本發(fā)明通常涉及用于制造晶片的方法和設(shè)備。更具體的，本發(fā)明涉及方法和設(shè)備，用于剝落錠外表面來更有效的由其生產(chǎn)太陽能級光伏晶片等。

常規(guī)上，晶片材料例如單晶硅通過首先生產(chǎn)單個(gè)結(jié)晶圓柱形的硅錠，來加工成太陽能級光伏(“PV”)晶片。該錠是通過在惰性室,例如由石英制成的,中熔融高純度的半導(dǎo)體級晶片材料來生產(chǎn)。摻雜劑雜質(zhì)原子例如硼，磷，砷或者銻可以以精確量加入熔融的晶片材料中(例如10¹³或者10¹⁶原子/cm³的量級)來將所述材料限定為散裝n型(負(fù)型)或者p型(正型)半導(dǎo)體，其賦予該晶片材料以期望的電性能。然后，將棒裝配的晶種浸入該熔融的晶片材料中，并且緩慢上拉和同時(shí)旋轉(zhuǎn)來抽出優(yōu)選的單個(gè)晶體圓柱形錠。控制溫度梯度、抽出速率和轉(zhuǎn)速來促進(jìn)產(chǎn)生具有僅僅痕量的不想要的不穩(wěn)定物的單個(gè)錠。該方法通常是在惰性氣氛例如氬氣中進(jìn)行的。

單個(gè)晶片基本上是通過從這個(gè)較大的錠上切片半導(dǎo)體材料的薄層來產(chǎn)生。晶片可以是正方形、矩形或者圓形的，并且經(jīng)常用于制作集成電路和其他微電子或者電子裝置，例如太陽能面板。在一個(gè)例子中，圓形晶片是通過金剛石包覆的大約20微米直徑的金屬絲從該圓柱形錠的端部切片下來的。這種生產(chǎn)方法的問題是該金剛石金屬絲將一部分的錠刮成厚度等于金剛石包覆金屬絲的直徑的粉末。因此，對于所產(chǎn)生的每個(gè)圓形晶片，至少20微米的晶片材料是作為粉末殘留物而廢棄的。

但是，這些圓形晶片對于用于太陽能面板來說不是優(yōu)選的，因?yàn)檎叫位蛘呔匦尉玫氖沟闷芈队谌展饽芰康谋砻娣e最大化。為了制造正方形或者矩形晶片，該原料圓柱形錠代之以首先正方形加工成大約1.5米長的矩形盒形狀。這種正方形加工方法使用了類似的常規(guī)20微米直徑金剛石包覆的金屬絲。類似于上述，在該金剛石金屬絲切割穿過所述錠的部分來形成矩形塊時(shí)，所述錠的外部部分作為粉末失去。此外，這種正方形加工方法需要將貴重的和昂貴的晶片材料的相當(dāng)大的塊切掉和將圓柱形錠加工成正方形。從這里，單個(gè)正方形或者稍微矩形的晶片是從矩形半導(dǎo)體塊上切片，如上面涉及圓形晶片所述。雖然幾百個(gè)厚度160-200微米的相對正方形或者矩形晶片可以從這個(gè)矩形半導(dǎo)體塊上切片下來，但是每個(gè)晶片切廢了一定量的晶片材料，其等于金剛石金屬絲切割該半導(dǎo)體塊的寬度。用金剛石包覆的金屬絲切割晶片的另一缺點(diǎn)是所述鋸會引起需要修理的晶片的表面損壞。

最近，已經(jīng)開發(fā)了更新的技術(shù)來由現(xiàn)有的硅錠或者矩形硅塊的晶片切割件來產(chǎn)生另外的更薄的晶片，如上所述。例如Glavish等人的美國專利No.7939812，Smick等人的7982197，Glavish等人的7989784和Ryding等人的8044374(每個(gè)參考文獻(xiàn)的內(nèi)容在此以它們?nèi)恳胱鳛閰⒖?公開了一種氫離子注入機(jī)，其用于剝落硅晶片來生產(chǎn)更薄的結(jié)晶半導(dǎo)體材料的層合物。在這方面，該離子注入機(jī)穿入硅晶片表面到某個(gè)深度。這種穿透的硅層然后可以從硅晶片向后剝離掉(即，剝落的)-使用初始硅晶片作為工件來有效產(chǎn)生更薄硅晶片。使用這種剝落方法，160-200微米量級的硅晶片工件可以用于產(chǎn)生厚度大約20微米的8-10個(gè)新硅晶片，并且在該方法過程中幾乎沒有浪費(fèi)硅材料。進(jìn)一步的就此而言，美國專利No.8058626和8089050(都屬于Purser等人，其內(nèi)容都在此引入作為參考)公開了實(shí)施方案，用于產(chǎn)生改變的肋條形離子束(其具有垂直于前述方法所用的束方向的延長的橫截面)，來將離子注入基底表面中。

目前的剝落方法(例如上述那些)需要兩個(gè)步驟來產(chǎn)生剝落的晶片材料片。更具體的，單個(gè)晶片是在一個(gè)加工步驟中從錠上剝落的，然后所剝落的層或者晶片是在第二方法步驟中從該錠上除去的。這個(gè)兩步常規(guī)方法由于它的多步屬性而是昂貴的和耗時(shí)的。此外，這種常規(guī)方法生產(chǎn)了非常多的數(shù)目的單個(gè)剝落的晶片材料片，其在處置和沖壓成單個(gè)晶片中是相當(dāng)昂貴的。

典型的，作為使用坩堝的結(jié)果，常規(guī)太陽能電池是由通過Czochralski方法所生產(chǎn)的硅來制造的，其可以產(chǎn)生不希望的高氧含量(例如10¹⁸氧原子/立方厘米)。硅晶片中的雜質(zhì)例如氧降低了太陽能電池的電壓和電流能力。同樣，較低的氧含量硅例如浮區(qū)硅(“FZ硅”)是更令人期望的，因?yàn)镕Z硅生產(chǎn)了更有效的太陽能電池。FZ硅是在所謂的垂直區(qū)熔融的方法中制造的，其中將超純電子級硅的多晶棒送過RF加熱線圈來產(chǎn)生局部熔融區(qū)。在該棒的一端處使用晶種來開始晶體錠生長。該垂直區(qū)熔融方法是在排氣室或者在惰性氣體凈化中進(jìn)行的。不同于Czochralski方法，該熔融區(qū)在生長過程中將雜質(zhì)例如氧帶離硅錠(例如因?yàn)榇蟛糠蛛s質(zhì)在熔體中的溶解度大于晶體)，由此降低硅錠內(nèi)的雜質(zhì)濃度。同樣，F(xiàn)Z硅與由Czochralski方法所制造的硅相比明顯更純凈。但是，使用FZ硅的問題是它必須切割成厚于期望的晶片尺寸(例如處于300-500微米的厚度量級)，因?yàn)橛操|(zhì)材料性能阻止了已知的方法(例如金剛石金屬絲)將材料切割得更薄。因此，由FZ硅等制成的硅晶片目前是成本制約的，這歸因于材料成本和關(guān)于目前可利用的晶片最小制造厚度的限制。

所以，本領(lǐng)域存在著對于由FZ硅原料錠來更有效的生產(chǎn)正方形和矩形晶片的方法和相關(guān)設(shè)備的重要需求。這樣的方法和相關(guān)設(shè)備可以包括步驟：安裝正方形或者矩形FZ硅錠，穿透所選擇的錠外表面的層，沿著該矩形或者正方形FZ硅錠的一個(gè)或多個(gè)側(cè)面剝落掉這種轟擊的晶片材料層，和將所述材料條傳送到壓機(jī)來切片成單個(gè)晶片，全部都不具有與使用金剛石鋸將所述硅錠切割或切片成單個(gè)晶片相關(guān)的浪費(fèi)。這樣的方法和設(shè)備可以進(jìn)一步能夠同時(shí)從所述錠上剝落和除去單個(gè)連續(xù)晶片材料片。本發(fā)明滿足這些需要和提供進(jìn)一步相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種如此處所公開的制造硅晶片的方法，包括安裝用于剝落的浮區(qū)硅工件；為微波裝置供能來產(chǎn)生足以穿透該浮區(qū)硅工件外表面層的能量束；用該能量束剝落該浮區(qū)硅工件的所述外表面層和從該浮區(qū)硅工件除去所述剝落的外表面層，作為厚度小于100微米，或者更優(yōu)選厚度2-70微米或者4-20微米的硅晶片。在一種實(shí)施方案中，該浮區(qū)硅工件可以是預(yù)切的浮區(qū)硅工件，其厚度是160-600微米和氧含量小于10¹⁶氧原子/立方厘米。

該方法還可以包括步驟：將硅晶片切割成多個(gè)硅晶片和沿著傳送機(jī)移動或者傳送那些多個(gè)硅晶片的每個(gè)，并且離開該浮區(qū)硅工件。在一個(gè)實(shí)施方案中，該硅晶片可以是正方形。在另一實(shí)施方案中，該硅晶片可以是矩形，并且從該矩形浮區(qū)硅工件上剝落。此外，該微波裝置優(yōu)選包括速調(diào)管，用于產(chǎn)生包括離子束或者質(zhì)子束的能量束，并且可以大約跨過該浮區(qū)硅工件的寬度。在一種實(shí)施方案中，該能量束可以相對于該浮區(qū)硅工件移動，并且包括大約5x10¹⁴-5x10¹⁶離子/cm²的注入密度。

在一種可選擇的實(shí)施方案中，該制造硅晶片的方法包括安裝氧含量小于10¹⁶氧原子/立方厘米的浮區(qū)硅工件；為微波裝置供能來產(chǎn)生注入密度大約5x10¹⁴-5x10¹⁶離子/cm²的能量束，用于穿透該浮區(qū)硅工件的外表面層；用所述能量束剝落該浮區(qū)硅工件的外表面層，和作為硅晶片從該浮區(qū)硅工件中除去剝落的外表面層。優(yōu)選該硅晶片的厚度小于100微米，和更具體的厚度是4-20微米。此外，該硅晶片可以切割成多個(gè)硅晶片和沿著傳送機(jī)移動離開所述工件。

此外，浮區(qū)硅工件可以包括厚度160-600微米的預(yù)切的浮區(qū)硅工件，其可以形成厚度2-70微米的正方形硅晶片。在這種實(shí)施方案中，該微波裝置可以包括速調(diào)管，用于產(chǎn)生能量束，其可以包括離子束或質(zhì)子束。該能量束還可以相對于該浮區(qū)硅工件移動或者是與矩形浮區(qū)硅工件大致相同的寬度。

在另一可選擇的方法中，制造多個(gè)硅晶片可以包括步驟：安裝氧含量小于10¹⁶氧原子/立方厘米和厚度160-600微米的預(yù)切的浮區(qū)硅工件；為微波裝置供能來產(chǎn)生足以穿透該浮區(qū)硅工件的外表面層的能量束；用能量束剝落該浮區(qū)硅工件的外表面層，其中該能量束相對于該浮區(qū)硅工件移動，從該浮區(qū)硅工件除去剝落的外表面層，作為包含厚度2-70微米的硅晶片；將該硅晶片切割成多個(gè)硅晶片；和沿著傳送機(jī)移動該多個(gè)硅晶片的每個(gè)。

一種如此處公開的用于由浮區(qū)硅工件制造多個(gè)硅晶片的設(shè)備，其可以包括裝配臺，用于選擇性接收和保持具有剝落表面的浮區(qū)硅工件。微波可以產(chǎn)生能量束，其包含大約5x10¹⁴-5x10¹⁶離子/cm²的注入密度。該微波優(yōu)選相對于裝配臺布置以在剝落表面方向上發(fā)射能量束，其中該微波和浮區(qū)硅工件的相對移動剝落了小于100微米厚度的硅晶片。傳送機(jī)然后將從剝落表面上剝落的該多個(gè)硅晶片的每個(gè)縱向帶離該浮區(qū)硅工件。

在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，該微波包括速調(diào)管或者DC加速器，該能量束包括離子束或質(zhì)子束，并且可以是寬度大約是該剝落表面寬度的延長的束。此外，該浮區(qū)硅工件可以包括矩形形狀和氧含量小于10¹⁶氧原子/立方厘米。優(yōu)選從該浮區(qū)硅工件剝落的硅晶片的厚度是2-70微米。

在另外可選擇的實(shí)施方案中，此處公開的制造晶片的方法包括步驟：以允許繞著旋轉(zhuǎn)縱軸旋轉(zhuǎn)的方式將錠作為工件進(jìn)行安裝，并且將該錠繞著旋轉(zhuǎn)縱軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選該錠為圓柱體形狀，并且通過可安裝到轉(zhuǎn)子的可旋轉(zhuǎn)軸攜帶，其促進(jìn)了該圓柱形錠繞著它的旋轉(zhuǎn)縱軸的旋轉(zhuǎn)。該錠可以由單晶或者多晶硅制成。然后對微波裝置供能，其產(chǎn)生了足以穿透旋轉(zhuǎn)錠外表面層的能量束。因此，該旋轉(zhuǎn)錠的外表面層用能量束剝落。當(dāng)該錠連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，該剝落的外表面層然后可以作為連續(xù)的平面帶從錠工件除去，其可以切割成晶片。與此同時(shí)，該連續(xù)的平面帶可以沿著傳送機(jī)移動，以與旋轉(zhuǎn)錠的角速度大約相同的速度和優(yōu)選基本上同步來傳送。在該事件中，所述錠是漸增旋轉(zhuǎn)的，傳送機(jī)也將該連續(xù)平面帶以類似的漸增移動漸增向前移動。當(dāng)然，該連續(xù)條可以通過壓機(jī)切割或者沖壓成多個(gè)晶片。

此外，該晶片制造方法還可以包括步驟：在穿透點(diǎn)(在這里該能量束轟擊所述錠的外表面層)冷卻所述錠來防止錠材料的化學(xué)性能由于提高的局部溫度的結(jié)果而改變。當(dāng)該能量束在0.15-1.7兆電子伏的能量水平運(yùn)行時(shí)，這樣的冷卻步驟會是特別優(yōu)選的。該微波裝置可以是速調(diào)管，其產(chǎn)生了包括質(zhì)子束或者離子束的能量束。優(yōu)選將該微波裝置校正來最大化Q值。此外，該能量束可以包括多個(gè)能量束，其同時(shí)剝落旋轉(zhuǎn)錠的各自外表面層，來同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)各自的剝落的外表面層，其可以從錠工件上剝離或者除去。在一種實(shí)施方案中，該能量束是大約最終晶片產(chǎn)品的寬度。例如該晶片可以是正方形，并且寬度是160-200mm和外表面層厚度是3-30微米。

在此處公開的另一制造晶片的方法中，以圓柱形的形狀形成并且通過可旋轉(zhuǎn)軸攜帶的錠被安裝到轉(zhuǎn)子上，該轉(zhuǎn)子能夠?qū)⒃搱A柱形錠繞著它的旋轉(zhuǎn)縱軸來旋轉(zhuǎn)。接著，該轉(zhuǎn)子啟動并旋轉(zhuǎn)該圓柱形錠，以使得微波裝置所產(chǎn)生的能量束可以穿透旋轉(zhuǎn)錠的預(yù)定的外表面層。這使得在沿著與旋轉(zhuǎn)錠同步的傳送機(jī)傳送時(shí)，該制造方法將所述外表面層剝落離開圓柱形錠工件，作為連續(xù)的平面帶。該圓柱形錠工件可以在穿透點(diǎn)(在這里該能量束轟擊所述外表面層)冷卻，來防止錠材料的化學(xué)性能由于提高的局部溫度而改變。該材料的連續(xù)帶然后沖壓成多個(gè)晶片，其可用于例如太陽能面板等中。

該微波裝置可以校正來最大化Q值，以使得能量水平為0.15-1.7兆電子伏的能量束有效穿透該旋轉(zhuǎn)圓柱形錠的外表面。在一種實(shí)施方案中，該微波裝置是速調(diào)管，其產(chǎn)生了質(zhì)子或者離子能量束。在另一實(shí)施方案中，該微波裝置使用了電子回旋共振來產(chǎn)生高電流離子。此外，該方法可以包括使用多個(gè)能量束，其同時(shí)剝落旋轉(zhuǎn)錠的各自外表面區(qū)，來更有效的沿著它的整個(gè)垂直高度剝落該錠的外表面。該能量束優(yōu)選大約是晶片產(chǎn)品的寬度，例如160-200mm。該圓柱形錠可以由單晶或者多晶硅制成，并且增量旋轉(zhuǎn)，來剝落大約3-30微米厚度的外表面層。

該用于制造晶片的設(shè)備包括旋轉(zhuǎn)器，其配置來選擇性安裝來接收并將錠工件繞著旋轉(zhuǎn)的縱軸旋轉(zhuǎn)。該錠優(yōu)選是圓柱形，并且可以由單晶或者多晶硅制成。用于產(chǎn)生能量束的微波相對于旋轉(zhuǎn)器布置以使得所發(fā)射的能量束與旋轉(zhuǎn)錠的旋轉(zhuǎn)縱軸對準(zhǔn)。該能量束優(yōu)選是這樣的能量水平，其足以穿透旋轉(zhuǎn)錠的外表面層。緊鄰能量束轟擊所述錠外表面層之處布置的穿透點(diǎn)的水冷卻器或者空氣冷卻器可以在制造過程中控制其中的表面溫度。該設(shè)備還包括與旋轉(zhuǎn)錠同步的傳送機(jī)，將作為連續(xù)的平面帶橫向攜帶剝落的外表面離開該旋轉(zhuǎn)錠。這個(gè)連續(xù)的平面帶然后通過切割機(jī)構(gòu)切割成一個(gè)或多個(gè)晶片。在這方面，這樣的切割機(jī)構(gòu)可以包括沖壓口模，其用每個(gè)沖程將連續(xù)的條切割成多個(gè)晶片。最終的晶片產(chǎn)品優(yōu)選的寬度是160-200mm和厚度是3-30微米。在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，該微波是速調(diào)管，其包括能量加速器。為此目的，該能量束可以是離子束或者質(zhì)子束，和優(yōu)選約為所述晶片的寬度的寬度的長形的。

當(dāng)結(jié)合附圖(其作為例子顯示了本發(fā)明的原理)時(shí)，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面更詳細(xì)的說明而變得顯而易見。

附圖說明

該附圖說明了本發(fā)明。在這樣的附圖中：

圖1是一個(gè)流程圖，其說明了與制造晶片的方法相關(guān)使用的步驟；

圖2A是一個(gè)圖示，其顯示了在惰性室中熔融高純度半導(dǎo)體級晶片材料和摻雜劑；

圖2B是一個(gè)圖示，其顯示了將安裝到可旋轉(zhuǎn)軸一端上的晶種降低進(jìn)入熔融的混合物中；

圖2C是一個(gè)圖示，其顯示了將熔融的混合物催化結(jié)晶到晶種上；

圖2D是一個(gè)圖示，其顯示了通過從混合物中控制除去晶種來形成錠；

圖2E是一個(gè)圖示，其顯示了由熔融的混合物來完全形成錠；

圖3是一個(gè)圖示透視圖，其顯示了錠在旋轉(zhuǎn)器一端處的安裝；

圖4是一個(gè)圖示透視圖，其顯示了當(dāng)可選擇的連接到兩個(gè)旋轉(zhuǎn)器時(shí)，錠繞著它的縱軸的旋轉(zhuǎn)；

圖5A是一個(gè)部分切掉的圖示透視圖，其顯示了用一種或多種束轟擊所述錠的外表面；

圖5B是一個(gè)可選擇的切掉的圖示透視圖，其顯示了用一種或多種延長的束轟擊所述錠的外表面；

圖6是所述錠的一個(gè)圖示側(cè)視圖，其顯示了穿透所述錠外表面到預(yù)定深度的質(zhì)子；

圖7是所述錠的一個(gè)圖示側(cè)視圖，其顯示了錠的剝落；

圖8A是轟擊的錠的一個(gè)圖示頂視圖，其顯示了單層剝落；

圖8B是轟擊的錠的一種可選擇的圖示頂視圖，其顯示了多層剝落；

圖9是一種圖示側(cè)視圖，其顯示了將剝落的層傳送離開所述錠；

圖10是一種圖示側(cè)視圖，其顯示了將剝落的層切割成單個(gè)晶片；

圖11是一種圖示，其顯示了用金剛石金屬絲將圓柱形錠切割成正方形或者矩形錠；

圖12A是一種圖示透視圖，其顯示了用延長的束轟擊圖11的正方形加工成的錠的外前工件表面；

圖12B是一種圖示透視圖，其顯示了用延長的束轟擊圖11的正方形加工成的錠的外側(cè)工件表面；

圖13A是一種圖示透視圖，其顯示了從圖12A剝落的前工件表面剝離掉剝落的層；

圖13B是一種圖示透視圖，其顯示了從圖12B剝落的側(cè)工件表面剝離掉剝落的層；和

圖14是一種圖示側(cè)視圖，其顯示了通過傳送機(jī)將剝落的層攜帶離開工件。

具體實(shí)施方式

如用于說明目的附圖所示，通常參考圖1的流程圖顯示了本發(fā)明的制造晶片的改進(jìn)的方法，并且該制造方法的操作更詳細(xì)的顯示在圖2-10中。更具體的，如圖1所示，第一步驟是產(chǎn)生錠100。在一種優(yōu)選的實(shí)施方案中，該錠100是單晶圓柱形硅錠。雖然錠100可以是適于剝落的任何材料，包括多晶硅，并且可以具有任何橫截面形狀，例如多邊形橫截面形狀。此處公開的一組方法和設(shè)備目的是降低與圓柱形錠(其用作工件來產(chǎn)生正方形或者矩形硅晶片，用于太陽能面板等)加工成正方形相關(guān)的廢物。此外，為了消除使用前述金剛石包覆的金屬絲切片單個(gè)晶片，此處公開的方法和設(shè)備對于產(chǎn)生的每個(gè)晶片能夠?qū)U棄的晶片材料進(jìn)一步降低至少1個(gè)量級。因此，在生產(chǎn)太陽能級單晶光伏材料中消除這些浪費(fèi)的兩個(gè)步驟相當(dāng)于相同量級的成本節(jié)約。因此，如下面將更詳細(xì)描述的，太陽能PV材料的量比傳統(tǒng)或者常規(guī)制造方法所用的相同的錠增加了至少20倍。這明顯對應(yīng)于原材料的極大的成本節(jié)約。此外，如下面更詳細(xì)所述的，從錠上同時(shí)剝落和除去連續(xù)的晶片材料片消除了對于相對更成本密集的兩步剝落方法的需要和降低了與現(xiàn)有技術(shù)處理眾多的單片剝落的晶片材料相關(guān)的成本。

如圖2A所示，高純度半導(dǎo)體級晶片材料10在惰性室12，例如石英制成的室中被熔融。雖然晶片材料10可以是適于剝落的任何材料，但是單晶硅是優(yōu)選的晶片材料。將摻雜劑14(例如硼，磷，砷或者銻)加入熔融的晶片材料10中來向其中加入雜質(zhì)，優(yōu)選處于10¹³或者10¹⁶原子/cm³的量級，來將所述組合物偏振成n類型(負(fù)性)或者p類型(正性)半導(dǎo)體。然后將安裝到可旋轉(zhuǎn)軸18一端上的晶種16下降進(jìn)入熔融的晶片材料10和摻雜劑14的這種稍微不純混合物20中，來開始圖2B所示的結(jié)晶方法。一旦浸入圖2C所示的這種混合物20晶種16起催化劑作用，來開始熔融的晶片材料混合物20繞著軸18的結(jié)晶。軸18然后緩慢向上拉，并且同時(shí)旋轉(zhuǎn)來從熔融物中提取大的錠22。錠22優(yōu)選一種單晶圓柱形錠，雖然錠22可以是多晶或者本領(lǐng)域已知的另一組合物。由混合物20形成的錠22的結(jié)晶通過惰性室12中混合物20量的下降來指示，從圖2C進(jìn)展到圖2E。在這方面，圖2E顯示了用于此處公開的方法的一個(gè)錠22。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易意識到上述根據(jù)步驟100來產(chǎn)生錠22的方法可以根據(jù)晶片期望的應(yīng)用和終端特性而變化。例如可以改變?nèi)廴诘木牧?0的組成、引入和與熔融的晶片材料10混合的摻雜劑14的量和/或類型、惰性室12中的溫度、軸18的旋轉(zhuǎn)角速度和提取晶種16的速率。在這方面，該晶片材料產(chǎn)生方法100應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。在一種特別優(yōu)選的實(shí)施方案中，錠22是FZ硅錠，其是通過垂直區(qū)域熔融方法制造來降低其中的雜質(zhì)的數(shù)，特別是氧雜質(zhì)。

一旦錠22已經(jīng)在步驟100過程中產(chǎn)生，則在根據(jù)圖1的接下來的步驟102是在剝落方法的準(zhǔn)備過程中安裝錠22。在該優(yōu)選的實(shí)施方案中，錠22在安裝后保持固定。在另一實(shí)施方案中，錠22可以安裝到圖3所示的旋轉(zhuǎn)器24上。在一種實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)器24可以連接到軸18或者從錠22的主體向外延伸的其他延伸部上。在這種實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)器24優(yōu)選能夠在圖3所示的通常水平位置上保持和旋轉(zhuǎn)錠22?？蛇x擇的，如圖4所示，一對旋轉(zhuǎn)臂26，26’可以從旋轉(zhuǎn)器的一部分(通常用附圖標(biāo)記24表示)向外延伸或者包含其，并且連接到錠22的一對平坦端表面28，28’。這里，旋轉(zhuǎn)臂26，26’可以包括握爪、夾子或者具有高摩擦表面來將錠22保持(例如通過壓縮裝配)在其之間的其他裝置形式的連接機(jī)構(gòu)30。在這方面，本領(lǐng)域已知的能夠支撐和旋轉(zhuǎn)所述錠22以穩(wěn)定的和一致的速度與旋轉(zhuǎn)器24相連的任何連接機(jī)構(gòu)30將是足夠的。此外，旋轉(zhuǎn)器24、旋轉(zhuǎn)臂26，26’或者連接機(jī)構(gòu)30也可以單個(gè)或者彼此組合使用來在離子注入方法過程中，將所安裝的錠22繞著它的旋轉(zhuǎn)軸32前后移動，如下面更詳細(xì)所述的。

圖1所示的接下來的步驟是為微波裝置106供能，這產(chǎn)生了能量化的質(zhì)子或者離子束，其能夠在錠22繞著軸32旋轉(zhuǎn)時(shí)穿透進(jìn)入錠22的外表面中。這里，圖5A和5B顯示了與此處公開的方法一起使用的這樣的微波裝置的兩個(gè)例子。例如在圖5A中，該微波裝置包括速調(diào)管34(即，電子管，其用于通過速度調(diào)制來產(chǎn)生或者放大微波區(qū)中的電磁輻射)，其產(chǎn)生了從加速器38向外朝著錠22的外表面40導(dǎo)向的質(zhì)子束36(圖5A)或者延長的質(zhì)子束37(圖5B)。優(yōu)選的是速調(diào)管34包括直流槍或者Pelletron加速器38，但是也可以使用本領(lǐng)域已知的其他相當(dāng)?shù)募铀倨餮b置，例如無線頻率(“RF”)加速器。加速器38(例如RF共振腔)引導(dǎo)微波從速調(diào)管源34進(jìn)入共振腔來產(chǎn)生高梯度電磁場，其將質(zhì)子加速到期望的能量水平。這使得微波裝置的尺寸最小化(高eV/m)，同時(shí)保持了高的生產(chǎn)值。在這方面，一個(gè)速調(diào)管34可以通過使用互連電磁波導(dǎo)管總線連接到許多RF共振加速腔(例如圖5A所示的另外的加速器38’，38”)。因此，產(chǎn)生十億瓦特/生產(chǎn)年的PV材料的整個(gè)工廠可以通過僅僅單個(gè)速調(diào)管34來供能。該共振腔設(shè)計(jì)使得品質(zhì)因子或者Q值最大化，因此使得微波源所需的輸入能量最小化。

圖1所示的接下來的步驟是穿透錠22的所選擇的層。在其中錠22旋轉(zhuǎn)的實(shí)施方案中，該穿透優(yōu)選是大約平行于錠22的旋轉(zhuǎn)軸108來進(jìn)行。本領(lǐng)域已知的用于穿透和基本上剝落晶片材料的選擇表面深度的示例性裝置顯示和描述在例如前述Glavish等人的美國專利No.7939812，Smick等人的7982197，Glavish等人的7989784和Ryding等人的8044374中，所提出的方法用具有優(yōu)選處于0.2-2.5兆電子伏(“MeV”)的能量水平的能量化質(zhì)子的質(zhì)子束36、37轟擊錠22的外表面40到預(yù)定深度42(圖6)。因此，該質(zhì)子穿透錠22到大約3-30微米的表皮深度42。當(dāng)錠22繞著它的軸32旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)子束36、37連續(xù)的為外表面40的新層供能。當(dāng)然，深度42可以根據(jù)微波裝置的類型、質(zhì)子加速器38內(nèi)所產(chǎn)生的能量水平等而變化。這個(gè)質(zhì)子轟擊步驟108允許從錠22的主體上剝離或剝落轟擊表面40的層44并處于連續(xù)的傳送機(jī)46上，通常如圖7所示。這種表皮深度42是3-30微米，取決于所注入的質(zhì)子的能量。

在步驟108過程中，錠22的轟擊表面由于質(zhì)子束36、37的結(jié)果而升溫。同樣，冷卻機(jī)構(gòu)優(yōu)選用于冷卻錠22的外表面40來防止錠22的材料性能由于加熱引起的不利的或者不期望的變化。在這方面，特別重要的是冷卻要剝離的錠22中和周圍的面積。水或者空氣循環(huán)基冷卻裝置可以用于此處公開的方法來提供直接或者間接的冷卻錠22。

剝落的層44的厚度在圖6和7中放大來用于說明目的。在這方面，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易意識到這個(gè)剝落的層44的相對厚度將遠(yuǎn)薄于根據(jù)步驟100所制造的錠22的初始厚度。在一種實(shí)施方案中，當(dāng)錠22繞著它的軸32連續(xù)剝落時(shí)，它的直徑將變小和相對于剝落層44的深度42的相對尺寸差將降低。

通常，束36或者延長的束37需要沿著錠22的長度根據(jù)所形成的晶片期望的寬度為錠22的一部分供能。這種方法可以根據(jù)束36、37的類型和步驟100所產(chǎn)生的錠22的長度而變化。例如圖5A顯示了一種實(shí)施方案，其中單束36從一個(gè)加速器38發(fā)射。這里，束36在單個(gè)點(diǎn)接觸一部分的外表面40。為了產(chǎn)生具有寬度48的層44(圖8A，8B)，束36可以沿著錠22的縱軸(即，平行于錠22的高度或者軸32)從左到右和從右到左移動，來為錠22的整個(gè)寬度48供能。在這種實(shí)施方案中，錠22可以增量旋轉(zhuǎn)來使得束36成功的橫過寬度48。一旦它已經(jīng)這樣作了，則錠22向前旋轉(zhuǎn)，以使得外表面40接下來的增量可以供能和從錠22的主體剝離。產(chǎn)生另外的束36’、36”、36ⁿ的另外的加速器38’、38”、38ⁿ可以包括速調(diào)管34，以使得錠22的整個(gè)寬度可以同時(shí)加工和剝落來產(chǎn)生例如層44、44’、44’’，如圖8B所示。可選擇的，代替束36，36’，36ⁿ任何一個(gè)的移動，加速器38、38’、38ⁿ或者速調(diào)管34、錠22本身可以前后橫過。

可選擇的，如圖5B所示，速調(diào)管34可以產(chǎn)生延長的束37，束寬度等于期望的最終晶片的寬度48。類似于上述束36，多個(gè)延長的束37、37’、37ⁿ(另外的束37’、37ⁿ在圖5B中未示出)可以以類似于上述圖8B所述的方式用于剝落錠22的部分的或者基本上整個(gè)寬度。使用一種或多種的延長束37的優(yōu)點(diǎn)是它可以不必需停止或者增加錠22繞著它的軸32的旋轉(zhuǎn)。在這方面，錠22的旋轉(zhuǎn)和冷卻可以定時(shí)來具體促進(jìn)連續(xù)的剝落，因?yàn)槭?7將不需要沿著錠22的長度縱向移動，如束36所作的那樣。

圖1所示的接下來的步驟是從錠110除去穿透的晶片材料的層。如上面涉及一種實(shí)施方案所述的，錠22可以以一定角度繞著旋轉(zhuǎn)軸32旋轉(zhuǎn)，以使得束36、37不與表面40的任何在先轟擊的區(qū)域交疊。隨著該轟擊方法的繼續(xù)，剝落的材料的層44從錠22剝離到傳送機(jī)46上。傳送機(jī)46可以包括金屬基底50或者其他相當(dāng)?shù)谋砻?，其具有足夠高的摩擦系?shù)來抓握或者拖拉剝落的層44，離開錠22，通常如圖7所示。這防止了在錠22旋轉(zhuǎn)時(shí)剝落的層44堆積到表面40附近。

錠22的旋轉(zhuǎn)允許以單個(gè)連續(xù)片同時(shí)剝落和除去剝落的材料。更具體的，當(dāng)錠22旋轉(zhuǎn)時(shí)，被剝落的錠22的外表面40的部分根據(jù)錠22的角位置的改變而改變。同時(shí)，這種旋轉(zhuǎn)引起剝落的晶片44材料的層在錠22旋轉(zhuǎn)時(shí)從錠22剝離掉。因?yàn)閯兟涞膶?4在錠22的角位置改變時(shí)連續(xù)的剝離，產(chǎn)生了晶片材料的單個(gè)連續(xù)片。即，旋轉(zhuǎn)錠22以與紙卷或者金屬卷相同的方式“展開”。這種方法提供了相對于常規(guī)剝落方法大的節(jié)約，因?yàn)樯a(chǎn)了剝落的晶片材料的連續(xù)片。

除去步驟110可以產(chǎn)生3-30微米厚的晶片材料的一種或多種基底層44、44’、44ⁿ的帶(例如圖8B所示)，這取決于轟擊質(zhì)子能量。錠22向前移動一定距離，其等于金屬基底的寬度，這剛好產(chǎn)生足夠的材料來剝落到傳送機(jī)46的金屬基底50上。金屬基底的寬度將對應(yīng)于轟擊錠表面的寬度48，并且可以是160-200mm。

具有PV材料的這種金屬基底新的帶或者層44然后在步驟112過程中傳送離開錠22，用于隨后沖壓114成單個(gè)晶片(圖1)。在這方面，圖9顯示了剝落的晶片材料44的層或者條離開錠22和朝著具有口模54和一個(gè)或多個(gè)刀片56(其設(shè)計(jì)來將帶或?qū)?4以特定間隔切割或者剪切成單個(gè)晶片58(圖10))的壓機(jī)52移動。例如當(dāng)壓機(jī)52延伸口模54向下，如圖10所示，刀片56以間隔例如每160-200mm接觸和切割晶片材料44的帶成晶片58，由此產(chǎn)生160x160mm晶片或者200x200mm晶片。雖然這些尺寸可以是典型正方形PV晶片的目前尺寸，但是晶片58的尺寸不應(yīng)當(dāng)限于此。即，晶片58所形成的尺寸可以更大或者更小，這取決于用于將層44切割成單個(gè)晶片58的技術(shù)。此外，本領(lǐng)域已知的用于切片或者切割晶片材料帶的任何裝置可以用于由帶或者層44產(chǎn)生晶片58，例如可選擇的沖壓或者鋸割機(jī)構(gòu)。優(yōu)選這樣的切割或者鋸割步驟應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生盡可能少的殘留晶片材料廢物。在這個(gè)點(diǎn)，最終產(chǎn)品是正方形或者矩形PV晶片58，其可以運(yùn)行穿過常規(guī)配線和包裝機(jī)器來產(chǎn)生完全的太陽能面板，用于住宅、商業(yè)或者共用規(guī)模太陽能生產(chǎn)。

當(dāng)然，上述方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)不僅僅限于用于單晶硅錠。這樣的方法和設(shè)備可以應(yīng)用于不同形狀、尺寸和材料的錠，例如任何類型的金屬材料，其流延成適于進(jìn)一步如此處所公開來加工的形狀，包括FZ硅。

例如錠22可以具有多邊形橫截面。具有這樣形狀的錠可以繞著它的縱軸以與圓柱形錠相同的方式旋轉(zhuǎn)。大部分可旋轉(zhuǎn)的加工工件(即工件在旋轉(zhuǎn)器或者車床上轉(zhuǎn)動)必須是圓柱形的，以使得所述刀具(即車床切刀)在其整個(gè)360度旋轉(zhuǎn)中與工件保持接觸。但是，剝落方法不需要固定位置刀具來保持與錠恒定接觸。然而，能量束(其可以適應(yīng)不同旋轉(zhuǎn)直徑的非圓形旋轉(zhuǎn)物體)優(yōu)選加工該工件錠。即，該能量束轟擊錠的外表面和穿透晶片材料的層，即使該旋轉(zhuǎn)錠的直徑具有多邊形橫截面，其是隨角度變化的。所以，具有多邊形橫截面的錠可以以與圓柱形錠相同的方式剝落，如上面更詳細(xì)討論的。

此外，該晶片材料不限于單晶硅?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的用于構(gòu)建晶片的任何合適的材料，包括但不限于浮區(qū)硅(“FZ硅”)、多晶硅、碲化鎘、藍(lán)寶石晶體和硒化銅銦鎵。此外，該晶片材料可以是n類型或者p類型材料。很顯然，摻雜劑的類型和濃度和具體的加工參數(shù)例如溫度可以根據(jù)晶片材料的選擇來改變。

在此處公開實(shí)施方案的另一可選擇的方面，該制造晶片的改進(jìn)方法可以包括使用浮區(qū)硅或者FZ硅。在這方面，該制造方法可以類似于上述涉及步驟(100)-(114)所述的設(shè)備和方法?？蛇x擇的，代替使用圖3-10所示的圓柱形錠22，錠22可以通過金剛石金屬絲60或者其他相當(dāng)?shù)那懈顧C(jī)構(gòu)初試切割或者加工成正方形來形成通常矩形硅塊62，通常如圖11所示。當(dāng)然，硅塊62可以切割成矩形或正方形，并且可以根據(jù)期望切割成許多不同的尺寸或者形狀。在圖11所示的實(shí)施方案中，硅塊62具有至多3英尺長的前工件表面64(和類似形狀的后工件表面64’)和側(cè)工件表面66(和相應(yīng)的其他側(cè)工件表面66’-66”’)，其全部優(yōu)選準(zhǔn)備用于根據(jù)此處所述的實(shí)施方案來脫落。為了簡化起見，該剝落方法在下面涉及前工件表面64和側(cè)工件表面66來描述，但是該剝落方法可以同樣良好的單獨(dú)或者同時(shí)與一種或多種工件表面64’和66’-66’’來進(jìn)行。

可選擇的，此處公開的剝落方法可以用于浮區(qū)硅晶片，其已經(jīng)通過本領(lǐng)域已知的方法切割成200-600微米量級的厚度。在這方面，這些現(xiàn)有的或者預(yù)先裁切的晶片可以剝落來形成2-70微米量級或者更優(yōu)選4-20微米量級的多個(gè)更薄晶片。例如，300微米預(yù)切的浮區(qū)晶片可以用此處公開的方法剝落來生產(chǎn)25微米厚度的12個(gè)浮區(qū)晶片。這樣的預(yù)切的浮區(qū)晶片將基本上用作工件來代替硅塊62，下面更詳細(xì)描述的。

一旦硅塊62已經(jīng)使用本領(lǐng)域已知的方法來產(chǎn)生，則塊62可以安裝來用于根據(jù)上述實(shí)施方案或者本領(lǐng)域已知的其他實(shí)施方案來準(zhǔn)備剝落方法。雖然，一個(gè)差異是硅塊62不需要如上面涉及圓柱形硅錠22所述那樣來旋轉(zhuǎn)，因?yàn)楣ぜ砻?4、66提供與圓形或者圓柱形工件表面(其需要繞著它的軸旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生平坦的晶片材料)不同的平坦剝落表面。

在這方面，圖12A和12B顯示了兩種剝落上述外工件表面64、66的方法。例如在圖12A中，速調(diào)管34產(chǎn)生了延長的質(zhì)子束37，用于圍繞前工件表面64的寬度接觸。束37優(yōu)選如方向箭頭所示從上到下移動。圖12B顯示了一種類似的實(shí)施方案，其中速調(diào)管34產(chǎn)生了類似的延長的質(zhì)子束37，其優(yōu)選跨過側(cè)工件表面66的寬度和如方向箭頭所示從上到下移動。在這方面，如圖13A和13B所示，硅材料68、68’的剝落的層開始根據(jù)上述實(shí)施方案從硅塊62上剝落或者剝離。類似的，這種剝落的層68或者68’可以通過傳送機(jī)46等從工件62傳送離開(圖14)。該剝落方法可以產(chǎn)生單個(gè)硅晶片58，例如通過剝落前工件表面64(其匹配所形成的硅晶片58期望的尺寸)，或者通過剝落較大面積(例如作為側(cè)工件表面66)，和然后隨后將剝落的硅帶切割成上面涉及剝落的層44所述的帶。

此處公開的實(shí)施方案的一個(gè)具體優(yōu)點(diǎn)是將剝落方法用于浮區(qū)(即，“FZ”硅)或者具有相對低的氧含量(例如10¹⁵氧原子/立方厘米)的其他硅材料。一方面，目前的用于生產(chǎn)太陽能面板所用尺寸化硅晶片的太陽能級硅材料具有相對較高的氧含量(例如10¹⁸氧原子/立方厘米)，并且是通過Czochralski方法生產(chǎn)的。這些硅晶片僅僅具有19％-20％的效率，但是對于生產(chǎn)來說是經(jīng)濟(jì)的。另一方面，具有相對低氧含量和所以更高效率的硅材料(例如浮區(qū)硅晶片具有大約24.7％的效率)必須切割成大于期望的尺寸的尺寸(例如處于300-500微米量級的厚度)，因?yàn)樵撚操|(zhì)材料性能阻止了已知的方法(例如金剛石金屬絲)用于將材料切割得更薄。因此，由浮區(qū)硅等制成的硅晶片目前是成本受限的，這歸因于材料成本和目前可利用的晶片最小制造厚度。

因此，上述剝落方法特別可用于由更高級硅材料(例如浮區(qū)硅)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)硅晶片，所述更高級硅材料具有相對較低的氧含量和更小的厚度(例如2-70微米和優(yōu)選4-20微米，這與100+微米相反)。這是如下來完成的：用前述用于離子注入的方法，例如通過DC加速器或者具有增強(qiáng)的能量水平的其他束來轟擊浮區(qū)硅的表面區(qū)域結(jié)構(gòu)。該表面積轟擊特別優(yōu)于已知的方法，因?yàn)楦呒兌鹊墓璨牧系谋砻鎱^(qū)域張力抑制了將晶片物理鋸割掉(例如通過金剛石金屬絲)到經(jīng)濟(jì)的厚度(例如在100微米下)。

如圖13A，13b和14所示，剝落的層68或者68’通過轟擊其表面的離子的能量水平所決定的厚度來從硅塊62上剝落掉。在這方面，增加束37的能量水平導(dǎo)致了更深的表面水平穿透和更厚晶片58，而降低束37的能量水平導(dǎo)致更淺的表面水平穿透和更薄晶片58。更具體的，使用大約5x10¹⁴-5x10¹⁶離子/cm²的注入密度將穿透浮區(qū)硅的表面水平到這樣的深度，其足以產(chǎn)生具有相對厚度2-70微米和優(yōu)選4-20微米的晶片58。這些相對薄的晶片58可以置于具有表面的傳送機(jī)46，所述表面包括傳導(dǎo)表面或者襯背70，來在生產(chǎn)每個(gè)晶片58時(shí)將晶片58牽引離開硅塊62。

雖然為了說明的目的已經(jīng)詳細(xì)描述了幾個(gè)實(shí)施方案，但是可以進(jìn)行不同的改變，而不脫離本發(fā)明的范圍和主旨。因此，本發(fā)明不限于此，除了附加的權(quán)利要求。