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半导体片和制造其的方法
技术领域
本发明总的来说涉及半导体片(semiconductor sheet)，并且更加具体地涉及半导体片和制造其的方法。
背景技术
已知切割半导体材料的片为预定尺寸的晶圆。用半导体材料构成的晶圆用于多种应用，并且就此存在对这样的晶圆不断增长的需求。例如，至少一些已知的太阳能-电力(solar-electric)系统使用典型地用硅(单晶或多晶)制造的半导体衬底。太阳能-电力系统在过去十年间急剧地增长，并且就此对半导体晶圆的需求在过去十年间也增长了。尽管表达“太阳能-电力”在此使用，本领域内技术人员将认识到本论述适用于多种光生伏打材料、系统和现象。
各种各样的制造方法用于从硅原料制造半导体晶圆。例如，至少一些已知的在太阳能电池中使用的多晶硅晶圆通过在惰性气氛中熔炼向其添加或已经添加例如磷、硼、镓和/或锑等的掺杂物的高纯材料而制造。对得到的硅熔融物沉积并且冷却以形成多晶晶锭。接着晶锭切成期望的晶圆尺寸。在另一个制造方法中，晶粒形硅层施加于带或定位器上。硅随着带或定位器接着经受热序列以形成硅晶圆或硅片。该硅晶圆和/或硅片接着从带或定位器上移除，然后通过锯切(sawing)或划线(scribing)形成尺寸。
这样的半导体晶圆的成本的重要部分是半导体原料自身。例如，在太阳能-电力系统的情况中，这样的系统的使用的限制性因素是这样的系统需要的半导体晶圆中的半导体材料的成本(具体地，硅的成本)。对于在生产半导体晶圆中使用，可获得硅原料的不同纯度。硅原料的纯度由在硅原料中存在的杂质(例如硼、磷、铁、钛和钨等)水平决定。半导体晶圆的一些应用，例如高功率电子器件，需要比其他应用例如太阳能-电力系统更高等级的硅原料纯度。因为硅原料的成本随硅原料的纯度增加而增加，太阳能-电力器件的使用可被硅的成本限制。
发明内容
在一个实施例中，说明制造半导体材料片的方法。该方法包括形成具有下表面和相对的上表面的第一硅粉层。该方法还包括在第一层的上表面上沉积第二硅粉层，其中第二硅粉层具有下表面和相对的上表面并且具有比第一硅粉层低的熔点。该方法还包括加热至少第一和第二硅粉层中之一以使第一和第二硅粉层中之一的可控式熔化开始，并且冷却至少第一和第二硅粉层中之一以使至少第一和第二硅粉层中之一的结晶化开始。
在另一个实施例中，说明制造半导体晶圆的方法。该方法包括形成具有下表面和相对的上表面的第一硅粉层。该方法还包括在第一层的上表面上沉积第二硅粉层，其中第二硅粉层具有下表面和相对的上表面并且具有比第一硅粉层低的熔点。该方法还包括加热至少第一和第二硅粉层中之一以使第一和第二硅粉层中之一的可控式熔化开始，并且冷却至少第一和第二硅粉层中之一以使至少第一和第二硅粉层中之一的结晶化开始以形成硅片。该方法还包括切割硅片以形成至少一个半导体晶圆，其中至少一个半导体晶圆形成尺寸以便于在预定的应用中使用。
在另一个实施例中，说明具有下表面和相对的上表面的半导体材料片。该半导体材料片在下表面具有比所述片的任何其他部分高的金属杂质浓度。该半导体材料片通过工艺制造，该工艺包括：形成具有下表面和相对的上表面的第一硅原料层；在第一层的上表面上沉积第二硅原料层，其中第二硅原料层包括硅粉和金属杂质并且具有比第一硅原料层低的熔点；加热至少第一和第二硅原料层中之一以使至少第一和第二硅原料层中之一的可控式熔化开始；并且冷却至少第一和第二硅原料层中之一以使至少第一和第二硅原料层中之一的结晶化开始。加热和冷却便于金属杂质朝第一硅原料层的下表面偏析(segregation)。
附图说明
图1是可用于制造半导体片的示范性装置的示意图；
图2-6是在使用图1中示出的装置的制造的后续阶段期间的硅片的横截面图。
部件列表

  10  制造装置  12  上气氛区域  14  下气氛区域  16  表面  18  第一层  20  第二层  22  给料斗  24  第二给料斗  26  内部  28  硅片  30  第一层  32  第二层  34  第一粉末  36  底表面  38  第一层上表面  42  第二粉末
  44  底表面  46  上表面  50  热能  54  厚度  56  第一结晶层
具体实施方式
目前，硅是最常使用的半导体材料之一，也是在半导体晶圆的制造中使用的原料。因此，如这里使用的，术语“半导体”和“半导体材料”是指基于硅的元件和硅材料。然而，如本领域内普通技术人员容易意识到的，除硅材料之外的和/或包括非硅材料的其他半导体材料可以使用这里说明的装置和方法制造。同样，尽管对于在制造硅片中的使用这里只说明了硅粉原料的使用。或者，可使用结晶硅原料而没有偏离本发明。
图1是可用于制造硅片(没有在图1中示出)的示范性装置10的示意图。在该示范性实施例中，制造装置10是包括多个区域的可控式气氛熔炉，例如，上气氛区域12和下气氛区域14。区域12和14在如在下文中更加详细说明的不同温度条件下运作。制造装置10还包括表面16，其在上气氛区域12和下气氛区域14之间延伸。表面16可是便于如这里说明的硅片的制造的平板、传送带、定位器(setter)、和/或任何其他部件。
在示范性实施例中，使用者在制造装置10内放置至少一层硅粉，例如第一层18和/或第二层20。在备选实施例中，其中表面16是传送带，传送带经过给料斗22的下方，该给料斗沉积期望量的硅粉与任何期望的添加物一起到传送带上以产生第一硅粉层18。第二给料斗24可用于发放附加的硅粉到传送带上以产生第二硅粉层20。
在示范性实施例中，上气氛区域12和下气氛区域14各包括热源(在图1中没有示出)。每个热源向各相应的气氛区域12和14提供热能。可使用任何热源，其使制造装置10能够起如这里说明的作用。在示范性实施例中，上气氛区域12和下气氛区域14各自还包括排热器(在图1中没有示出)。排热器便于从放置在区域12和14内的物体上去除热能。可包括任何排热器，其使制造装置10能够起如这里说明的作用。
优选地在制造装置10的内部26维持惰性气氛。具体地，如这里定义的，内部26包括上气氛区域12和下气氛区域14。在示范性实施例中，制造装置10的内部26是充分地密封的以便于防止惰性材料从制造装置10中漏出并且防止污染物进入。
硅层18和12接着经受热处理。例如，上气氛区域12和下气氛区域14可以独立地控制。这样，每个硅层18和/或20可以经受独立的热处理使得可以施行在下文中详细说明的任何期望的热分布(thermal profile)。
在示范性实施例中，下文说明的方法在制造装置10内实施以从硅原料制造硅片。两个气氛区域12和14便于对施加在硅层18和/或20的热能进行很好的控制。在下文说明的某些阶段，向硅层20的上表面施加比硅层18的下表面更多的热能是有利的。在下文说明的其他阶段，当向硅层18的下表面施加热能时从硅层20的上表面抽出热能是有利的。制造装置10，并且更加具体地，两个气氛区域12和14结合表面16便于对向硅层18和/或20施加和移除热能的控制。
图2-6是当制造硅片28(在图6中示出)时半导体材料例如硅原料在制造的后续阶段的横截面图。更加具体地，图2是不同的硅粉的多个层的示范性横截面图，例如第一层30和第二层32。在示范性实施例中，第一硅粉34的第一层30在表面16(在图1中示出)上沉积。一旦沉积，第一层30包括底表面36和上表面38。第二硅粉42的第二层32接着在第一层上表面38上沉积。一旦沉积，第二层32包括底表面44和上表面46。
在示范性实施例中，第一硅粉34和第二硅粉42是不同的。例如，改变第一粉末34和/或第二粉末42任一的熔点，使得每个粉末34和42的熔点是不同的。更加具体地，在示范性实施例中，第二粉末42的熔点通过杂质(图2中没有示出)的添加而改变，例如，但不限于，金属材料。第二粉末42的熔点随着在第二粉末42中铁和/或铜的添加而下降。第二层32的与第一层相比的下降的熔点便于改进对第一和第二层30和32的熔化和再结晶的控制。尽管制造装置10便于可控式的应用和热能的移除，第一粉末34和第二粉末42的不同熔点减小了实施这里说明的方法所需要的温度准确度等级。
具体地，在示范性实施例中，第二层32熔成液态并且在第一层30液化之前再结晶。也就是说，不同的熔点使制造者能够优先熔化并且固化多层硅粉中的一层即层32。在一个备选实施例中，层30和32中之一的熔点通过氧化硅粉改变。在另一个备选实施例中，层30和/或32中之一的熔点使用任何其他使片28(在图6中示出)能够如这里说明地制造的改变方法改变。
图3是第一层30和第二层32在制造的后续阶段中的横截面图在其中施加热能50。在示范性实施例中，第一和第二层30和32在制造装置10(在图1中示出)内加热和/或冷却直到第二粉末42熔化成液体。具体地，在示范性实施例中，施加比施加到第一层30的底表面36的更大量的热能50到第二层32的上表面46。第二粉末42的降低的熔点和施加到上表面46增加量的热能的组合，引起第二粉末42在第一粉末34之前熔化。液化的第二粉末42至少部分渗入第一层30。另外，一旦第二粉末42液化，添加到第二粉末42的杂质朝底表面44和上表面38偏析。
图4是第一层30和第二层32在制造的后续阶段中的横截面图在其中热能50施加到底表面36并且从上表面46移除。具体地，在制造的这个阶段，热能50向上表面46的施加中断，并且施加到底表面36的热能50的量增加。随着热能50从上表面46排出，第二粉末42再结晶。再结晶的第二粉末42基本上没有杂质，因为杂质朝底表面44和上表面38偏析。
因为施加到底表面36的热能50增加，第一粉末34开始熔化。因为第一粉末34熔化，液化硅粉42与第一粉末34混合。已经渗入第一粉末34的上表面38的富杂质的液化硅粉42帮助硅粉34的熔化。
图5是第一层30和第二层32在制造的后续阶段中的横截面图在其中结晶继续。具体地，在制造的这个阶段，热能50继续从上表面46排出，同时热能50继续施加到底表面36。第一粉末34在温度提高到它的熔点后熔化成液体。熔化第一粉末34成为液体使之前在第二粉末42中存在的杂质能够朝底面36偏析。继续从上表面46排出热能50引起结晶从上表面46朝底面36发生。
图6是硅片28在制造的后续阶段中的横截面图。具体地在制造的这个阶段，对底表面36热能的施加中断并且从底表面36排出热能开始。结晶从上表面46朝底表面36继续，并且杂质继续朝底表面36偏析，在硅片28的底表面36留下高杂质含量。在一个示例实施例中，底表面36具有多达20％和/或至少百万分之(ppm)100的杂质浓度。偏析到底表面36的杂质对由使用上述说明的方法制造的硅晶圆制成的太阳能电池的性能提供极少的或基本上没有不利影响，只要第一结晶层56的厚度54与第一结晶层56的少数载流子扩散长度相比足够大。在基本上与上文说明的杂质如何朝底表面36偏析的说明类似的方法中，在第一粉末34和第二粉末42中存在的其他杂质，例如但不限于硼、磷、钛和钨等，当第一粉末34和第二粉末42熔化并且如上文说明的再结晶时也朝底表面36偏析。
上文说明的工艺和装置通过在可控式气氛熔炉中熔化沉积的硅层使硅片能够从多层硅粉(被改变以具有稍微不同的熔点)制造。多层硅粉的不同的熔点便于对局部熔化的和一硅层在不同的硅层熔化之前的熔化与部分再结晶的增强控制。更加具体地，在示范性实施例中，具有较低熔点的硅粉层在具有较高熔点的硅粉层上铺开。当热能从这些层的上面施加到硅粉层时，上层首先熔化，部分渗入底层，并且当热从层的上面排出时接着从顶部再结晶。
当上层熔化时，在该层中的杂质朝晶圆的底部偏析并且上硅层从顶部结晶，留下上硅层基本上没有杂质。热能然后从层的下面向层施加。下硅层，包括它自身的杂质和那些从上层偏析的杂质，熔化成液体，其使杂质能够朝晶圆的底部偏析。因为热能从这些层的上面移除，结晶从顶部向底部继续，将杂质进一步朝晶圆的底部偏析。
通过在不同的制造阶段熔化硅粉层，减少了由硅的高表面张力提出的限制，使得可从粉末层制造更薄的晶圆，其用别的方法也许是不可能的。在示范性实施例中，硅粉层最初从上面加热，接着排热并且从下面加热。来自表面张力的影响通过在整个工艺中始终保持硅片的部分为固体而避免。同样，用于改变上硅层的熔点的杂质的存在帮助其他不需要的例如但不限于钛、钨和铬等杂质的偏析。这是非常有益的，因为带有硼和磷含量的硅原料当与基本上纯的硅比较时更加容易获得并且在成本上更低。
上文说明的方法和装置提供合算的和可靠的方法以便于薄硅片从低成本粉末硅原料的生产。杂质的添加降低了一硅原料层的熔点。具有各具有不同熔点的多个硅层允许一硅层在其他硅层熔化之前熔化和部分再结晶。通过控制热能的施加和移除，添加的杂质与任何其他在硅原料中存在的杂质朝硅片的底部偏析其中杂质对由生产的硅片制成的太阳能电池的性能基本上没有不利的影响。此外，由于杂质朝硅片的底部偏析，留下的硅片的顶部基本上没有杂质。因此，基本上纯的硅片以合算的方式制造。
在上文中详细说明了用于使用两个化学上不同的在熔化之前散布的粉末层形成硅片的工艺和装置的示范性实施例。工艺和装置不限于在这里说明的具体的实施例，相反地，工艺的步骤和装置的元件可从这里说明的其他步骤和元件独立地和分别地使用。
尽管本发明根据各种不同的具体的实施例说明，本领域内技术人员将认识到本发明可以带有在权利要求的精神和范围内的改动实施。