半導(dǎo)體材料片材、用于形成它的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體材料片材、用于形成它的系統(tǒng)和方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C. §120,要求2013年3月15日提交的美國(guó)申請(qǐng)系列號(hào) 13/841，995的優(yōu)先權(quán)，并根據(jù)35U.S.C. § 119,要求2012年10月9號(hào)提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng) 系列的號(hào)61/711，506的優(yōu)先權(quán)，本文以該申請(qǐng)為基礎(chǔ)并將其全文通過(guò)引用結(jié)合于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明涉及用于形成半導(dǎo)體材料片材的系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)形成半導(dǎo)體材料片材 的方法，和使用該方法形成的半導(dǎo)體材料片材。
[0004] 半導(dǎo)體材料用于各種應(yīng)用，并可結(jié)合進(jìn)入例如電子設(shè)備例如光伏設(shè)備。半導(dǎo)體材 料的性質(zhì)可取決于各種因素，包括晶體結(jié)構(gòu)、本生缺陷的濃度和種類(lèi)，是否存在摻雜劑和其 他雜質(zhì)，以及它們的分布。在半導(dǎo)體材料中，例如粒度和粒度分布會(huì)對(duì)制得的器件的性能造 成影響。一種半導(dǎo)體材料是硅，其可通過(guò)各種技術(shù)來(lái)形成，例如作為錠、片材或帶。硅可通 過(guò)下面的基片來(lái)支持或不支撐。
[0005] 小的半導(dǎo)體材料片材可通過(guò)各種間歇方法來(lái)制備。形成這種小片材的一種間歇方 法稱為外澆鑄法（exocasting)，其中把具有能放入坩鍋的小形狀的模具浸入設(shè)置在坩鍋中 的半導(dǎo)體材料熔體。然后，把模具從半導(dǎo)體材料熔體取出，并在模具的表面上形成小的片 材，其隨后可取下和提純或以其它方式利用。但是，用這種常規(guī)方法形成的半導(dǎo)體材料片 材基于所用模具的尺寸受限于大小，因此為了獲得大量的小半導(dǎo)體材料片材，這種常規(guī)方 法可為特別耗時(shí)的。此外，這種常規(guī)方法是間歇過(guò)程，這進(jìn)一步限制了半導(dǎo)體材料片材的 生產(chǎn)速率。
[0006] 概述
[0007] 本發(fā)明提供使用一系統(tǒng)形成半導(dǎo)體材料片材的方法。所述系統(tǒng)包括第一凸面元 件，其沿著第一軸線延伸且能繞著第一軸線旋轉(zhuǎn)。所述系統(tǒng)還包括與第一凸面元件隔開(kāi)的 第二凸面元件，其沿著第二軸線延伸且能繞著第二軸線旋轉(zhuǎn)。第一和第二軸線基本上相互 平行，且第一和第二凸面元件限定了在它們之間的輥隙（nip gap)。所述方法包括在第一凸 面元件和第二凸面元件中的至少一個(gè)的外部表面上施加半導(dǎo)體材料熔體以在第一凸面元 件和第二凸面元件中的至少一個(gè)的外部表面上形成沉淀物。所述方法還包括以相互相對(duì)的 方向分別繞著第一和第二軸線旋轉(zhuǎn)第一和第二凸面元件，以允許沉淀物穿過(guò)輥隙，由此形 成半導(dǎo)體材料片材。
[0008] 此外，本發(fā)明提供用于使用所述方法形成半導(dǎo)體材料片材的系統(tǒng)。最后，本發(fā)明提 供使用所述方法形成的半導(dǎo)體材料片材。
[0009] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0010] 在下面的詳細(xì)描述中將結(jié)合附圖描述其它優(yōu)勢(shì)和方面，其中：
[0011] 圖1是用于形成半導(dǎo)體材料片材的系統(tǒng)的一種實(shí)施方式的示意性橫截面視圖；
[0012] 圖2是用于形成半導(dǎo)體材料片材的系統(tǒng)的另一種實(shí)施方式的示意性橫截面視圖；
[0013] 圖3是圖2的實(shí)施方式的示意性透視圖；和
[0014] 圖4是用于形成半導(dǎo)體材料片材的系統(tǒng)的另一種實(shí)施方式的透視圖。
[0015] 發(fā)明詳細(xì)描述
[0016] 本發(fā)明提供使用系統(tǒng)形成半導(dǎo)體材料片材的方法。此外，本發(fā)明提供用于根據(jù)方 法形成半導(dǎo)體材料片材的系統(tǒng)10。最后，本發(fā)明提供使用系統(tǒng)10和方法形成的半導(dǎo)體材料 片材。通過(guò)方法和系統(tǒng)10形成的半導(dǎo)體材料片材特別適用于電子應(yīng)用和組件，例如微處理 器和光伏電池模塊。
[0017] 利用系統(tǒng)10來(lái)從半導(dǎo)體材料熔體形成半導(dǎo)體材料片材。用于形成半導(dǎo)體材料片 材的系統(tǒng)10包括第一凸面元件10,其沿著第一軸線14延伸且能繞著第一軸線14旋轉(zhuǎn)。系 統(tǒng)10還包括與第一凸面元件12隔開(kāi)的第二凸面元件16,其沿著第二軸線18延伸且能繞著 第二軸線18旋轉(zhuǎn)。第一和第二凸面元件12, 16限定了在它們之間的輥隙20。在各種實(shí)施 方式中，大部分因?yàn)榈谝缓偷诙姑嬖械闹辽僖粋€(gè)和環(huán)境的熱損失，至少一部分的半 導(dǎo)體材料熔體經(jīng)歷液固相轉(zhuǎn)變，這導(dǎo)致在第一和第二凸面元件12, 16中的至少一個(gè)的外部 表面上形成半導(dǎo)體材料沉淀物。在系統(tǒng)10中，第一和第二凸面元件12, 16中的至少一個(gè) 用作散熱器和用于發(fā)生固化的固體模型（form)或模具。如下參考方法所述，當(dāng)沉淀物穿過(guò) 輥隙20時(shí)，形成半導(dǎo)體材料片材。
[0018] 系統(tǒng)10的第一和第二凸面元件12, 16具有總體上凸面形狀。第一和第二元件 12, 16各自的外部表面具有總體上凸面形狀。第一和第二凸面元件12, 16無(wú)需在它們各自 的全部外部表面呈現(xiàn)總體上凸面形狀。例如，第一和第二凸面元件12, 16可獨(dú)立地是圓柱 的、部分圓柱的、橢圓、的部分橢圓的、部分球形的，或者包括弧形部分來(lái)提供凸面形狀的任 意形狀。第一和/或第二凸面元件12, 16具有周界，可為總體上矩形的，其中大于0度到小 于360度的周界即外部表面包括弧形部分來(lái)呈現(xiàn)凸面形狀。就尺寸、形狀和/或材料而言， 第一和第二凸面元件12, 16可相互相同或不同。
[0019] 第一和第二凸面元件12, 16的各第一和第二軸線14, 18是基本上相互平行的。具 體來(lái)說(shuō)，用"基本上平行，"指第一和第二軸線14, 18基本上在相同水平面，以及相交時(shí)第 一和第二軸線14, 18形成小于5度，或者小于4度，或者小于3度，或者小于2度，或者 小于1度的銳角（如果有的話）。取決于水平面的視角，水平面可為傾斜的。
[0020] 第一和第二凸面元件12, 16通常各自沿著第一和第二軸線14, 18分別具有基本 上均勻和連續(xù)的橫截面。參考第一和第二凸面元件12, 16的橫截面時(shí)，本文所使用的術(shù)語(yǔ) "基本上均勻和連續(xù)"指橫截面變化小于30%，或者小于20%，或者小于10%，或者小于 5%，或者小于2%，或者小于1%。此外，第一和第二凸面元件12, 16總體上包括基本上 類(lèi)似形狀，從而在第一和第二凸面元件12, 16之間限定的輥隙20相對(duì)于輥隙20的中心軸 線是對(duì)稱的。但是，第一和第二凸面元件12, 16可具有互補(bǔ)的形狀，它們不基本上均勻和 連續(xù)。例如，第一和第二凸面元件12, 16可具有互補(bǔ)的錐形狀。
[0021] 在一些實(shí)施方式中，第一凸面元件12包括第一圓柱輥筒，以及第二凸面元件16 包括第二圓柱輥筒。
[0022] 第一和第二凸面元件12, 16可為實(shí)心的、中空的和/或它們的組合。例如，當(dāng)?shù)谝?和第二凸面元件12, 16是第一和第二圓柱輥筒時(shí)，第一和第二圓柱輥筒可具有中空內(nèi)部， 從而第一和圓柱輥筒具有管形狀或者第一和第二圓柱輥筒可為實(shí)心。
[0023] 第一和第二凸面元件12, 16可包括相同或不同材料。此外，第一和第二凸面元件 12, 16可各自獨(dú)立地包括連續(xù)的材料或者不同材料的組合。第一和第二凸面元件12, 16總 體上包括與半導(dǎo)體材料熔體兼容的材料。例如，如果該材料不因接觸半導(dǎo)體材料熔體或暴 露于半導(dǎo)體材料熔體的熱量而熔融或軟化，則第一和第二凸面元件12, 16的材料是與半導(dǎo) 體材料熔體兼容的。還例如，第一和第二凸面元件12, 16的材料可對(duì)半導(dǎo)體材料熔體是熱 穩(wěn)定的和/或化學(xué)惰性的，因此與半導(dǎo)體材料熔體是非反應(yīng)性的或基本上非反應(yīng)性的。
[0024] 適用于第一和第二凸面元件12, 16的材料的具體示例包括耐火材料例如熔融石 英、石墨、碳化硅、玻璃碳、類(lèi)金剛石碳、氮化硅、單晶或多晶硅，以及這些材料的組合和復(fù) 合材料。在一些實(shí)施方式中，第一和第二凸面元件12, 16的材料是玻璃體氧化硅。當(dāng)?shù)谝?和/或第二凸面元件包括材料的組合時(shí)，至少一部分的第一和/或第二凸面元件包括至少 一種上述耐火材料。在這種實(shí)施方式中，第一和/或第二凸面元件的外部表面包括這些耐 火材料中的至少一種?；蛘?，只有部分的第一和/或第二凸面元件的外部表面包括這些耐 火材料中的至少一種。當(dāng)?shù)谝缓?或第二凸面元件的外部表面包括小于360度第一和/或 第二凸面元件周界的弧形部分時(shí)，該弧形部分包括這些耐火材料中的至少一種。這種弧形 部分可全部或部分地包括這些耐火材料中的至少一種。第一和第二凸面元件12, 16的耐火 材料用于接觸半導(dǎo)體材料熔體。
[0025] 當(dāng)?shù)谝缓?或第二凸面元件包括材料的組合時(shí)，第一和第二凸面元件12, 16可包 括適于支撐耐火材料的材料。例如，耐火材料可與金屬、合金、陶瓷、塑料和它們的復(fù)合材 料和/或組合一起使用。當(dāng)在第一和/或第二凸面元件中使用這種組合時(shí)，其中第一和/ 或第二凸面元件中的耐火材料的相對(duì)厚度是第一和第二凸面元件12, 16和半導(dǎo)體材料熔 體之間所需的傳熱動(dòng)力學(xué)的因子。為此，不同的耐火材料具有不同的比熱容，因此第一和第 二凸面元件12, 16中耐火材料的相對(duì)厚度也是所用特定耐火材料的因子。作為一個(gè)具體示 例，當(dāng)?shù)谝缓偷诙姑嬖?2, 16包括玻璃態(tài)氧化硅時(shí)，第一和第二凸面元件12, 16中耐 火材料的相對(duì)厚度通常是至少約250微米（y m)?；蛘?，當(dāng)?shù)谝缓偷诙姑嬖?2, 16包 括碳化硅時(shí)，第一和第二凸面元件12, 16中耐火材料的相對(duì)厚度通常是至少約170微米 (ym)，因?yàn)樘蓟璧谋葻崛荼炔ＡB(tài)氧化硅的大得多。
[0026] 第一和第二凸面元件12, 16中耐火材料可為整體件或晶片的形式。此外，第一和 第二凸面元件12, 16的耐火材料可包括多孔或非多孔體，任選的包括一種或更多種多孔或 非多孔涂層。第一和第二凸面元件12, 16的耐火材料可通過(guò)下述特征來(lái)表征：包括形狀、大 小、表面積、表面粗糙度等。這些特征中的一個(gè)或多個(gè)可為均勻或非均勻的。例如，耐火材 料可具有特定的表