本揭示的實(shí)施例是有關(guān)于一種用于定位不同材料之間界面的系統(tǒng)，且特別是有關(guān)于一種用于在高溫環(huán)境中定位材料層之間界面的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在許多加工和生產(chǎn)應(yīng)用中，適宜或必需在惡劣或極端環(huán)境中定位多種不同材料之間的界面。舉例而言，制造半導(dǎo)體基材有時(shí)使用一種技術(shù)，其中從一種既定材料(諸如硅)的熔體上生長(zhǎng)單一結(jié)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(jié)晶，且沿一牽拉方向拉伸所述較薄固體層實(shí)現(xiàn)。當(dāng)沿既定方向拉伸所述單晶材料時(shí)，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(fā)生結(jié)晶的結(jié)晶區(qū)域上保持固定。所述結(jié)晶操作可能需要強(qiáng)冷卻裝置或“結(jié)晶器”。所述結(jié)晶區(qū)域可限定單晶薄片和熔體之間的結(jié)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(gè)有刻面的前邊緣在穩(wěn)態(tài)條件下生長(zhǎng)以匹配生長(zhǎng)速度和單晶薄片或“帶”的牽拉速度，在結(jié)晶區(qū)域可使用結(jié)晶器進(jìn)行強(qiáng)冷卻。這樣可能會(huì)導(dǎo)致單晶薄片形成，其初始厚度與所應(yīng)用的冷卻強(qiáng)度相稱，就硅帶生長(zhǎng)而言，其初始厚度通常約為1-2mm。但是，對(duì)于諸如由單晶薄片或單晶帶形成的太陽能電池的應(yīng)用而言，目標(biāo)厚度可能約為200μm或小于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(shí)，在包含熔體的坩堝區(qū)域上方加熱所述單晶帶實(shí)現(xiàn)。在單晶帶與熔體接觸時(shí)，所述單晶帶經(jīng)由所述區(qū)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(biāo)厚度。確切地說，所述回熔方法非常適用于所謂的浮硅法(Floating Silicon Method，簡(jiǎn)稱：FSM)，它根據(jù)上述操作步驟可在硅熔體表面上形成硅薄片。

但是，在使用諸如FSM的方法生長(zhǎng)單晶薄片期間，在單晶薄片的整個(gè)寬度(即沿垂直于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(chǎn)生過程對(duì)應(yīng)。另外，由于單晶帶的最終目標(biāo)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(yīng)用可能指定基材的厚度為200μm+/-20μm。如果在靠近結(jié)晶器處具有2mm的初始厚度且初始厚度變化范圍為2％(或40μm)的單晶薄片在未對(duì)所述初始厚度變化進(jìn)行校正的情況下結(jié)晶，則所述帶的厚度通過經(jīng)由回熔區(qū)域拉伸變薄至200μm后，40μm的厚度變化可構(gòu)成厚度20％的變化，這樣可能會(huì)讓單晶帶無法用于其預(yù)期應(yīng)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(tǒng)加熱器回熔所述帶是難以校正的。

鑒于前述，宜提供一種用于測(cè)量單晶薄片的厚度的系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠在惡劣(即，高溫并且有許多電雜信號(hào))FSM操作環(huán)境內(nèi)不受干擾地操作，且不會(huì)污染熔體。進(jìn)一步宜提供一種系統(tǒng)，此系統(tǒng)可用于在幾乎任何類型的晶體固化應(yīng)用(例如Cz，DSS)與玻璃和冶金應(yīng)用中，測(cè)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(yīng)用中，用其它方法難以或者不可能定位材料界面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供此發(fā)明內(nèi)容而以簡(jiǎn)化形式引入下文在具體實(shí)施方式中進(jìn)一步描述的一系列概念。此發(fā)明內(nèi)容并不打算確定所主張的主題的關(guān)鍵特征或基本特征，并且也不打算說明確定所主張的主題的范圍。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的薄片形成設(shè)備的例示性實(shí)施例可包含用于固持材料的熔體以及置于所述熔體內(nèi)的材料的固體薄片的坩堝，配置于所述坩堝的上方以自所述熔體形成所述薄片的結(jié)晶器，和鄰近所述結(jié)晶器設(shè)置的超聲波測(cè)量系統(tǒng)，所述超聲波測(cè)量系統(tǒng)包括至少一個(gè)超聲波測(cè)量裝置，所述超聲波測(cè)量裝置包含耦合到超聲波換能器的波導(dǎo)以導(dǎo)引超聲波脈沖穿過所述熔體。

根據(jù)本發(fā)明用于測(cè)量熔體表面上的薄片厚度的系統(tǒng)的例示性實(shí)施例可包含至少一個(gè)超聲波測(cè)量裝置，所述超聲波測(cè)量裝置包含耦合到超聲波換能器的波導(dǎo)用于導(dǎo)引超聲波脈沖穿過所述熔體和所述薄片。

根據(jù)本發(fā)明用于在薄片形成設(shè)備中測(cè)定材料界面的位置的例示性方法可包含導(dǎo)引超聲波脈沖穿過薄片形成設(shè)備中的材料的熔體，和從熔體的邊界上的超聲波脈沖的反射得出材料界面的位置。

附圖說明

現(xiàn)將通過舉例參考附圖描述所公開的裝置的各種實(shí)施例，在所述附圖中：

圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超聲波測(cè)量系統(tǒng)的截面?zhèn)纫晥D。

圖2為示出根據(jù)本發(fā)明從熔體分離薄片的設(shè)備的截面?zhèn)纫晥D。

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(shè)備的超聲波測(cè)量系統(tǒng)。

圖4a為圖3所示超聲波測(cè)量系統(tǒng)的一部分的截面正視圖。

圖4b為圖4a所示超聲波測(cè)量系統(tǒng)的波導(dǎo)的細(xì)節(jié)截面正視圖。

圖5包含示出由本發(fā)明超聲波測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的反射超聲波脈沖的例示性時(shí)間和振幅的曲線圖和圖表。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

參見附圖，下文現(xiàn)將更全面地描述根據(jù)本發(fā)明用于測(cè)量熔體表面上的薄片的厚度的系統(tǒng)，附圖中所示為所述系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本系統(tǒng)可以按許多不同形式實(shí)施，并且不應(yīng)被解釋為限于本文所闡述的實(shí)施例。更準(zhǔn)確地說，提供這些實(shí)施例是為了使得本公開將是透徹并且完整的，并且這些實(shí)施例將把本系統(tǒng)的范圍完整地傳達(dá)給所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，相同標(biāo)號(hào)始終指代相同組件。

本文公開的系統(tǒng)的實(shí)施例是關(guān)于太陽能電池的生產(chǎn)予以說明的。但是，這些實(shí)施例也可用于生產(chǎn)，例如，集合電路，平板，發(fā)光二極體(1ight-emitting diode，簡(jiǎn)稱：LED)，或所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其他基材。此外，當(dāng)所說明的是硅熔體時(shí)，所述熔體可含有鍺，硅和鍺，鎵，氮化鎵，碳化硅，藍(lán)寶石，其他半導(dǎo)體或絕緣體材料，或所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其他材料。因此，本發(fā)明不限于下文描述的具體實(shí)施例。

圖1為超聲波測(cè)量系統(tǒng)20(下文稱“系統(tǒng)20”)的截面?zhèn)纫晥D，其經(jīng)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(shí)例中，提供包封加熱器3的鍋爐腔室1，加熱器3用于加熱坩堝5和其中的液體2。具體而言，系統(tǒng)20可用于測(cè)量形成于液體2和固體4之間的界面7的位置。更一般化地，系統(tǒng)20在幾乎任何類型的晶體固化應(yīng)用(例如，柴氏拉晶法(Czochralski，Cz)、DSS、凱式長(zhǎng)晶法(Kyropolous，Ky))與玻璃和冶金應(yīng)用中，可用于測(cè)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(shí)施的系統(tǒng)20的應(yīng)用的非限制性例子，圖2示出了從熔體10中形成結(jié)晶薄片的設(shè)備15的實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D。薄片形成設(shè)備15可包含容器16，其為坩堝，經(jīng)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，碳化硅，或石英形成。熔體10可為(例如)硅。薄片13可形成于熔體10上。雖然圖2示出薄片13是在熔體10內(nèi)完全浮動(dòng)，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(gè)實(shí)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(shè)備15內(nèi)循環(huán)(circulate)。

在一個(gè)特定實(shí)施例中，容器16的溫度可保持在略高于1412℃。對(duì)于硅而言，1412℃表示凍結(jié)溫度或“界面溫度”。通過將容器16的溫度保持略高于熔體10的凍結(jié)溫度，位于熔體10上方的結(jié)晶器14可快速冷卻熔體10，從而當(dāng)熔體10在結(jié)晶器14下方通過時(shí)，可在熔體10之上或之中獲取薄片13的所需的凍結(jié)速率。

測(cè)量薄片13的厚度具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。此類測(cè)量可用作制造薄片13的回饋機(jī)制或加工控制系統(tǒng)。這可確保獲取薄片13所需的厚度。原位測(cè)量可允許在在熔體10上形成薄片13時(shí)即時(shí)監(jiān)控薄片13的厚度。這可減少熔體10的浪費(fèi)，并且能夠形成連續(xù)的薄片13。

在一個(gè)非限制性實(shí)施例中，設(shè)備15可包含用于測(cè)量圖2和圖3中所示的薄片13的厚度的超聲波薄片測(cè)量系統(tǒng)20。圖3所示系統(tǒng)20的正視圖中最佳示出了，系統(tǒng)20可包含超聲波測(cè)量裝置22的陣列(下文稱“測(cè)量裝置22”)，其用側(cè)向間隔開的布置置于熔體10表面下方。測(cè)量裝置22中的每一個(gè)可包含一個(gè)伸長(zhǎng)的波導(dǎo)24，其耦合到對(duì)應(yīng)的超聲波換能器26且從對(duì)應(yīng)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(hù)換能器26免于受熱。

波導(dǎo)24的上端可置于經(jīng)由(或從)容器16的底層朝上延伸的保護(hù)殼體32內(nèi)。保護(hù)殼體32可以由，例如，鎢，氮化硼，氮化鋁，鉬，石墨，碳化硅或石英形成，且在阻止波導(dǎo)24和熔體10接觸的同時(shí)，可允許波導(dǎo)24的最上面頂端延伸至略低于薄片13(例如，＜5mm)的位置。保護(hù)殼體32因此保護(hù)熔體10免受波導(dǎo)24污染，但，如下文進(jìn)一步描述，使得波導(dǎo)測(cè)量的分辨率幾乎等于波導(dǎo)24的直徑(例如，～1cm)。

參考圖4a和圖4b中所示的測(cè)量裝置22的具體視圖，各波導(dǎo)24可經(jīng)配置以一種方式從對(duì)應(yīng)的換能器26(如圖2和圖3所示)向熔體10的高溫環(huán)境傳輸超聲波脈沖同時(shí)減輕波脈的且減輕由波導(dǎo)24的壁之間反射造成的“拖尾脈沖”。舉例而言，每一波導(dǎo)24可由一種高溫金屬的卷繞薄片形成，例如高碳鋼或鎢。通過標(biāo)定薄片尺寸使得薄片厚度小于超聲波脈沖波長(zhǎng)，并使得線圈長(zhǎng)度大大超過超聲波脈沖波長(zhǎng)，可達(dá)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(gè)非限制性例子中，每一波導(dǎo)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(dǎo)率材料(例如，陶瓷)構(gòu)成。此類陶瓷圓柱體表面可經(jīng)帶有紋理以減少拖尾回波。

參考圖4b，每一波導(dǎo)24可由氧化鋁-硅石復(fù)合物(在品牌斯?fàn)柨?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(nèi)徑可大于波導(dǎo)24的外徑。隔離套筒34可由此在波導(dǎo)24周圍界定環(huán)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可置于每一波導(dǎo)24的頂端40內(nèi)(諸如杯式凹槽內(nèi))，豎直地放在波導(dǎo)24和保護(hù)殼體32的頂板42的中間。冰球形圓塊38可充當(dāng)使聲波丟失最小化的低聲學(xué)阻抗耦合件。

在系統(tǒng)20操作期間，超聲波脈沖由換能器26產(chǎn)生，并通過波導(dǎo)24朝上傳輸，穿過保護(hù)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。超聲波脈沖在每一材料界面部分反射，并且這些反射被換能器26檢測(cè)到。每一反射的相對(duì)強(qiáng)度R由通過每一材料界面的材料的聲學(xué)阻抗z的差值確定，如下列等式：

基于波導(dǎo)24、保護(hù)殼體32、熔體10、薄片13和氣體氛圍40的聲學(xué)屬性，以及聲速和各材料層的厚度，可計(jì)算經(jīng)圖5所示換能器26檢測(cè)的各個(gè)部分反射的“飛行時(shí)間”?？紤]到所有反射，包含反射的時(shí)序和衰減，可測(cè)定每一反射和每一材料界面之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？煽吹綇谋∑?3的頂表面和底表面的反射的振幅易于區(qū)分，其間具有近似于0.2μs的時(shí)間差。一種習(xí)用的未聚焦的壓電換能器(脈沖發(fā)生器-接收器)在20MHz的條件下運(yùn)行時(shí)能夠產(chǎn)生以近似于0.05μs為周期的超聲波脈沖。這將為檢測(cè)表示薄片13厚度測(cè)量的信號(hào)之間的0.2μs間距提供足夠的分辨率。

因此，每一超聲波測(cè)量裝置22可用于測(cè)量薄片13的對(duì)應(yīng)橫截面的厚度，其中每一對(duì)應(yīng)的橫截面的寬度大致等于波導(dǎo)24的直徑。系統(tǒng)20中的超聲波測(cè)量裝置22的側(cè)向陣列可因此共同產(chǎn)生橫跨整個(gè)薄片13的寬度的薄片13的“厚度分布”。在每一波導(dǎo)24的直徑約近似于1cm的條件下，可獲取近似于1cm的厚度分布分辨率，前提條件是波導(dǎo)24的位置在所測(cè)量的薄片13的數(shù)毫米內(nèi)。

上述脈沖-回波技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是它基于時(shí)間(相較于基于信號(hào)強(qiáng)度)，并且因此不受換能器和材料特性變化的影響。這使得系統(tǒng)20在沒有交叉校準(zhǔn)各個(gè)超聲波測(cè)量裝置22的情況下可測(cè)量薄片13的厚度分布。

為了避免熔體10和/或薄片13受到熱干擾，可給系統(tǒng)20設(shè)置一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償加熱器43，鄰接于波導(dǎo)24安置在容器16下方，如圖2和圖3所示。所述補(bǔ)償加熱器43可充分加熱波導(dǎo)24，以防止熔體10的熱流入波導(dǎo)24且在熔體10中產(chǎn)生冷區(qū)域而可能導(dǎo)致在薄片13中產(chǎn)生缺陷。舉例而言，假定每一波導(dǎo)24具有近似于200W/mK(就卷曲鋼而言)的有效熱導(dǎo)率，且每一波導(dǎo)24的直徑近似于1cm，長(zhǎng)度近似于15cm，要將補(bǔ)償加熱器43維持在1412C℃的熔體溫度下以便加熱波導(dǎo)24，將需要大致15W的功率。波導(dǎo)24由此加熱后，在鄰接于熔體10的波導(dǎo)24中將極少有或沒有溫度梯度，因此極少有或沒有熱量會(huì)從熔體10流入波導(dǎo)24。

薄片13的厚度分布和由本發(fā)明的系統(tǒng)20得到的其他厚度測(cè)量值可用于多種目的。舉例而言，當(dāng)薄片13在熔體10中初始產(chǎn)生時(shí)，薄片13具有使得初始化的薄片厚度與結(jié)晶器14(圖2所示)的長(zhǎng)度相稱的前邊緣面，而薄片厚度通?？纱笥?mm。但是，對(duì)于太陽能電池而言，理想薄片厚度為＜200μs(基材通常近似于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(shí)現(xiàn)理想的生產(chǎn)效率，回熔應(yīng)在薄片13仍與晶體生長(zhǎng)鍋爐中的熔體10接觸時(shí)進(jìn)行。

如圖2所示，分段式回熔加熱器(segmented melt-back heater，簡(jiǎn)稱：SMBH)44可置于熔體10下方/內(nèi)部，且可以有助于選擇性地回熔和薄化薄片13的所需部分。因此，可“調(diào)整”薄片厚度分布的一致性。SMBH 44可包含多個(gè)側(cè)向間隔開的加熱器，其中可單獨(dú)控制每一加熱器的輸出，以共同得到可控制的側(cè)向熱分布。經(jīng)系統(tǒng)20測(cè)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(diào)節(jié)SMBH 44的熱分布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(gè)實(shí)例中，最終薄片剖面可一致的約為10μm內(nèi)(對(duì)于太陽能電池而言)，在此情況下，初始薄片厚度分布的測(cè)量應(yīng)精確到約10μm。

在一個(gè)實(shí)例中，宜直接在SMBH 44的上游測(cè)量薄片的薄片厚度分布，所以SMBH 44可最小化或沒有延遲地及時(shí)校正薄片厚度分布的任何波動(dòng)。因此，如圖2所示，系統(tǒng)20可直接置于SMBH 44上游。但是，系統(tǒng)20可替代地置于SMBH 44的下游。

系統(tǒng)20可另外地或可替代地用于測(cè)量設(shè)備15中除薄片13外的材料的厚度。舉例而言，系統(tǒng)20可用于測(cè)量熔體13的厚度(深度)，以測(cè)定熔體10是否應(yīng)被補(bǔ)充、且應(yīng)被補(bǔ)充到何種程度。進(jìn)一步考慮了系統(tǒng)20可用于測(cè)定設(shè)備15中材料之間界面的精確位置。舉例而言，系統(tǒng)20可用于測(cè)定熔體10和薄片13之間的界面位置，即使此類界面位于熔體10的表面之下(即，如果薄片13浸沒在熔體10中)。更一般化地，系統(tǒng)20在幾乎任何晶體固化應(yīng)用(例如，Cz、DSS)與玻璃和冶金應(yīng)用中，可用于測(cè)定固化界面(即，液體和固體之間的界面)的位置，在這些應(yīng)用中，可能用其它方法難以或不可能定位固化界面。

請(qǐng)參考圖6，示出了依據(jù)本揭示的用于定位在高溫環(huán)境中材料層之間的界面的示范性方法的流程圖。將共同參考圖2及圖3所示的設(shè)備15以及系統(tǒng)20而說明此方法。

在示范性方法的流程100中，超聲波脈沖由換能器26產(chǎn)生，并通過波導(dǎo)24朝上傳輸，穿過保護(hù)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，之后超聲波脈沖在每一材料界面部分反射，并且這些反射被換能器26檢測(cè)到。

在示范性方法的流程110中，可以基于波導(dǎo)24、保護(hù)殼體32、熔體10、薄片13和氣體氛圍40的聲學(xué)屬性，以及聲速和各材料層的厚度，可計(jì)算被換能器26檢測(cè)到的各個(gè)部分反射的“飛行時(shí)間”。

在示范性方法的流程120中，考慮由換能器26檢測(cè)到的包括反射的定時(shí)和衰減的所有部分反射，可以確定每個(gè)反射與每個(gè)材料界面之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該對(duì)應(yīng)關(guān)系可以用于測(cè)量薄片13的相應(yīng)橫截面的厚度，其中每個(gè)相應(yīng)的橫截面的寬度大致等于波導(dǎo)24的直徑。因此，系統(tǒng)20中的超聲波測(cè)量裝置22的橫向陣列因此可以在整個(gè)薄片13的寬度上共同地產(chǎn)生薄片13的“厚度分布(thickness profile)”。

在示范性方法的流程130中，薄片13的厚度分布可以用于調(diào)節(jié)分段熔融回?zé)峒訜崞?SMBH)44的熱分布，以便熔化薄片13的選定部分，以獲得具有期望厚度的薄片。

因此，相對(duì)于在片材成形裝置中使用的常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)，上述系統(tǒng)20可以提供許多優(yōu)點(diǎn)。例如，系統(tǒng)20特別適于在不受干擾且不污染熔體的情況下在苛刻(即熱和電噪聲)的FSM操作環(huán)境內(nèi)測(cè)量單芯片的厚度。此外，系統(tǒng)20能夠確定幾乎任何類型的晶體中不同材料(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)之間的界面的位置固化應(yīng)用(例如Cz，DSS)以及玻璃和冶金應(yīng)用，其中材料界面難于或不可能定位。

雖然本發(fā)明已以實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中的相關(guān)技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，故本發(fā)明的保護(hù)范圍以本申請(qǐng)的權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。