制造单晶片.pdf

摘要
申请专利号：	CN201180025407.4	申请日：	2011.05.23
公开号：	CN102906315A	公开日：	2013.01.30
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):C30B 11/10申请日:20110523\|\|\|公开
IPC分类号：	C30B11/10; C30B11/12; C30B13/18; C30B15/08; H01L31/18	主分类号：	C30B11/10
申请人：	国际商业机器公司
发明人：	M·T·比约克; H·E·里埃尔; H·施米特
地址：	美国纽约
优先权：	2010.05.31 EP 10164535.6
专利代理机构：	北京市中咨律师事务所 11247	代理人：	于静;张亚非
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内容摘要

一种用于制造单晶片（11），特别地，硅片（11）的方法，包括：提供其间形成间隙（3）的至少两个孔元件（1、2）；在所述至少两个孔元件（1、2）之间的间隙（3）中提供包含硅的熔融合金（4）；在熔融合金（4）附近提供包含硅的气态前体介质（5）；在熔融合金（4）附近提供硅成核晶体（6）；以及使硅成核晶体（6）与熔融合金（4）接触。一种用于制造单晶片（11），特别地，硅片（11）的设备（10、20），包括：至少两个孔元件（1、2），其彼此相距预定距离（D）而形成间隙（3），且适合于被加热以通过表面张力使包含硅的熔融合金（4）保持在孔元件（1、2）之间的间隙（3）中；用于在熔融合金（4）附近供应包含硅的气态前体介质（5）的装置（15）；以及用于在熔融合金（2）附近保持和移动成核晶体（6）的定位装置（16）。

权利要求书

权利要求书一种用于制造半导体材料的单晶片（11）的方法，包括：
提供至少两个孔元件（1、2），在所述至少两个孔元件（1、2）之间形成间隙（3）；
在所述至少两个孔元件（1、2）之间的所述间隙（3）中提供包含所述半导体材料的熔融合金（4）；
在所述熔融合金（4）附近提供包含所述半导体材料的气态前体介质（5）；
在所述熔融合金（4）附近提供成核晶体（6）；以及
使所述成核晶体（6）与所述熔融合金（4）接触。
根据权利要求1的方法，包括：将所述孔元件（1、2）和所述熔融合金（4）定位为使得所述熔融合金（4）通过表面张力而保持在所述孔元件（1、2）之间。
根据权利要求1或2的方法，包括：使所述成核晶体（6）从所述熔融合金（4）逐渐收回。
根据权利要求1‑3中任一项的方法，包括：加热所述孔元件（1、2）。
根据权利要求1‑4中任一项的方法，其中，所述半导体材料从包含所述半导体材料的所述气态前体介质（5）释放到所述熔融合金（4）中，从而使所述熔融合金（4）中的所述半导体材料过饱和。
根据权利要求1‑5中任一项的方法，其中，所述方法在保护气氛中执行。
根据权利要求1‑6中任一项的方法，其中，所述熔融合金（4）为低共熔合金。
根据权利要求1‑7中任一项的方法，其中，所述气态前体介质（5）包括以下中的至少一者：至少选自硅、锗、铟、砷、磷、氮或镓的氯化物、氢化物、金属有机化合物。
根据权利要求1‑8中任一项的方法，其中，所述孔元件（1、2）具有350至1000摄氏度之间的温度。
根据权利要求1‑9中任一项的方法，包括提供包含以下中的至少一者的掺杂气体：硅、磷、砷、碳、硫、硼、或者包含硅或溴的分子。
根据权利要求1‑10中任一项的方法，包括提供包含以下中的至少一者的蚀刻气体：氯、氟、溴、或者包含氯、氟或溴的分子。
根据权利要求1‑11中任一项的方法，其中，所述至少两个孔元件之间的所述间隙（3）为细长狭缝。
根据权利要求1‑12中任一项的方法，包括：在与所述成核晶体（6）接触之前，沿<111>生长方向切割所述成核晶体（6）。
根据权利要求1‑13中任一项的方法，其中，所述气态前体介质（5）被提供在所述孔元件（1、2）的相对于所述熔融合金（4）的第一侧（T）上，且所述成核晶体（6）被提供在所述孔元件（1、2）的相对于所述熔融合金（4）的第二侧（B）上。
根据权利要求1‑14中任一项的方法，包括：将所述单晶硅片（11）缠绕在卷（9）上以进行进一步处理。
一种通过权利要求1‑15中任一项的方法制造的单晶硅片（11）。
一种太阳能电池装置（12），其包括通过权利要求1‑15中任一项的方法制造的单晶片（11），所述单晶片（11）被掺杂为具有p‑或n‑型导电性特征。
一种用于制造单晶半导体片（11）的设备（10、20），包括：
至少两个孔元件（1、2），所述至少两个孔元件（1、2）彼此相距预定距离（D），从而形成间隙（3），且所述至少两个孔元件（1、2）适合于被加热，以通过表面张力使包含半导体材料的熔融合金（4）保持在所述孔元件（1、2）之间的所述间隙（3）中；
用于在所述熔融合金（4）附近供应包含所述半导体材料的气态前体介质（5）的装置（15）；以及
用于在所述熔融合金（2）附近保持和移动成核晶体（6）的定位装置（16）。
根据权利要求18的设备（10、20），其中，所述两个孔元件（1、2）具有v状或槽状的部分（1A、2A）。
根据权利要求18或19的设备（10、20），其中，所述两个孔元件（1、2）具有碳涂层或包含金属氧化物的涂层。
根据权利要求18‑20中任一项的设备（10、20），其中，所述预定距离（D）小于200微米。
根据权利要求18‑21中任一项的设备（10、20），其中，所述设备（10、20）适合于执行根据权利要求1‑15中任一项的方法。

说明书

说明书制造单晶片
技术领域
本公开涉及用于制造单晶片（mono‑crystalline sheet）的方法和设备，具体而言涉及单晶硅片。此外，提供用于制造太阳能电池和天阳能电池装置的方法。
背景技术
多数诸如集成电路或微芯片的半导体器件是基于硅的。此外，硅可以应用于光伏应用并形成所使用的大多数太阳能电池的基础。为了用于太阳能电池应用，广泛使用薄硅衬底。
公知基于硅的太阳能电池的效率取决于用作衬底的硅的结晶性。例如，应用非晶形硅的太阳能电池呈现低于10%的效率。使用多晶硅的较高效太阳能电池可达到约15%的效率。通常根据每入射太阳能由太阳能电池产生的电力来测量太阳能电池的效率。可利用单晶硅衬底获得太阳能电池的最高效率。在光伏应用中还使用其他半导体材料，所述半导体材料优选地采用其单晶形式。然而，在商业应用中，主要采用硅衬底。
发明内容
根据本发明的一个方面的实施例，提供一种用于制造半导体材料的单晶片的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少两个孔元件（aperture element），在所述至少两个孔元件之间形成间隙；
在所述至少两个孔元件之间的所述间隙中提供包含所述半导体材料的熔融合金；
在所述熔融合金附近提供包含所述半导体材料的气态前体（precursor）介质；
在所述熔融合金附近提供所述半导体材料的成核晶体（nucleationcrystal）；以及
使所述成核晶体与所述熔融合金接触。
根据一个实施例，所述方法可以包括将所述半导体材料沉积在所述成核晶体上的步骤。
所述半导体材料可以由例如硅、锗、砷化铟、磷化铟、砷化镓、或磷化镓制成。所述前体介质可以包括选自作为蒸气施加的硅（Si）、锗（Ge）、铟（In）、砷（As）、磷（P）或镓（Ga）的氯化物、氢化物或金属有机化合物。
特别地，根据本发明的另一实施例，提供一种用于制造单晶硅片的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少两个孔元件，在所述至少两个孔元件之间形成间隙；
在所述至少两个孔元件之间的所述间隙中提供包含硅的熔融合金；
在所述熔融合金附近提供包含硅的气态前体介质；
在所述熔融合金附近提供硅成核晶体；以及
使所述硅成核晶体与所述熔融合金接触。
通过应用所提出的方法，可以获得单晶半导体片而不需要将半导体材料的单晶块切割为薄片。此外，由于单晶硅片沿着成核晶体生长，因此该片可以具有矩形的形状。如果用作太阳能电池的衬底，这种几何形状会是特别合适的。
在一个方法实施例中，包括将所述孔元件和所述熔融合金定位为使得所述熔融合金通过表面张力而保持在所述孔元件之间的步骤。
所述方法还可以包括加热所述孔元件的步骤。
在一个实施例中，执行从所述熔融合金逐渐收回（retract）所述成核晶体的步骤。
例如，通过使用包含硅的气态前体介质，该前体介质或前体气体中的硅可以进入熔融合金，从而导致过饱和。然后，单晶硅可以在接触熔融合金区域的成核晶体的边缘上生长。因此，在特定方法实施例中，硅可以从包含硅的气态前体介质释放到熔融合金中，从而使得该熔融合金中的硅过饱和。硅在此可以代表前体介质中所包含的任何半导体材料或成核晶体以及要制造的单晶薄片的半导体材料。
根据另一实施例，所述方法在可以包含惰性气体的保护气氛中执行。也可在处理期间使用真空室。
根据本发明一个方面的实施例，提供一种用于制造单晶片的设备。所述设备可以包括至少两个孔元件，所述至少两个孔元件彼此相距预定距离，从而形成间隙，且所述两个孔元件适合于被加热，以通过表面张力使包含半导体材料的熔融合金保持在所述孔元件之间的所述间隙中。所述设备可以包括用于在所述熔融合金附近供应（deliver）或制造包含所述半导体材料的气态前体介质的装置，以及用于在所述熔融合金附近保持和移动成核晶体的定位装置。
所述半导体材料可以是例如硅、锗、砷化铟或砷化镓。所述前体介质可以包括作为气相材料施加的选自硅、锗、铟或镓等的氯化物、氢化物或金属有机化合物。
特别地，根据本发明的一个实施例，提供一种用于制造单晶硅片的设备。所述设备：包括至少两个孔元件，所述至少两个孔元件彼此相距预定距离，从而形成间隙，且所述两个孔元件适合于被加热，以通过表面张力使包含硅的熔融合金保持在所述孔元件之间的所述间隙中；用于在所述熔融合金附近供应或制造包含硅的气态前体介质的装置；以及用于在所述熔融合金附近保持和移动成核晶体的定位装置。
在本发明各方面的实施例中，所述熔融合金可以是低共熔材料（eutectic material），例如，其包含诸如金或铝的至少一种金属和所述半导体材料。
所述气态前体介质可以包括至少选自硅、锗、铟、砷、磷、氮或镓的氯化物、氢化物或金属有机化合物中的至少一者。
对于硅，所述孔元件优选地被加热到300℃至850℃之间的温度。优选地，所述方法或处理步骤在350℃至500℃之间的温度范围内执行。
在本发明各方面的实施例中，所述至少两个孔元件之间的所述间隙可以是细长狭缝。
所述两个孔元件可以具有为v状或槽状的部分。于是，两个相对排列的部分之间可以在其间产生间隙。
所述孔元件可以还具有氧化硅（SiO2）涂层或碳涂层。所述涂层可以特别地为包含金属氧化物的介电涂层。
根据本发明的一个实施例，所述孔元件可以由硅形成。
在一个实施例中，所述孔元件之间的所述预定距离优选地小于200μm。
在所述方法的变体中，执行提供包含选自硅（Si）、磷（P）、硼（B）、硫（S）、砷（As）中的至少一者的掺杂气体以及适合于本领域公知的靶向半导体（targeted semiconductor）的其他掺杂元素的步骤。
在所述方法或设备的又一实施例中，执行提供蚀刻气体作为用于所述孔元件的清洁剂的步骤，所述蚀刻气体包括选自氯（Cl）、氟（F）、溴（Br）或包含氯（Cl）、氟（F）、溴（Br）的分子中的至少一者。此外，所述提供蚀刻气体的步骤可用于平滑化或钝化所产生的半导体的表面。
从几何上看，所述包含硅的气态前体介质可以被提供在所述孔元件的相对于所述熔融合金的第一侧上，所述硅成核晶体可以被提供在所述孔元件的相对于所述熔融合金的第二侧上。例如，所述前体气体或气态前体介质可以被设置在水平排列的孔元件的上方，所述成核晶体可以被设置在所述孔元件的下方。
根据另一实施例，在使硅成核晶体与所述熔融合金接触之前，执行沿<111>生长方向切割所述硅成核晶体的步骤。这样可以便于精确的生长而在单晶硅片中没有任何缺陷。
生长出的例如具有矩形形状的单晶硅片可以缠绕在卷上以进行进一步处理。
例如，可以通过掩蔽、掺杂或金属化步骤、表面结构化，或者被设置在透明支撑层上和被设置有电接触而对所述硅片进行进一步处理。
根据本发明另一方面的实施例，提供一种太阳能电池装置，所述太阳能电池装置包括通过所公开的用于制造单晶片的方法制造的单晶片，所述单晶片被掺杂而具有p‑n结特征。
所述太阳能电池装置可以基于通过上述方式制造的薄的单晶硅片或其他半导体材料。
所述硅片可以在没有衬底或不从衬底去除或切削硅层的情况下生长或制造。相反地，所述片或箔可以直接生长和制造，而没有中间层或衬底。
根据另一方面的一个实施例，提出一种显示器，所述显示器包括通过所公开的用于制造单晶片的方法制造的单晶片，所述单晶片被掺杂而具有p‑n结特征。
特别地，晶体硅片可用于显示器，特别地用于由晶体硅晶体管驱动的大型显示器。特别地，可以使用性能较低的非晶Si晶体管，例如，用于有机发光显示器。
所述设备和方法的特定实施例或方面可以包括上面或下面关于示例性实施例描述的单独或组合的特征、方法步骤或方面。
附图说明
在以下示例性实施例中，参考附图描述用于制造单晶片的方法和设备以及太阳能电池装置。
图1示出用于制造单晶硅片的方法实施例的方框流程图；
图2‑7示出实施用于制造单晶硅片的方法实施例的方法步骤和设备装置的示例；
图8示出用于制造单晶硅片的设备实施例的示意图；
图9示出单晶硅片的示意图；以及
图10示出基于单晶硅片的太阳能电池的实施例的示意图。
如果没有另外指出，则附图中相似或功能上相似的要素被分配有相同的参考标号。
具体实施方式
本文中使用的“使接触”可以指碰触、形成接触或挨得很近（immediateproximity）的动作，特别地是指在成核晶体与熔融合金之间碰触、形成接触或挨得很近的动作。“使接触”包括元件朝向彼此的相对运动以接触。
本文中使用的“熔融”可以指熔化的物质，其中熔化是将固态物质加热到使其变为液体的熔点的处理。因此，熔融合金可暗示选择并施加用于产生合金液相的适当温度。
“合金”可以指两种或更多种元素的均匀混合物，其中至少一种元素为金属。例如，根据用于制造单晶硅片的方法或设备的一个方面，可以采用金硅合金。
术语“低共熔”意味着包含材料组合的合金在低于其中任一组分的熔化温度的温度下熔化。金硅低共熔合金可在比其任一组分低约700℃的温度下，即，在约360℃下熔化。
本文中使用的“间隙”还可以称为孔、缝、沟槽或通路。所述间隙可以是两个孔元件之间的间隔，其中所述孔的宽度小于所述孔的长度。优选地，长度与宽度的比率至少为2，其中所述宽度对应于所述孔元件之间的距离。所述间隙可以实现为狭缝。
术语“单晶硅片”对应于没有支撑衬底的单晶硅。所述片还可以称为硅膜、层、薄膜或箔。
术语“单晶”可以指其中整个片的晶格连续且直到该片的边缘无破损（unbroken）的固体材料。所制成的单晶片与非晶材料形成对照，在非晶材料中，材料原子的位置没有长程有序性。典型地，非晶相是通过在衬底上沉积材料层而产生的。单晶材料可具有优于由许多大小和取向不同的微晶或颗粒构成的多晶材料。依据每太阳能单位所产电力，基于非晶硅衬底（aSi）的太阳能电池可呈现小于10%的效率，基于多晶硅（mc‑或poly‑Si）的太阳能电池呈现约15%的效率，而采用单晶硅（c‑Si）的太阳能电池可达到22%的效率。
现在参考示出用于制造单晶硅片的方法的一个实施例的方框流程图的图1并参考示例出可能的方法步骤的图2‑7，解释这样的用于制造硅片的方法的特定方面。特别地，图2‑7还示意性地示出了适合于执行用于制造单晶硅片的方法的装置或设备的特征和元件。
如图1所示，在第一方法步骤S1中，提供如图2A和图2B所示的两个孔元件。孔元件1、2中的每一个可以包括具有槽状或v状形状的部分1A、2A。两个槽状部分1A和2A彼此相对布置，以便在两个孔元件1、2之间出现间隙3。图2A示出截面图，其中在图2A的朝向中，顶侧T和底侧B由两个水平布置的孔元件1、2定义。
图2B示出两个孔元件1、2的俯视图。这两个孔元件以预定距离D布置。从图2B中的俯视图可以看出，间隙3具有长度为L的细长的狭缝的形状。优选地，长度L显著大于距离D。例如，孔或间隙宽度D可以由小于200μm的距离D限定。然而，在特定实施例中，狭缝或间隙3的长度可以是10cm或更长。狭缝或间隙3可以为直的，即，两个槽状孔部分1A、2A以平行方式布置。所述孔元件优选地由硅微加工而成，并且可以通过二氧化硅或碳进行涂覆。然而，可以构想诸如保护盖的其他材料。
在下一步骤S2中，将包含硅的熔融合金置于两个孔元件1、2之间的间隙3的空间内。图3A和3B示出例如沿孔或间隙的长度装入所述间隙的熔融合金4。例如包括金硅（Au‑Si）合金的合金为低共熔合金，其具有约360℃的温度。这被示例为布点区域4。
在下一处理步骤S3中，将处于其气相的前体介质引到熔融合金4的附近。这在图4中示出。所述前体介质或前体气体被示出为示意性的云5。例如，供气设备将氯化硅SiCl4或硅烷SiH4或由硅形成的另一金属有机化合物供应给熔融合金4。包含硅的前体将硅释放到金硅合金中，如箭头A所示。过一会儿，合金4变为过饱和的。
根据所使用的前体材料和合金材料选择孔和前体气体的温度。所述温度可以被设置在350℃和850℃之间。然而，如果使用氯化硅，则可以采用更高的温度。
接下来，如图5所示，在步骤S4中，将用作成核晶体6的单晶硅晶体从下面引到过饱和的熔融合金4的附近。图5示例出成核晶体6，所述成核晶体优选地沿<111>生长方向被切割并且被定位为使其端部7靠近具有过饱和硅的熔融合金。
图6示出其间形成了细长狭缝或间隙的两个细长孔元件的透视图，熔融合金4位于所述细长狭缝或间隙中。该熔融合金4可以仅通过表面张力而保持在两个孔元件1、2之间。由硅制成的成核晶体6被设置在第一孔元件1、间隙中的熔融合金4以及第二孔元件2的水平布置的下方。图6所示的布置对应于用于制造单晶硅片的设备或装置的一个实施例。
如图7所示，当使成核晶体与过饱和的熔融合金接触（步骤S4）时，单晶硅片逐渐形成（evolve）。当例如包含金和硅的低共熔混合物的熔融合金受到前体气体5的影响而连续地保持过饱和时，硅8在紧邻熔融合金4的成核晶体6的端部7处结晶。人们可以不断收回带有正生长的单晶片8的成核晶体6，如图7中的箭头M所示。成核晶体从合金4的收回速度适应于单晶片8的生长速率。在制造过程期间，过饱和的合金不断地使硅溶化到成核晶体上。可以控制速度以保证孔元件1、2之间的熔融合金材料4的恒定形状或截面形状。收回步骤S5可以通过诸如微处理器的控制设备或者控制用于制造单晶硅层的整个设备的适当编程的计算机进行控制。
根据本发明的优选实施例，所生长的单晶硅片的生长速率或收回速度可以在0.1mm‑3mm/分钟之间变化。然而，也可以实现更高的生长速率。
图8示出用于制造单晶硅片并从而实现上述方法的另一实施例的另一设备实施例。图8示出具有两个孔元件的制造设备20，所述两个孔元件在其间形成间隙，所述孔元件适合于被加热以通过表面张力将熔融合金4保持在所述孔元件之间。前体气体供应设备15（也称为用于供应气态前体介质的装置）提供包含硅的前体介质5。通过适当地改变所述熔融合金（例如金和硅）以及前体介质5的温度，合金4中的硅变得过饱和。这由箭头A指示。
此外，定位或牵引装置（pulling device）16（也称为定位装置）保持成核晶体6并逐渐从熔融合金4收回生长区8中不断生长的单晶片。例如，所生长的单晶硅片11可被缠绕在卷9上以进行进一步处理。
用于制造或生产单晶硅薄片的设备20的实施例还包括产生到前体气体供应装置15、被加热的孔元件1、2和定位装置16的适当控制信号CT的控制装置17。整个布置20可以使用诸如氩气的惰性气体而被包覆在保护气氛中。
还可以构想将掺杂气体添加到工艺中，以在半导体片生长期间掺杂半导体片。例如，硅、磷、硼或碳可以用作掺杂材料。可以进一步构想添加蚀刻气体作为用于所述孔元件的清洁剂。适当的蚀刻气体可以包括含有氯、氟或溴的分子。如上所述，孔元件1、2可以由硅制成并被氧化物层或碳涂覆。
由于平行孔元件的几何实施方式，从而实现细长狭缝或间隙，因此获得可被卷起以进行进一步处理的矩形形状的硅片。图9示出了由所提出的方法或设备制造的这种单晶硅片的示意性示例。
硅的单晶片材料可用于实现太阳能电池。特别地，单晶材料可允许光伏应用中的较高性能或效率。由于可以直接制造薄片，因此不会出现由传统上必需的锯切或切割所引起的小废料。这可以降低材料和工艺成本。整个工艺可以在相对低的温度下发生。这可以提供能量有效的制造方法。
图10示出了包括例如根据关于图1‑7描述的方法制造的薄单晶硅片的太阳能电池的示例性实施例。所述硅片被掺杂以跨过其厚度提供p‑n结。太阳能电池12包括掺杂的硅片11，其中电接触13位于顶面上，其他接触14位于底面上。这种太阳能电池可以用于包括多个这种用于发电的太阳能电池的太阳能板或光伏模块中。
尽管关于单晶硅片制造实施例解释了所提出的方法和设备，但还可以制造其他单晶半导体片。例如，替代金硅合金，可以使用包括锗、铟或镓的金属合金作为合金。然后，替代基于硅的前体介质，采用包含锗、铟或镓的适当前体气体。
为了实现备选太阳能电池装置，可以将硅箔置于透明支持物或衬底上并为其提供布线。此外，对于光伏应用，单晶硅薄膜可以用于其他所有采用半导体衬底的电子设备，例如传感器、纳米技术系统、显示器等等。

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1、(10)申请公布号 CN 102906315 A(43)申请公布日 2013.01.30CN102906315A*CN102906315A*(21)申请号 201180025407.4(22)申请日 2011.05.2310164535.6 2010.05.31 EPC30B 11/10(2006.01)C30B 11/12(2006.01)C30B 13/18(2006.01)C30B 15/08(2006.01)H01L 31/18(2006.01)(71)申请人国际商业机器公司地址美国纽约(72)发明人 MT比约克 HE里埃尔H施米特(74)专利代理机构北京市中咨律师事务所 11247代。

2、理人于静张亚非(54) 发明名称制造单晶片(57) 摘要一种用于制造单晶片（11），特别地，硅片（11）的方法，包括：提供其间形成间隙（3）的至少两个孔元件（1、2）；在所述至少两个孔元件（1、2）之间的间隙（3）中提供包含硅的熔融合金（4）；在熔融合金（4）附近提供包含硅的气态前体介质（5）；在熔融合金（4）附近提供硅成核晶体（6）；以及使硅成核晶体（6）与熔融合金（4）接触。一种用于制造单晶片（11），特别地，硅片（11）的设备（10、20），包括：至少两个孔元件（1、2），其彼此相距预定距离（D）而形成间隙（3），且适合于被加热以通过表面张力使包含硅的熔融合金（4）保持在孔元件（1、2。

3、）之间的间隙（3）中；用于在熔融合金（4）附近供应包含硅的气态前体介质（5）的装置（15）；以及用于在熔融合金（2）附近保持和移动成核晶体（6）的定位装置（16）。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2012.11.22(86)PCT申请的申请数据PCT/IB2011/052237 2011.05.23(87)PCT申请的公布数据WO2011/151757 EN 2011.12.08(51)Int.Cl.权利要求书2页说明书6页附图6页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页说明书 6 页附图 6 页1/2页21.一种用于制造半导体材料的。

4、单晶片（11）的方法，包括：提供至少两个孔元件（1、2），在所述至少两个孔元件（1、2）之间形成间隙（3）；在所述至少两个孔元件（1、2）之间的所述间隙（3）中提供包含所述半导体材料的熔融合金（4）；在所述熔融合金（4）附近提供包含所述半导体材料的气态前体介质（5）；在所述熔融合金（4）附近提供成核晶体（6）；以及使所述成核晶体（6）与所述熔融合金（4）接触。2.根据权利要求1的方法，包括：将所述孔元件（1、2）和所述熔融合金（4）定位为使得所述熔融合金（4）通过表面张力而保持在所述孔元件（1、2）之间。3.根据权利要求1或2的方法，包括：使所述成核晶体（6）从所述熔融合金（4）逐渐收回。4.。

5、根据权利要求1-3中任一项的方法，包括：加热所述孔元件（1、2）。5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中，所述半导体材料从包含所述半导体材料的所述气态前体介质（5）释放到所述熔融合金（4）中，从而使所述熔融合金（4）中的所述半导体材料过饱和。6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中，所述方法在保护气氛中执行。7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其中，所述熔融合金（4）为低共熔合金。8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其中，所述气态前体介质（5）包括以下中的至少一者：至少选自硅、锗、铟、砷、磷、氮或镓的氯化物、氢化物、金属有机化合物。9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其中，所述孔元。

6、件（1、2）具有350至1000摄氏度之间的温度。10.根据权利要求1-9中任一项的方法，包括提供包含以下中的至少一者的掺杂气体：硅、磷、砷、碳、硫、硼、或者包含硅或溴的分子。11.根据权利要求1-10中任一项的方法，包括提供包含以下中的至少一者的蚀刻气体：氯、氟、溴、或者包含氯、氟或溴的分子。12.根据权利要求1-11中任一项的方法，其中，所述至少两个孔元件之间的所述间隙（3）为细长狭缝。13.根据权利要求1-12中任一项的方法，包括：在与所述成核晶体（6）接触之前，沿生长方向切割所述成核晶体（6）。14.根据权利要求1-13中任一项的方法，其中，所述气态前体介质（5）被提供在所述孔元件（1。

7、、2）的相对于所述熔融合金（4）的第一侧（T）上，且所述成核晶体（6）被提供在所述孔元件（1、2）的相对于所述熔融合金（4）的第二侧（B）上。15.根据权利要求1-14中任一项的方法，包括：将所述单晶硅片（11）缠绕在卷（9）上以进行进一步处理。16.一种通过权利要求1-15中任一项的方法制造的单晶硅片（11）。17.一种太阳能电池装置（12），其包括通过权利要求1-15中任一项的方法制造的单晶片（11），所述单晶片（11）被掺杂为具有p-或n-型导电性特征。18.一种用于制造单晶半导体片（11）的设备（10、20），包括：至少两个孔元件（1、2），所述至少两个孔元件（1、2）彼此相距预定距离。

8、（D），从而形成权利要求书CN 102906315 A2/2页3间隙（3），且所述至少两个孔元件（1、2）适合于被加热，以通过表面张力使包含半导体材料的熔融合金（4）保持在所述孔元件（1、2）之间的所述间隙（3）中；用于在所述熔融合金（4）附近供应包含所述半导体材料的气态前体介质（5）的装置（15）；以及用于在所述熔融合金（2）附近保持和移动成核晶体（6）的定位装置（16）。19.根据权利要求18的设备（10、20），其中，所述两个孔元件（1、2）具有v状或槽状的部分（1A、2A）。20.根据权利要求18或19的设备（10、20），其中，所述两个孔元件（1、2）具有碳涂层或包含金属氧化。

9、物的涂层。21.根据权利要求18-20中任一项的设备（10、20），其中，所述预定距离（D）小于200微米。22.根据权利要求18-21中任一项的设备（10、20），其中，所述设备（10、20）适合于执行根据权利要求1-15中任一项的方法。权利要求书CN 102906315 A1/6页4制造单晶片技术领域0001 本公开涉及用于制造单晶片（mono-crystalline sheet）的方法和设备，具体而言涉及单晶硅片。此外，提供用于制造太阳能电池和天阳能电池装置的方法。背景技术0002 多数诸如集成电路或微芯片的半导体器件是基于硅的。此外，硅可以应用于光伏应用并形成所使用的大多数太阳。

10、能电池的基础。为了用于太阳能电池应用，广泛使用薄硅衬底。0003 公知基于硅的太阳能电池的效率取决于用作衬底的硅的结晶性。例如，应用非晶形硅的太阳能电池呈现低于10%的效率。使用多晶硅的较高效太阳能电池可达到约15%的效率。通常根据每入射太阳能由太阳能电池产生的电力来测量太阳能电池的效率。可利用单晶硅衬底获得太阳能电池的最高效率。在光伏应用中还使用其他半导体材料，所述半导体材料优选地采用其单晶形式。然而，在商业应用中，主要采用硅衬底。发明内容0004 根据本发明的一个方面的实施例，提供一种用于制造半导体材料的单晶片的方法，所述方法包括以下步骤：0005 提供至少两个孔元件（aperture e。

11、lement），在所述至少两个孔元件之间形成间隙；0006 在所述至少两个孔元件之间的所述间隙中提供包含所述半导体材料的熔融合金；0007 在所述熔融合金附近提供包含所述半导体材料的气态前体（precursor）介质；0008 在所述熔融合金附近提供所述半导体材料的成核晶体（nucleationcrystal）；以及0009 使所述成核晶体与所述熔融合金接触。0010 根据一个实施例，所述方法可以包括将所述半导体材料沉积在所述成核晶体上的步骤。0011 所述半导体材料可以由例如硅、锗、砷化铟、磷化铟、砷化镓、或磷化镓制成。所述前体介质可以包括选自作为蒸气施加的硅（Si）、锗（Ge）、铟（In）。

12、、砷（As）、磷（P）或镓（Ga）的氯化物、氢化物或金属有机化合物。0012 特别地，根据本发明的另一实施例，提供一种用于制造单晶硅片的方法，所述方法包括以下步骤：0013 提供至少两个孔元件，在所述至少两个孔元件之间形成间隙；0014 在所述至少两个孔元件之间的所述间隙中提供包含硅的熔融合金；0015 在所述熔融合金附近提供包含硅的气态前体介质；0016 在所述熔融合金附近提供硅成核晶体；以及说明书CN 102906315 A2/6页50017 使所述硅成核晶体与所述熔融合金接触。0018 通过应用所提出的方法，可以获得单晶半导体片而不需要将半导体材料的单晶块切割为薄片。此外，由于单晶硅。

13、片沿着成核晶体生长，因此该片可以具有矩形的形状。如果用作太阳能电池的衬底，这种几何形状会是特别合适的。0019 在一个方法实施例中，包括将所述孔元件和所述熔融合金定位为使得所述熔融合金通过表面张力而保持在所述孔元件之间的步骤。0020 所述方法还可以包括加热所述孔元件的步骤。0021 在一个实施例中，执行从所述熔融合金逐渐收回（retract）所述成核晶体的步骤。0022 例如，通过使用包含硅的气态前体介质，该前体介质或前体气体中的硅可以进入熔融合金，从而导致过饱和。然后，单晶硅可以在接触熔融合金区域的成核晶体的边缘上生长。因此，在特定方法实施例中，硅可以从包含硅的气态前体介质释放到熔融合金中。

14、，从而使得该熔融合金中的硅过饱和。硅在此可以代表前体介质中所包含的任何半导体材料或成核晶体以及要制造的单晶薄片的半导体材料。0023 根据另一实施例，所述方法在可以包含惰性气体的保护气氛中执行。也可在处理期间使用真空室。0024 根据本发明一个方面的实施例，提供一种用于制造单晶片的设备。所述设备可以包括至少两个孔元件，所述至少两个孔元件彼此相距预定距离，从而形成间隙，且所述两个孔元件适合于被加热，以通过表面张力使包含半导体材料的熔融合金保持在所述孔元件之间的所述间隙中。所述设备可以包括用于在所述熔融合金附近供应（deliver）或制造包含所述半导体材料的气态前体介质的装置，以及用于在所述熔融合。

15、金附近保持和移动成核晶体的定位装置。0025 所述半导体材料可以是例如硅、锗、砷化铟或砷化镓。所述前体介质可以包括作为气相材料施加的选自硅、锗、铟或镓等的氯化物、氢化物或金属有机化合物。0026 特别地，根据本发明的一个实施例，提供一种用于制造单晶硅片的设备。所述设备：包括至少两个孔元件，所述至少两个孔元件彼此相距预定距离，从而形成间隙，且所述两个孔元件适合于被加热，以通过表面张力使包含硅的熔融合金保持在所述孔元件之间的所述间隙中；用于在所述熔融合金附近供应或制造包含硅的气态前体介质的装置；以及用于在所述熔融合金附近保持和移动成核晶体的定位装置。0027 在本发明各方面的实施例中，所述熔融合金。

16、可以是低共熔材料（eutectic material），例如，其包含诸如金或铝的至少一种金属和所述半导体材料。0028 所述气态前体介质可以包括至少选自硅、锗、铟、砷、磷、氮或镓的氯化物、氢化物或金属有机化合物中的至少一者。0029 对于硅，所述孔元件优选地被加热到300至850之间的温度。优选地，所述方法或处理步骤在350至500之间的温度范围内执行。0030 在本发明各方面的实施例中，所述至少两个孔元件之间的所述间隙可以是细长狭缝。0031 所述两个孔元件可以具有为v状或槽状的部分。于是，两个相对排列的部分之间可以在其间产生间隙。0032 所述孔元件可以还具有氧化硅（SiO2）涂层或碳涂层。

17、。所述涂层可以特别地为包含说明书CN 102906315 A3/6页6金属氧化物的介电涂层。0033 根据本发明的一个实施例，所述孔元件可以由硅形成。0034 在一个实施例中，所述孔元件之间的所述预定距离优选地小于200m。0035 在所述方法的变体中，执行提供包含选自硅（Si）、磷（P）、硼（B）、硫（S）、砷（As）中的至少一者的掺杂气体以及适合于本领域公知的靶向半导体（targeted semiconductor）的其他掺杂元素的步骤。0036 在所述方法或设备的又一实施例中，执行提供蚀刻气体作为用于所述孔元件的清洁剂的步骤，所述蚀刻气体包括选自氯（Cl）、氟（F）、溴（Br）或包含。

18、氯（Cl）、氟（F）、溴（Br）的分子中的至少一者。此外，所述提供蚀刻气体的步骤可用于平滑化或钝化所产生的半导体的表面。0037 从几何上看，所述包含硅的气态前体介质可以被提供在所述孔元件的相对于所述熔融合金的第一侧上，所述硅成核晶体可以被提供在所述孔元件的相对于所述熔融合金的第二侧上。例如，所述前体气体或气态前体介质可以被设置在水平排列的孔元件的上方，所述成核晶体可以被设置在所述孔元件的下方。0038 根据另一实施例，在使硅成核晶体与所述熔融合金接触之前，执行沿生长方向切割所述硅成核晶体的步骤。这样可以便于精确的生长而在单晶硅片中没有任何缺陷。0039 生长出的例如具有矩形形状的单晶硅片可以。

19、缠绕在卷上以进行进一步处理。0040 例如，可以通过掩蔽、掺杂或金属化步骤、表面结构化，或者被设置在透明支撑层上和被设置有电接触而对所述硅片进行进一步处理。0041 根据本发明另一方面的实施例，提供一种太阳能电池装置，所述太阳能电池装置包括通过所公开的用于制造单晶片的方法制造的单晶片，所述单晶片被掺杂而具有p-n结特征。0042 所述太阳能电池装置可以基于通过上述方式制造的薄的单晶硅片或其他半导体材料。0043 所述硅片可以在没有衬底或不从衬底去除或切削硅层的情况下生长或制造。相反地，所述片或箔可以直接生长和制造，而没有中间层或衬底。0044 根据另一方面的一个实施例，提出一种显示器，所述显示。

20、器包括通过所公开的用于制造单晶片的方法制造的单晶片，所述单晶片被掺杂而具有p-n结特征。0045 特别地，晶体硅片可用于显示器，特别地用于由晶体硅晶体管驱动的大型显示器。特别地，可以使用性能较低的非晶Si晶体管，例如，用于有机发光显示器。0046 所述设备和方法的特定实施例或方面可以包括上面或下面关于示例性实施例描述的单独或组合的特征、方法步骤或方面。附图说明0047 在以下示例性实施例中，参考附图描述用于制造单晶片的方法和设备以及太阳能电池装置。0048 图1示出用于制造单晶硅片的方法实施例的方框流程图；0049 图2-7示出实施用于制造单晶硅片的方法实施例的方法步骤和设备装置的示例；说明。

21、书CN 102906315 A4/6页70050 图8示出用于制造单晶硅片的设备实施例的示意图；0051 图9示出单晶硅片的示意图；以及0052 图10示出基于单晶硅片的太阳能电池的实施例的示意图。0053 如果没有另外指出，则附图中相似或功能上相似的要素被分配有相同的参考标号。具体实施方式0054 本文中使用的“使接触”可以指碰触、形成接触或挨得很近（immediateproximity）的动作，特别地是指在成核晶体与熔融合金之间碰触、形成接触或挨得很近的动作。“使接触”包括元件朝向彼此的相对运动以接触。0055 本文中使用的“熔融”可以指熔化的物质，其中熔化是将固态物质加热到使其变为液体。

22、的熔点的处理。因此，熔融合金可暗示选择并施加用于产生合金液相的适当温度。0056 “合金”可以指两种或更多种元素的均匀混合物，其中至少一种元素为金属。例如，根据用于制造单晶硅片的方法或设备的一个方面，可以采用金硅合金。0057 术语“低共熔”意味着包含材料组合的合金在低于其中任一组分的熔化温度的温度下熔化。金硅低共熔合金可在比其任一组分低约700的温度下，即，在约360下熔化。0058 本文中使用的“间隙”还可以称为孔、缝、沟槽或通路。所述间隙可以是两个孔元件之间的间隔，其中所述孔的宽度小于所述孔的长度。优选地，长度与宽度的比率至少为2，其中所述宽度对应于所述孔元件之间的距离。所述间隙可以实现。

23、为狭缝。0059 术语“单晶硅片”对应于没有支撑衬底的单晶硅。所述片还可以称为硅膜、层、薄膜或箔。0060 术语“单晶”可以指其中整个片的晶格连续且直到该片的边缘无破损（unbroken）的固体材料。所制成的单晶片与非晶材料形成对照，在非晶材料中，材料原子的位置没有长程有序性。典型地，非晶相是通过在衬底上沉积材料层而产生的。单晶材料可具有优于由许多大小和取向不同的微晶或颗粒构成的多晶材料。依据每太阳能单位所产电力，基于非晶硅衬底（aSi）的太阳能电池可呈现小于10%的效率，基于多晶硅（mc-或poly-Si）的太阳能电池呈现约15%的效率，而采用单晶硅（c-Si）的太阳能电池可达到22%的效率。

24、。0061 现在参考示出用于制造单晶硅片的方法的一个实施例的方框流程图的图1并参考示例出可能的方法步骤的图2-7，解释这样的用于制造硅片的方法的特定方面。特别地，图2-7还示意性地示出了适合于执行用于制造单晶硅片的方法的装置或设备的特征和元件。0062 如图1所示，在第一方法步骤S1中，提供如图2A和图2B所示的两个孔元件。孔元件1、2中的每一个可以包括具有槽状或v状形状的部分1A、2A。两个槽状部分1A和2A彼此相对布置，以便在两个孔元件1、2之间出现间隙3。图2A示出截面图，其中在图2A的朝向中，顶侧T和底侧B由两个水平布置的孔元件1、2定义。0063 图2B示出两个孔元件1、2的俯视图。。

25、这两个孔元件以预定距离D布置。从图2B中的俯视图可以看出，间隙3具有长度为L的细长的狭缝的形状。优选地，长度L显著大于距离D。例如，孔或间隙宽度D可以由小于200m的距离D限定。然而，在特定实施例中，狭缝或间隙3的长度可以是10cm或更长。狭缝或间隙3可以为直的，即，两个槽状孔部分说明书CN 102906315 A5/6页81A、2A以平行方式布置。所述孔元件优选地由硅微加工而成，并且可以通过二氧化硅或碳进行涂覆。然而，可以构想诸如保护盖的其他材料。0064 在下一步骤S2中，将包含硅的熔融合金置于两个孔元件1、2之间的间隙3的空间内。图3A和3B示出例如沿孔或间隙的长度装入所述间隙的熔融。

26、合金4。例如包括金硅（Au-Si）合金的合金为低共熔合金，其具有约360的温度。这被示例为布点区域4。0065 在下一处理步骤S3中，将处于其气相的前体介质引到熔融合金4的附近。这在图4中示出。所述前体介质或前体气体被示出为示意性的云5。例如，供气设备将氯化硅SiCl4或硅烷SiH4或由硅形成的另一金属有机化合物供应给熔融合金4。包含硅的前体将硅释放到金硅合金中，如箭头A所示。过一会儿，合金4变为过饱和的。0066 根据所使用的前体材料和合金材料选择孔和前体气体的温度。所述温度可以被设置在350和850之间。然而，如果使用氯化硅，则可以采用更高的温度。0067 接下来，如图5所示，在步骤S4中。

27、，将用作成核晶体6的单晶硅晶体从下面引到过饱和的熔融合金4的附近。图5示例出成核晶体6，所述成核晶体优选地沿生长方向被切割并且被定位为使其端部7靠近具有过饱和硅的熔融合金。0068 图6示出其间形成了细长狭缝或间隙的两个细长孔元件的透视图，熔融合金4位于所述细长狭缝或间隙中。该熔融合金4可以仅通过表面张力而保持在两个孔元件1、2之间。由硅制成的成核晶体6被设置在第一孔元件1、间隙中的熔融合金4以及第二孔元件2的水平布置的下方。图6所示的布置对应于用于制造单晶硅片的设备或装置的一个实施例。0069 如图7所示，当使成核晶体与过饱和的熔融合金接触（步骤S4）时，单晶硅片逐渐形成（evolve）。当。

28、例如包含金和硅的低共熔混合物的熔融合金受到前体气体5的影响而连续地保持过饱和时，硅8在紧邻熔融合金4的成核晶体6的端部7处结晶。人们可以不断收回带有正生长的单晶片8的成核晶体6，如图7中的箭头M所示。成核晶体从合金4的收回速度适应于单晶片8的生长速率。在制造过程期间，过饱和的合金不断地使硅溶化到成核晶体上。可以控制速度以保证孔元件1、2之间的熔融合金材料4的恒定形状或截面形状。收回步骤S5可以通过诸如微处理器的控制设备或者控制用于制造单晶硅层的整个设备的适当编程的计算机进行控制。0070 根据本发明的优选实施例，所生长的单晶硅片的生长速率或收回速度可以在0.1mm-3mm/分钟之间变化。然而，。

29、也可以实现更高的生长速率。0071 图8示出用于制造单晶硅片并从而实现上述方法的另一实施例的另一设备实施例。图8示出具有两个孔元件的制造设备20，所述两个孔元件在其间形成间隙，所述孔元件适合于被加热以通过表面张力将熔融合金4保持在所述孔元件之间。前体气体供应设备15（也称为用于供应气态前体介质的装置）提供包含硅的前体介质5。通过适当地改变所述熔融合金（例如金和硅）以及前体介质5的温度，合金4中的硅变得过饱和。这由箭头A指示。0072 此外，定位或牵引装置（pulling device）16（也称为定位装置）保持成核晶体6并逐渐从熔融合金4收回生长区8中不断生长的单晶片。例如，所生长的单晶硅片1。

30、1可被缠绕在卷9上以进行进一步处理。0073 用于制造或生产单晶硅薄片的设备20的实施例还包括产生到前体气体供应装置15、被加热的孔元件1、2和定位装置16的适当控制信号CT的控制装置17。整个布置20可说明书CN 102906315 A6/6页9以使用诸如氩气的惰性气体而被包覆在保护气氛中。0074 还可以构想将掺杂气体添加到工艺中，以在半导体片生长期间掺杂半导体片。例如，硅、磷、硼或碳可以用作掺杂材料。可以进一步构想添加蚀刻气体作为用于所述孔元件的清洁剂。适当的蚀刻气体可以包括含有氯、氟或溴的分子。如上所述，孔元件1、2可以由硅制成并被氧化物层或碳涂覆。0075 由于平行孔元件的几何实。

31、施方式，从而实现细长狭缝或间隙，因此获得可被卷起以进行进一步处理的矩形形状的硅片。图9示出了由所提出的方法或设备制造的这种单晶硅片的示意性示例。0076 硅的单晶片材料可用于实现太阳能电池。特别地，单晶材料可允许光伏应用中的较高性能或效率。由于可以直接制造薄片，因此不会出现由传统上必需的锯切或切割所引起的小废料。这可以降低材料和工艺成本。整个工艺可以在相对低的温度下发生。这可以提供能量有效的制造方法。0077 图10示出了包括例如根据关于图1-7描述的方法制造的薄单晶硅片的太阳能电池的示例性实施例。所述硅片被掺杂以跨过其厚度提供p-n结。太阳能电池12包括掺杂的硅片11，其中电接触13位于顶面。

32、上，其他接触14位于底面上。这种太阳能电池可以用于包括多个这种用于发电的太阳能电池的太阳能板或光伏模块中。0078 尽管关于单晶硅片制造实施例解释了所提出的方法和设备，但还可以制造其他单晶半导体片。例如，替代金硅合金，可以使用包括锗、铟或镓的金属合金作为合金。然后，替代基于硅的前体介质，采用包含锗、铟或镓的适当前体气体。0079 为了实现备选太阳能电池装置，可以将硅箔置于透明支持物或衬底上并为其提供布线。此外，对于光伏应用，单晶硅薄膜可以用于其他所有采用半导体衬底的电子设备，例如传感器、纳米技术系统、显示器等等。说明书CN 102906315 A1/6页10图1图2A说明书附图CN 102906315 A10。

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