繞的冷 卻表面111，其可協助片材13的形成。冷卻輪110可獨立於熔體10的發射率之外運作。在本具體實施例中，冷卻輪110與冷卻部90、91、92、93、94一起運作。冷卻表面111的材質例如為石墨。在一實施例中，冷卻表面111例如為約40微米厚的石墨。冷卻表面111可以在例如約1000 K的溫度下運轉。在達到平衡溫度Tc且開始產生片材13之前，每一冷卻表面111會從熔體10帶走某一量值的熱。在一實施例中，冷卻表面111可以在約0.3秒內與熔體10在Tc下達到平衡，且吸收潛熱以產生一約10微米厚的片材。由於每一冷卻部90、91、92、93、94在獨立於來自熔體10的熱流速率的情況下與片材13達到熱平衡，所以熱轉移(heat transfer)會獨立於熔體10的發射率之外。當片材13以箭頭33所指的方向流動至冷卻部90、91、92、93、94時，冷卻板10會接著轉動以進行下一個量值的熱轉移。
在一實施例中，只有矽會加入熔體10中。然而，在一些實施例中，矽與鍺皆會被加入熔體10中，以維持所需的矽相對鍺的比例，這可藉由採用進料器11加入固態矽或固態鍺來達成。在一實施例中，熔體10可維持在一惰性氣體環境中以避免氧化。圖11為矽與鍺系統的二元相圖。固態矽(密度ρ約為2.4公克/立方公分)會在純的液態矽(密度ρ約為2.6公克/立方公分)的表面凝固，而此時的結晶溫度為1414℃(或1687 K)。
在一實施例中，鍺可被加入至熔體10中的矽。將鍺加到熔體10中的矽可使片材13更快地成長，且可允許晶格參數的變化，這可補償片材13的缺陷。若將鍺加到熔體10中的矽時，鍺會先留在液態熔體10中。精確的濃度與熔體10的流速或精確的熔體10成分相關。由於固態結晶片材13具有較低的鍺濃度，且因而具有相對剩下的 熔體10較高的熔點，所以固態結晶片材13會穩定而不受溫度波動影響。此外，若在熔體10中採用矽-鍺混合物，矽會覆蓋容器16與板件15，這會減少熔體10被用來製造容器16與板件15的材料所污染，這是因為矽的覆蓋層會封住這些表面。
所生成的固態膜包含一些鍺。若鍺低於約5%的熔體10，這只會產生些微的能帶間隙(band gap)之縮小。能帶間隙是在固體中的一個能量範圍，在此範圍中，沒有電子狀態(electron state)存在。對太陽能電池而言，能帶間隙決定哪一部分的太陽光譜會被吸收。將不同的原子加入晶格中會影響片材13的整體能帶間隙，這是因為電子的不同能帶會隨著晶格的變化而轉變。亦可採用其他鍺的等級，而此為所屬領域中具有通常知識者所熟知。換言之，本實施例並不限定熔體10中的鍺僅能是5%。在熔體10中採用矽與鍺的溶液可允許藉由液態熔體10從片材13製造出漸進型能帶間隙(graded bandgap)太陽能電池。由矽與鍺所製成的漸進型能帶間隙太陽能電池已可由化學氣相沉積法(chemical vapor deposition,CVD)所製成，然而在熔體10中採用矽與鍺的溶液可減少製程步驟，且可降低製造成本。
圖12繪示一實施例之漸進型能帶間隙片材，而圖13為鍺系統之二元相圖的一部分。若在熔體10中可產生層流，鍺的濃度剖面圖會是穩定的，且可獲得更純的片材13。由於鍺的密度大於矽，此濃度剖面圖亦會使凝固前沿(freezing front)穩定，且增進片材13的平面性(planarity)。層流亦可允許熔體10中的鍺的分級。在本實施例中，純片材13具有高比例的矽。由於熱轉移59會讓更純的片材13形成於熔體10上，因此熔體10中的鍺或其他污染物之濃度會上升。圖12繪示熔體10中的鍺之大概的百分濃度。圖13繪示熔體10中的液 體62與片材13中的固體61。
圖14為一實施例之系統整合(system integration)的側剖面圖。裝置21合併至一連續流動整合製程機床(continuous-flow integrated process tool)。片材13例如可被加工成一積體電路(integrated circuit)、太陽能電池或平面面板。如此一來，當片材13在裝置21中被製造出來之後，便可對片材13加工。在本具體實施例中，至少部分藉由重力的作用，片材13可以被運送而遠離熔體10。當片材13被運送時，滾輪124用以至少部分支撐片材13。滾輪124亦可用來協助片材13的運送。在一實施例中，片材13的彎曲之曲率可以設計得較小。此片材13的彎曲之曲率可用以降低片材13上的機械應力。當片材13被運送而遠離熔體10時，片材13會被冷卻。在一實施例中，片材13會被降溫至約300 K。片材13可藉由特定的冷卻元件來冷卻、藉由時間的經過來冷卻或在加工元件123中冷卻。加工元件123例如是拋光器(polisher)、電漿摻雜裝置(plasma doping tool)、沉積裝置(deposition tool)或其他加工裝置。
圖15為採用空氣軸承(air bearing)的片材運送之一實施例之剖面圖。可採用一空氣軸承來代替滾輪124支撐片材13或用以輔助滾輪。空氣軸承122泵抽氣體(例如是氬氣)而使其通過入口導管120。接著，空氣軸承122泵抽氣體而使其通過出口導管121。空氣軸承122所形成的密封性可讓氣體以低於大氣壓的壓力流動。某些流動速度亦可產生白努利效應(Bernoulli effect)，亦即當氣體的流速增加時，壓力會減少。
圖16為一實施例之適用於太陽能電池製造的系統整合。所屬領域中具有通常知識者當知亦可採用其他的系統整合，且此製程並 不僅僅以圖16所繪示者為限。在本實施例中，以矽為主要成分的片材13可被裝置21所製造。當片材13離開裝置21後，滾輪124可至少部分支撐片材13。可採用電漿摻雜裝置130來進行接面摻雜(junction doping)。在一實施例中，在電漿摻雜裝置130中進行接面摻雜時，片材13可處於接地電位。在另一實施例中，片材13在電漿摻雜裝置130中會被施加偏壓。在另一可選擇的實施例中，當片材13仍然處於高溫時，片材13可在加工裝置中被浸入至少一摻雜氣體中，以在片材13中摻雜出接面，而取代採用電漿摻雜裝置130來摻雜出接面的方式。接著，一網板印刷器(screen printer)131可在片材13上印出接墊(contact)。再來，使用一爐子132來進行接墊的燒結、氫化及片材13的退火。之後，可使用一切割裝置133來劃分片材13，以形成各別的太陽能電池134。空氣軸承可用以分開各加工部。所屬領域中具有通常知識者當知各加工部的長度可根據加工時間(process time)來設計，以實現連續流動製程。在另一實施例中，片材13可以在進行任何加工步驟之前被劃分13，亦即片材13可以在離開裝置21後被劃分。
圖17A至圖17C繪示晶粒界控制(grain boundary control)的一實施例。如圖17A所繪示，側壁31、32將熔體10容納於通道17中。熔體10以箭頭33所指的方向流向冷卻板14。冷卻板14的導引邊緣140可導入一溫度梯度。冷卻板14亦可以具有其他的溫度梯度，例如是隨著熔體10的流動而沿著冷卻板14的長度方向之溫度梯度。在另一實施例中，冷卻板14在其整個面積中可具有一均勻的溫度。
在本具體實施例中，導引邊緣140隨著跨越片材13的寬度之高溫區與低溫區而有變化的溫度。如圖17B所繪示，在導引邊緣140 的此變化溫度可使各別的晶體往較溫暖的區域展開，如箭頭142所繪示，這可在片材13中形成一晶粒界141的陣列，如圖17C所繪示。藉由控制跨越導引邊緣140的溫度梯度可使應變(strain)緩和。最大的應變會發生在片材13的邊緣，此處具有最高的溫度梯度。如果溫度梯度保持在低於約每公尺1000℃，2.5公尺寬的片材13可被製造出來。利用一單一彎曲成長晶粒界(single curved growth boundary)可產生一單晶片材13。在另一實施例中，溫度梯度會受到控制，而片材13的成長、片材13的退火及片材13從熔體10分離皆發生在等溫的環境下。
在一實施例中，可刻意採用週期性溫度波動，這可控制片材13中的晶粒界或增進晶粒品質。週期性溫度波動亦可形成一單晶片材13、提升太陽能電池的效率或使晶體在一特定的角度成長。
圖18為歐姆加熱之一實施例之前視剖面圖。在本實施例中，熔體10被凝固的矽151所包圍，這可減少片材13中的污染物，其會從側壁31、32或容器16進入熔體10中。雖然凝固矽151的溫度低於Tc，但熔體10與片材13的溫度可藉由歐姆加熱而保持在一個較高的溫度。歐姆加熱可藉由電極150來進行。電極150可由鎢(tungsten)所製成。電極150在沿著熔體10的流動方向上的長度近似於冷卻板14的長度。加熱區152可控制片材13之最靠近側壁31、32的邊緣處的溫度與晶體成長。用以運送熔體10的磁場或穩定熔體10中的對流電流(convection current)、用以推進或加熱的電流密度(J)、有關產生黏性阻力(viscous drag)與對流(convection)之熔體10的深度，及用以加熱或凝固熔體10或片材13的環境溫度等因素皆可受到控制。
圖19為片材製造的另一實施例之側剖面圖。系統160包括具有滾輪124的一第一裝置161及一第二裝置162。雖然圖中繪示第 一裝置161與第二裝置162，但在裝置160中亦可採用多於二個裝置。第一裝置161及第二裝置162可與圖1所繪示的裝置21一致。當在第一裝置161中的片材13形成於熔體10上之後，片材13會被運送至第二裝置162。片材13接著會通過第二裝置162中的熔體10。第二裝置162可使片材13變厚，或增加額外的材料至片材13。額外的加工步驟可在第二裝置162後進行。第一裝置161中的熔體10可以不同於第二裝置162中的熔體10。在一具體實施例中，加工步驟可在第一裝置161與第二裝置162之間進行。
在一實施例中，太陽能電池可能需採用具有遞減能帶間隙的多個不同半導體材料的膜層，以使太陽能電池能夠利用光的整個頻譜。第二裝置162可藉由讓片材13接觸第二裝置162中的熔體10，來增加額外的膜層至片材13。第一裝置161與第二裝置162的熔體10可具有不同的性質、成分或Tc。第二裝置162加入至片材13的厚度可藉由第二裝置162中的冷卻板14來控制。第二裝置162中的熔體10可以是流動的，或在另一實施例中，亦可以是靜止的。
圖20為另一實施例之用以從熔體中分離出片材的裝置之側剖面圖。裝置171包括一磁流體動力電極(MHD electrode)172。在熔體10兩側的磁流體動力電極172可由鎢所製成，且可驅使冷卻板14下方的熔體10從通道17的第一位置18流動至第二位置19。一第一磁體(magnet)173及一第二磁體174可配置於熔體10附近，以產生一鉛直的磁場。第一磁體173與第二磁體174在裝置171中的配置區域可幾乎相同於磁流體動力電極172在裝置171中的配置區域。磁流體動力電極172能夠迫使熔體10在一個斜面上往上流，如圖20所繪示。斜面的最大角度可由公式θ=JB/(ρg)計算出，其中，J為電流 密度(安培/米平方)，B為磁場(特斯拉)，ρ為密度(2,600公斤/米立方)，且g為重力加速度(9.81公尺/秒平方)。
在一實施例中，B近似於2.5千高斯，其近似於0.25特斯拉，且J近似於100安培/(1米*1毫米)，其近似於105安培/米平方。舉例而言，θ可以大到1弧度(radian)。圖20的結構可使熔體10在溢流道12之外具有大約相等的高度，這可簡化裝置171的設計，且可減少裝置171內其他泵抽作用的使用。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故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。
10‧‧‧熔體
11‧‧‧進料器
12‧‧‧溢流道
13‧‧‧片材
14‧‧‧冷卻板
15、20‧‧‧板件
16‧‧‧容器
17‧‧‧通道
18‧‧‧第一位置
19‧‧‧第二位置
21‧‧‧片材形成裝置
22‧‧‧支撐元件
25‧‧‧底部
26‧‧‧包覆件
27‧‧‧襯墊
28‧‧‧層狀結構
29‧‧‧絕緣層

Claims (22)

  1. 一種片材製造裝置，包括：一容器，定義出一通道，該通道經設置以容納一材料之一熔體；一冷卻板，配置於該通道的一第一區中的該熔體的上方，該冷卻板經設置以在該熔體上形成該材料之一片材；一溢流道，配置於該通道的一第二區，其中藉由使該熔體流動越過該溢流道而將該片材從該熔體分離；以及一退火板件，配置於該通道的該第二區中的該片材的上方，該退火板件用以使該片材退火。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之片材製造裝置，其中該材料包括矽或矽與鍺。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板的溫度至少比該熔體低50K。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板包括多個冷卻部。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板採用輻射冷卻。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板具有一彎曲邊緣。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之片材製造裝置，其中該退火板件維持在與該熔體相同的溫度上。
  8. 一種片材製造裝置，包括：一容器，定義出一通道，該通道經設置以容納一材料之一熔體，該熔體經設置以流經該通道； 一冷卻板，配置於該通道的一第一區中的該熔體的上方，該冷卻板經設置以在該熔體上形成該材料之一片材；一溢流道，配置於該通道的一第二區，其中該片材設置為藉由使該熔體流動越過該溢流道而將該片材從該熔體分離；以及一退火板件，配置於該通道的該第二區中的該片材的上方，該退火板件用以使該片材退火。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，其中該材料包括矽或矽與鍺。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板的溫度至少比該熔體低50K。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板包括多個冷卻部。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板採用輻射冷卻。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板具有一彎曲邊緣。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，更包括一幫浦，該幫浦經設置以產生該熔體的流動。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之片材製造裝置，其中該退火板件維持在與該熔體相同的溫度上。
  16. 一種片材製造裝置，包括：一通道，該通道經設置以容納一材料之一熔體，該熔體經設置以從該通道之一第一位置流至一第二位置；一冷卻板，配置為鄰近於該通道，該冷卻板設置為採用輻射冷卻 以在該熔體上形成該材料之一片材；一溢流道，配置於該通道的該第二位置，該溢流道配置於該熔體內，其中藉由使該熔體流動越過該溢流道而將該片材從該熔體分離，且該熔體流動而遠離該片材；以及一退火板件，配置於該通道的該第二位置中的該片材的上方，該退火板件用以使該片材退火。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之片材製造裝置，其中該材料包括矽或矽與鍺。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板的溫度至少比該熔體低50K。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板包括多個冷卻部。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之片材製造裝置，其中該冷卻板具有一彎曲邊緣。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之片材製造裝置，更包括一幫浦，該幫浦經設置以產生該熔體的流動。
  22. 如申請專利範圍第16項所述之片材製造裝置，其中該退火板件維持在與該熔體相同的溫度上。
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