TWI668442B - 薄片形成設備、用於測量熔體表面的薄片的厚度的系統及用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種薄片形成設備、用於測量熔體表面的薄 片的厚度的系統及用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的方法。薄片形成設備包含材料熔體、置於熔體內的固體薄片、經配置以形成薄片的結晶器和在所述結晶器下游的超聲波測量系統，所述超聲波測量系統包括至少一個超聲波測量裝置，其包含耦合到超聲波換能器的波導以導引超聲波脈衝穿過所述熔體。

Description

薄片形成設備、用於測量熔體表面的薄片的厚 度的系統及用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的方法
本發明是有關於一種設備、系統以及方法，且特別是有關於一種用於在高溫環境中定位材料層之間界面的設備、系統以及方法。
在許多加工和生產應用中，適宜或必需在惡劣或極端環境中定位多種不同材料之間的界面。舉例而言，製造半導體基材有時使用一種技術，其中從一種既定材料(諸如矽)的熔體上生長單一結晶(單晶)薄片。這可通過使由既定材料組成的熔體表面上的既定位置處的所述既定材料的較薄固體層結晶，且沿一牽拉方向拉伸所述較薄固體層實現。當沿既定方向拉伸所述單晶材料時，可形成一單晶材料帶，其中所述單晶材料帶一端在既定位置或發生結晶的結晶區域上保持固定。所述結晶操作可能需要強 冷卻裝置或“結晶器”。所述結晶區域可限定單晶薄片和熔體之間的結晶正面(前邊緣)，所述熔體由前邊緣處形成的晶體面限定。
為了保持這個有刻面的前邊緣在穩態條件下生長以匹配生長速度和單晶薄片或“帶”的牽拉速度，在結晶區域可使用結晶器進行強冷卻。這樣可能會導致單晶薄片形成，其初始厚度與所應用的冷卻強度相稱，就矽帶生長而言，其初始厚度通常約為1-2mm。但是，對於諸如由單晶薄片或單晶帶形成的太陽能電池的應用而言，目標厚度可能約為200μm或小於200μm。這需要減少初始形成的單晶帶的厚度，可通過在沿牽拉方向拉伸所述單晶帶時，在包含熔體的坩堝區域上方加熱所述單晶帶實現。在單晶帶與熔體接觸時，所述單晶帶經由所述區域拉伸，可回熔單晶帶的既定厚度，從而將單晶帶厚度降低到目標厚度。確切地說，所述回熔方法非常適用於所謂的浮矽法(Floating Silicon Method，FSM)，它根據上述操作步驟可在矽熔體表面上形成矽薄片。
但是，在使用諸如FSM的方法生長單晶薄片期間，在單晶薄片的整個寬度(即沿垂直於牽拉方向的橫向方向)上薄片厚度可能有變化。操作不同，薄片厚度可能也不同，或者甚至在同一操作中，厚度可能也不相同，其中操作與單晶材料單帶的產生過程對應。另外，由於單晶帶的最終目標厚度可比初始厚度薄10倍，所以精確控制厚度的一致性尤其重要。舉例而言，器件應用可能指定基材的厚度為200μm +/-20μm。如果在靠近結晶器處具有 2mm的初始厚度且初始厚度變化範圍為2%(或40μm)的單晶薄片在未對所述初始厚度變化進行校正的情況下結晶，則所述帶的厚度通過經由回熔區域拉伸變薄至200μm後，40μm的厚度變化可構成厚度20%的變化，這樣可能會讓單晶帶無法用於其預期應用。此外，單晶帶的厚度沿橫向方向的變化方式，可能通過使用傳統加熱器回熔所述帶是難以校正的。
鑒於前述，宜提供一種用於測量單晶薄片的厚度的系統，此系統能夠在惡劣(即，高溫並且有許多電雜訊)FSM操作環境內不受干擾地操作，且不會污染熔體。進一步宜提供一種系統，此系統可用於在幾乎任何類型的晶體固化應用(例如Cz，DSS)與玻璃和冶金應用中，測定不同材料之間的界面位置(例如液體和固體之間的界面，液體和氣體之間的界面，不同固體之間的界面，不同液體之間的界面，等等)，在這些應用中，用其它方法難以或者不可能定位材料界面。
提供此發明內容而以簡化形式引入下文在具體實施方式中進一步描述的一系列概念。此發明內容並不打算確定所主張的主題的關鍵特徵或基本特徵，並且也不打算說明確定所主張的主題的範圍。
根據本發明實施例的薄片形成設備的例示性實施例可包含材料熔體，置於所述熔體內的固體薄片，經配置以形成所述薄 片的結晶器，和在所述結晶器下游的超聲波測量系統，所述超聲波測量系統包括至少一個超聲波測量裝置，所述超聲波測量裝置包含耦合到超聲波換能器的波導以導引超聲波脈衝穿過所述熔體。
根據本發明用於測量熔體表面上的薄片厚度的系統的例示性實施例可包含至少一個超聲波測量裝置，所述超聲波測量裝置包含耦合到超聲波換能器的波導用於導引超聲波脈衝穿過所述熔體和所述薄片。
根據本發明用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的例示性方法可包含導引超聲波脈衝穿過薄片形成設備中的材料的熔體，和從熔體的邊界上的超聲波脈衝的反射匯出材料界面的位置。
1‧‧‧鍋爐腔室
2‧‧‧液體
3‧‧‧加熱器
4‧‧‧固體
5‧‧‧坩堝
7‧‧‧界面
10‧‧‧熔體
13‧‧‧薄片
14‧‧‧結晶器
15‧‧‧薄片形成設備
16‧‧‧容器
20‧‧‧超聲波測量系統
22‧‧‧超聲波測量裝置
24‧‧‧波導
26‧‧‧超聲波換能器
28‧‧‧絕熱材料
30‧‧‧水冷式金屬
32‧‧‧保護殼體
34‧‧‧隔離套筒
36‧‧‧空隙
38‧‧‧冰球形圓塊
40‧‧‧頂端
42‧‧‧頂板
43‧‧‧補償加熱器
44‧‧‧分段式回熔加熱器
現將通過舉例參考附圖描述所公開的裝置的各種實施例，在所述附圖中：圖1為示出根據本發明實施例的超聲波測量系統的截面側視圖。
圖2為示出根據本發明從熔體分離薄片的設備的截面側視圖。
圖3為沿圖2中A-A平面截取的截面正視圖，其示出了圖2 所示設備的超聲波測量系統。
圖4a為圖3所示超聲波測量系統的一部分的截面正視圖。
圖4b為圖4a所示超聲波測量系統的波導的細節截面正視圖。
圖5包含示出由本發明超聲波測量系統產生的反射超聲波脈衝的例示性時間和振幅的曲線圖和圖表。
參見附圖，下文現將更全面地描述根據本發明用於測量熔體表面上的薄片的厚度的系統，附圖中所示為所述系統的優選實施例。然而，本系統可以按許多不同形式實施，並且不應被解釋為限於本文所闡述的實施例。更準確地說，提供這些實施例是為了使得本公開將是透徹並且完整的，並且這些實施例將把本系統的範圍完整地傳達給所屬領域的技術人員。在圖式中，相同標號始終指代相同元件。
本文公開的系統的實施例是關於太陽能電池的生產予以說明的。但是，這些實施例也可用於生產，例如，積體電路，平板，發光二極體(light-emitting diode，LED)，或所屬領域的技術人員已知的其他基材。此外，當所說明的是矽熔體時，所述熔體可含有鍺，矽和鍺，鎵，氮化鎵，碳化矽，藍寶石，其他半導體或絕緣體材料，或所屬領域的技術人員已知的其他材料。因此，本發明不限於下文描述的具體實施例。
圖1為超聲波測量系統20(下文稱“系統20”)的截面側 視圖，其經配置以精確定位不同材料(諸如液體2和部分浸沒在液體2中的固體4)之間的界面。在圖1的實例中，提供包封加熱器3的鍋爐腔室1，加熱器3用於加熱坩堝5和其中的液體2。具體而言，系統20可用于測量形成於液體2和固體4之間的界面7的位置。更一般化地，系統20在幾乎任何類型的晶體固化應用(例如，柴氏拉晶法(Czochralski，Cz)、DSS、凱式長晶法(Kyropolous，Ky))與玻璃和冶金應用中，可用於測定不同材料之間界面(例如液體和固體之間的界面，液體和氣體之間的界面，不同固體之間的界面，不同液體之間的界面，等等)的位置。
圖2中示出了可實施的系統20的應用的非限制性例子，圖2示出了從熔體中形成結晶薄片的設備15的實施例的截面側視圖。薄片形成設備15可包含容器16，其為坩堝，經配置以容納熔體10。容器16可以由(例如)鎢，氮化硼，氮化鋁，鉬，石墨，碳化矽，或石英形成。熔體10可為(例如)矽。薄片13可形成於熔體10上。雖然圖2示出薄片13是在熔體10內完全浮動，但是薄片13可替代地部分浸沒在熔體10中，或可浮在熔體10頂部上。在一個實例中，僅10%的薄片13可從熔體10頂表面上方伸出。熔體10可在薄片形成設備15內迴圈。
在一個特定實施例中，容器16的溫度可保持在略高於1412℃。對於矽而言，1412℃表示凍結溫度或“界面溫度”。通過將容器16的溫度保持略高於熔體10的凍結溫度，位於熔體10上 方的結晶器14可快速冷卻熔體10，從而當熔體10在結晶器14下方通過時，可在熔體10之上或之中獲取薄片13的所需的凍結速率。
測量薄片13的厚度具有多個優勢。此類測量可用作製造薄片13的回饋機制或加工控制系統。這可確保獲取薄片13所需的厚度。原位測量可允許在在熔體10上形成薄片13時即時監控薄片13的厚度。這可減少浪費，並且能夠形成連續的薄片13。
在一個非限制性實施例中，設備15可包含用於測量圖2和圖3中所示的薄片13的厚度的超聲波測量系統20。圖3所示系統20的正視圖中最佳示出了，系統20可包含超聲波測量裝置22的陣列(下文稱“測量裝置22”)，其用側向間隔開的佈置置於熔體10表面下方。測量裝置22中的每一個可包含一個伸長的波導24，其耦合到對應的超聲波換能器26且從對應的超聲波換能器26朝上延伸。換能器26可通過一層或多層絕熱材料28和一層水冷式金屬30(例如，鋁金屬)與容器16的底部分隔開，以保護換能器26免於受熱，否則，熱可能會破壞換能器26的運行。
波導24的上端可置於經由(或從)容器16的底層朝上延伸的保護殼體32內。保護殼體32可以由，例如，鎢，氮化硼，氮化鋁，鉬，石墨，碳化矽或石英形成，且在阻止波導24和熔體10接觸的同時，可允許波導24的最上面頂端延伸至略低於薄片13(例如，<5mm)的位置。保護殼體32因此保護熔體10免受波 導24污染，但，如下文進一步描述，使得波導測量的解析度幾乎等於波導24的直徑(例如，約1cm)。
參考圖4a和圖4b中所示的測量裝置22的具體視圖，各波導24可經配置以一種方式從對應的換能器26(如圖2和圖3所示)向熔體10的高溫環境傳輸超聲波脈衝，所述方式不會使波脈衝明顯失真，也不會引入大量由波導24的壁之間反射造成的“拖尾脈衝”。舉例而言，每一波導24可由一種高溫金屬的捲繞薄片形成，包含(但不限於)高碳鋼或鎢。通過標定薄片尺寸使得薄片厚度小於超聲波脈衝波長，並使得線圈長度大大超過超聲波脈衝波長，可達到一種“單聲道模式”條件，其中超聲波幾乎不分散傳射。在另一個非限制性例子中，每一波導24可為一種具有楔形壁的固體圓柱體，此類圓柱體由一種高溫、低熱導率材料(包含(但不限於)，陶瓷)構成。此類陶瓷圓柱體表面可經帶有紋理以減少拖尾回波。
參考圖4b，每一換能器24可由氧化鋁-矽石複合物(在品牌斯爾卡(ZIRCAR)名下出售)或類似材料所組成的隔離套筒34圍繞。隔離套筒34的內徑可大於換能器26的外徑。隔離套筒34可由此在換能器26周圍界定環形的、由空氣或氬氣填充的空隙36。另外，一種熔融金屬(例如銀，銅，鋁，等等)的“冰球形圓塊”(puck)38可置於每一換能器26的頂端40內(諸如杯式凹槽內)，豎直地放在波導24和保護殼體32的頂板42的中間。冰球 形圓塊38可充當使聲波丟失最小化的低聲學阻抗耦合件。
在系統20操作期間，超聲波脈衝由換能器26產生，並通過波導24朝上傳輸，穿過保護殼體32、熔體10、薄片13和在熔體10上方的氣體(例如，氬氣)氛圍40。超聲波脈衝在每一材料界面部分反射，並且這些反射被換能器26檢測到。每一反射的相對強度R由通過每一材料界面的材料的聲學阻抗z的差值確定，如下列等式：
基於波導24、保護殼體32、熔體10、薄片13和氣體氛圍40的聲學屬性，以及聲速和各材料層的厚度，可計算經圖3所示換能器26檢測的各個部分反射的“飛行時間”。考慮到所有反射，包含反射的時序和衰減，可測定每一反射和每一材料界面之間的對應關係。可看到從薄片13的頂表面和底表面的反射的振幅易於區分，其間具有大約0.2μs的時間差。一種典型未聚焦的壓電換能器(脈衝發生器-接收器)在20MHz的條件下運行時能夠產生以約0.05μs為週期的超聲波脈衝。這將為檢測表示薄片13厚度測量的信號之間的0.2μs間距提供足夠的解析度。
因此，每一超聲波測量裝置22可用於測量薄片13的對應橫截面的厚度，其中每一對應的橫截面的寬度大致等於波導24的直徑。系統20中的超聲波測量裝置22的側向陣列可因此共同產生橫跨整個薄片13的寬度的薄片13的“厚度剖面”。在每一波 導24的直徑約為1cm的條件下，可獲取約1cm的厚度剖面解析度，前提條件是波導24的位置在所測量的薄片13的數毫米內。
上述脈衝-回波技術的優勢之一是它基於時間(相較於基於信號強度)，並且因此不受換能器和材料特性變化的影響。這使得系統20在不需要交叉校準各個超聲波測量裝置22的情況下可測量薄片13的厚度剖面。
為了避免熔體10和/或薄片13受到熱干擾，可給系統20設置一個或多個補償加熱器43，鄰接於波導24安置在容器16下方，如圖2和圖3所示。所述補償加熱器43可充分加熱波導24，以防止熔體10的熱流入波導24且在熔體10中產生冷區域而可能導致薄片13出現缺陷。舉例而言，假定每一波導24具有約200W/mK(就捲曲鋼而言)的有效熱導率，且每一波導24的直徑約為1cm，長度約為15cm，要將補償加熱器43維持在1412℃的熔體溫度下以便加熱波導24，將需要大致15W的功率。波導24由此加熱後，在鄰接於熔體10的波導24中將極少有或沒有溫度梯度，因此極少有或沒有熱量會從熔體10流入波導24。
薄片13的厚度剖面和由本發明的系統20得到的其他厚度測量值可用於多種目的。舉例而言，當薄片13在熔體10中初始產生時，薄片13具有使得初始化的薄片厚度與結晶器14(圖2所示)的長度相稱的前邊緣面，從而薄片厚度通常可大於1mm。但是，對於太陽能電池而言，理想薄片厚度為<200μs(典型基材 目前約為180μs厚)。因此，存在將初始薄片13的一些部分回熔至所需厚度的需求。為了實現理想的生產效率，回熔應在薄片13仍與晶體生長鍋爐中的熔體10接觸時進行。
如圖2所示，分段式回熔加熱器(segmented melt-back heater，SMBH)44可置於熔體10下方/內部，且可以有助於選擇性地回熔和薄化薄片13的所需部分，從而可“調整”薄片厚度剖面的一致性。SMBH 44可包含多個側向間隔開的加熱器，其中可單獨控制每一加熱器的輸出，以共同得到可控制的側向熱量曲線。經系統20測量的初始薄片厚度可傳送至一控制器(未圖示)，控制器又可調節SMBH 44的熱量曲線以選擇性地回熔薄片13以獲取所需的最終薄片厚度和一致性。在一個實例中，最終薄片剖面可一致的約為10μm內(對於太陽能電池而言)，在此情況下，初始薄片厚度剖面的測量應精確到約10μm。
在一個實例中，宜直接在SMBH 44的上游測量薄片的薄片厚度剖面，使得SMBH 44可沒有延遲地及時校正薄片厚度剖面的任何波動。因此，如圖2所示，系統20可直接置於SMBH 44上游。但是，在不脫離本發明範疇的情況下，在此考慮了系統20可替代地置於SMBH 44的下游。
在此考慮了系統20可另外地或可替代地用於測量設備15中除薄片13外的材料的厚度。舉例而言，系統20可用於測量熔體13的厚度(深度)，以測定熔體10是否應被補充、且應被補 充到何種程度。進一步考慮了系統20可用於測定設備15中材料之間界面的精確位置。舉例而言，系統20可用於測定熔體10和薄片13之間的界面位置，即使此類界面位於熔體10的表面之下(即，如果薄片13浸沒在熔體10中)。更一般化地，在此考慮了系統20在幾乎任何晶體固化應用(例如，Cz、DSS)與玻璃和冶金應用中，可用於測定固化界面(即，液體和固體之間的界面)的位置，在這些應用中，可能用其它方法難以或不可能定位固化界面。
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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

  1. 一種薄片形成設備，包括：材料的熔體；置於所述熔體內的固體的薄片；經配置以形成所述薄片的結晶器；以及在所述結晶器下游的超聲波測量系統，所述超聲波測量系統包括至少一個超聲波測量裝置，所述超聲波測量裝置包含耦合到超聲波換能器的波導以導引超聲波脈衝穿過所述熔體，其中所述波導的頂端置於所述熔體內的保護殼體中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的薄片形成設備，其中也導引所述超聲波脈衝穿過所述薄片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的薄片形成設備，其中所述至少一個超聲波測量裝置包括用側向間隔開的佈置橫跨所述熔體的寬度安置的多個所述超聲波測量裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的薄片形成設備，進一步包括置於所述波導頂端和所述保護殼體中間的一定量的熔融金屬以在其間提供低聲學阻抗耦合。
  5. 一種用於測量熔體表面上的薄片的厚度的系統，所述系統包括至少一個超聲波測量裝置，所述超聲波測量裝置包含耦合到超聲波換能器的波導以導引超聲波脈衝穿過所述熔體和所述薄片，其中所述波導的頂端置於所述熔體內的保護殼體中並且在所述薄片下方。
  6. 如申請專利範圍第5項所述用於測量熔體表面上的薄片的厚度的系統，其中至少一個所述超聲波測量裝置包括用側向間隔開的佈置橫跨所述薄片的寬度安置的多個所述超聲波測量裝置。
  7. 如申請專利範圍第5項所述用於測量熔體表面上的薄片的厚度的系統，進一步包括置於所述波導的頂端和所述保護殼體中間的一定量的熔融金屬以在其間提供低聲學阻抗耦合。
  8. 一種用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的方法，其包括：通過波導傳輸超聲波脈衝，其中所述波導的頂端置於所述薄片形成設備中的材料的熔體內的保護殼體中；導引所述超聲波脈衝穿過所述熔體；以及從所述熔體的邊界處的超聲波脈衝的反射匯出所述材料界面的所述位置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述用於在薄片形成設備中測定材料界面的位置的方法，其進一步包括：導引所述超聲波脈衝穿過置於所述熔體內的所述材料的薄片；以及由所述薄片的邊界處的超聲波脈衝的反射匯出所述薄片的厚度。
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