專利名稱：：半導(dǎo)體片和制造其的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總的來說涉及半導(dǎo)體片(semiconductorsheet),并且更力口具體地涉及半導(dǎo)體片和制造其的方法。
背景技術(shù)：
：已知切割半導(dǎo)體材料的片為預(yù)定尺寸的晶圓。用半導(dǎo)體材料構(gòu)成的晶圓用于多種應(yīng)用，并且就此存在對這樣的晶圓不斷增長的需求。例如，至少一些已知的太陽能-電力(solar-electric)系統(tǒng)-使用典型地用硅(單晶或多晶)制造的半導(dǎo)體襯底。太陽能-電力系統(tǒng)在過去十年間急劇地增長，并且就此對半導(dǎo)體晶圓的需求在過去十年間也增長了。盡管表達"太陽能-電力"在此使用，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將認識到本"i侖述適用于多種光生伏打材料、系統(tǒng)和現(xiàn)象。各種各樣的制造方法用于從硅原料制造半導(dǎo)體晶圓。例如，至少一些已知的在太陽能電池中使用的多晶硅晶圓通過在惰性氣氛中熔煉向其添加或已經(jīng)添加例如磷、硼、鎵和/或銻等的摻雜物的高純材料而制造。對得到的硅熔融物沉積并且冷卻以形成多晶晶錠。接著晶錠切成期望的晶圓尺寸。在另一個制造方法中，晶粒形硅層施加于帶或定位器上。硅隨著帶或定位器接著經(jīng)受熱序列以形成硅晶圓或硅片。該硅晶圓和/或硅片接著從帶或定位器上移除，然后通過鋸切(sawing)或劃線(scribing)形成尺寸。這樣的半導(dǎo)體晶圓的成本的重要部分是半導(dǎo)體原料自身。例如，在太陽能-電力系統(tǒng)的情況中，這樣的系統(tǒng)的使用的限制性因素是這樣的系統(tǒng)需要的半導(dǎo)體晶圓中的半導(dǎo)體材料的成本(具體地，硅的成本)。對于在生產(chǎn)半導(dǎo)體晶圓中使用，可獲得硅原料的不同純度。硅原料的純度由在硅原料中存在的雜質(zhì)(例如硼、磷、鐵、鈦和鎢等)水平?jīng)Q定。半導(dǎo)體晶圓的一些應(yīng)用，例如高功率電子器件，需要比其他應(yīng)用例如太陽能-電力系統(tǒng)更高等級的硅原料純度。因為硅原料的成本隨硅原料的純度增加而增加，太陽能-電力器件的使用可被硅的成本限制。
發(fā)明內(nèi)容在一個實施例中，說明制造半導(dǎo)體材料片的方法。該方法包括形成具有下表面和相對的上表面的第一硅粉層。該方法還包括在第一層的上表面上沉積第二硅粉層，其中第二硅粉層具有下表面和相對的上表面并且具有比第一硅粉層低的熔點。該方法還包括加熱至少第一和第二硅粉層中之一以使第一和第二硅粉層中之一的可控式熔化開始，并且冷卻至少第一和第二硅粉層中之一以使至少第一和第二硅粉層中之一的結(jié)晶化開始。在另一個實施例中，說明制造半導(dǎo)體晶圓的方法。該方法包括形成具有下表面和相對的上表面的第一硅粉層。該方法還包括在第一層的上表面上沉積第二硅粉層，其中第二硅粉層具有下表面和相對的上表面并且具有比第一硅粉層低的熔點。該方法還包括加熱至少第一和第二硅粉層中之一以使第一和第二硅粉層中之一的可控式熔化開始，并且冷卻至少第一和第二硅粉層中之一以使至少第一和第二硅粉層中之一的結(jié)晶化開始以形成硅片。該方法還包括切割硅片以形成至少一個半導(dǎo)體晶圓，其中至少一個半導(dǎo)體晶圓形成尺寸以便于在預(yù)定的應(yīng)用中使用。在另一個實施例中，說明具有下表面和相對的上表面的半導(dǎo)體材料片。該半導(dǎo)體材料片在下表面具有比所述片的任何其他部分高的金屬雜質(zhì)濃度。該半導(dǎo)體材料片通過工藝制造，該工藝包括形成具有下表面和相對的上表面的第一硅原料層；在第一層的上表面上沉積第二硅原料層，其中第二硅原料層包括硅粉和金屬雜質(zhì)并且具有比第一硅原料層低的熔點；加熱至少第一和第二硅原料層中之一以使至少第一和第二硅原料層中之一的可控式熔化開始；并且冷卻至少第一和第二硅原料層中之一以使至少第一和第二硅原料層中之一的結(jié)晶化開始。加熱和冷卻便于金屬雜質(zhì)朝第一硅原料層的下表面偏析(segregation)。圖l是可用于制造半導(dǎo)體片的示范性裝置的示意圖；圖2-6是在使用圖1中示出的裝置的制造的后續(xù)階段期間的硅片的橫截面圖。部件列表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>44底表面46上表面50熱能54厚度56第一結(jié)晶層具體實施例方式目前，硅是最常使用的半導(dǎo)體材料之一，也是在半導(dǎo)體晶圓的制造中使用的原料。因此，如這里使用的，術(shù)語"半導(dǎo)體"和"半導(dǎo)體材料，，是指基于硅的元件和硅材料。然而，如本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員容易意識到的，除硅材料之外的和/或包括非硅材料的其他半導(dǎo)體材料可以使用這里說明的裝置和方法制造。同樣，盡管對于在制造硅片中的使用這里只說明了硅粉原料的使用?；蛘?，可使用結(jié)晶硅原料而沒有偏離本發(fā)明。圖1是可用于制造硅片(沒有在圖1中示出)的示范性裝置10的示意圖。在該示范性實施例中，制造裝置10是包括多個區(qū)域的可控式氣氛熔爐，例如，上氣氛區(qū)域12和下氣氛區(qū)域14。區(qū)域12和14在如在下文中更加詳細說明的不同溫度條件下運作。制造裝置10還包括表面16,其在上氣氛區(qū)域12和下氣氛區(qū)域14之間延伸。表面16可是便于如這里說明的硅片的制造的平板、傳送帶、定位器(setter)、和/或任何其他部件。在示范性實施例中，使用者在制造裝置10內(nèi)放置至少一層硅粉，例如第一層18和/或第二層20。在備選實施例中，其中表面16是傳送帶，傳送帶經(jīng)過給料斗22的下方，該給料斗沉積期望量的硅粉與任何期望的添加物一起到傳送帶上以產(chǎn)生第一硅粉層18。第二給料斗24可用于發(fā)放附加的硅粉到傳送帶上以產(chǎn)生第二硅粉層20。在示范性實施例中，上氣氛區(qū)域12和下氣氛區(qū)域14各包括熱源(在圖l中沒有示出)。每個熱源向各相應(yīng)的氣氛區(qū)域12和14^是供熱能。可使用任何熱源，其使制造裝置10能夠起如這里說明的作用。在示范性實施例中，上氣氛區(qū)域12和下氣氛區(qū)域14各自還包括排熱器(在圖1中沒有示出)。排熱器便于從放置在區(qū)域12和14內(nèi)的物體上去除熱能。可包括任何排熱器，其使制造裝置10能夠起如這里i兌明的作用。優(yōu)選地在制造裝置10的內(nèi)部26維持惰性氣氛。具體地，如這里定義的，內(nèi)部26包括上氣氛區(qū)域12和下氣氛區(qū)域14。在示范性實施例中，制造裝置10的內(nèi)部26是充分地密封的以便于防止惰性材料從制造裝置10中漏出并且防止污染物進入。硅層18和12接著經(jīng)受熱處理。例如，上氣氛區(qū)域12和下氣氛區(qū)域14可以獨立地控制。這樣，每個硅層18和/或20可以經(jīng)受獨立(thermalprofile)。在示范性實施例中，下文說明的方法在制造裝置10內(nèi)實施以從硅原料制造硅片。兩個氣氛區(qū)域12和14便于對施加在硅層18和/或20的熱能進行4艮好的控制。在下文說明的某些階段，向硅層20的上表面施加比硅層18的下表面更多的熱能是有利的。在下文說明的其他階段，當(dāng)向硅層18的下表面施加熱能時從硅層20的上表面抽出熱能是有利的。制造裝置IO,并且更加具體地，兩個氣氛區(qū)域12和14結(jié)合表面16便于對向硅層18和/或20施加和移除熱能的控制。圖2-6是當(dāng)制造硅片28(在圖6中示出)時半導(dǎo)體材料例如硅原料在制造的后續(xù)階段的橫截面圖。更加具體地，圖2是不同的硅粉的多個層的示范性橫截面圖，例如第一層30和第二層32。在示范性實施例中，第一硅粉34的第一層30在表面16(在圖1中示出)上沉積。一旦沉積，第一層30包括底表面36和上表面38。第二硅粉42的第二層32接著在第一層上表面38上沉積。一旦沉積，第二層32包括底表面44禾p上表面46。在示范性實施例中，第一硅粉34和第二硅粉42是不同的。例如，改變第一粉末34和/或第二粉末42任一的熔點，使得每個粉末34和42的熔點是不同的。更加具體地，在示范性實施例中，第二粉末42的熔點通過雜質(zhì)(圖2中沒有示出)的添加而改變，例如，-f旦不限于，金屬材料。第二粉末42的熔點隨著在第二粉末42中鐵和/或銅的添加而下降。第二層32的與第一層相比的下降的熔點-便于改進對第一和第二層30和32的熔化和再結(jié)晶的控制。盡管制造裝置10便于可控式的應(yīng)用和熱能的移除，第一粉末34和第二粉末42的不同熔點減小了實施這里說明的方法所需要的溫度準(zhǔn)確度等級。具體地，在示范性實施例中，第二層32熔成液態(tài)并且在第一層30液化之前再結(jié)晶。也就是說，不同的熔點使制造者能夠優(yōu)先熔化并且固化多層硅粉中的一層即層32。在一個備選實施例中，層30和32中之一的熔點通過氧化硅粉改變。在另一個備選實施例中，層30和/或32中之一的熔點使用任何其他使片28(在圖6中示出)能夠如這里i兌明地制造的改變方法改變。圖3是第一層30和第二層32在制造的后續(xù)階段中的橫截面圖在其中施加熱能50。在示范性實施例中，第一和第二層30和32在制造裝置10(在圖1中示出)內(nèi)加熱和/或冷卻直到第二粉末42熔化成液體。具體地，在示范性實施例中，施加比施加到第一層30的底表面36的更大量的熱能50到第二層32的上表面46。第二粉末42的降低的熔點和施加到上表面46增加量的熱能的組合，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至少部分滲入第一層30。另外，一旦第二粉末42液化，添加到第二粉末42的雜質(zhì)朝底表面44和上表面38偏析。圖4是第一層30和第二層32在制造的后續(xù)階段中的橫截面圖在其中熱能50施加到底表面36并且從上表面46移除。具體地，在制造的這個階段，熱能50向上表面46的施加中斷，并且施加到底表面36的熱能50的量增加。隨著熱能50從上表面46排出，第二粉末42再結(jié)晶。再結(jié)晶的第二粉末42基本上沒有雜質(zhì)，因為雜質(zhì)朝底表面44和上表面38偏析。因為施加到底表面36的熱能50增加，第一粉末34開始熔化。因為第一粉末34熔化，液化硅粉42與第一粉末34混合。已經(jīng)滲入第一粉末34的上表面38的富雜質(zhì)的液化硅粉42幫助硅粉34的熔化。圖5是第一層30和第二層32在制造的后續(xù)階^:中的橫截面圖在其中結(jié)晶繼續(xù)。具體地，在制造的這個階段，熱能50繼續(xù)從上表面46排出，同時熱能50繼續(xù)施加到底表面36。第一粉末34在溫度提高到它的熔點后熔化成液體。熔化第一粉末34成為液體使之前在第二粉末42中存在的雜質(zhì)能夠朝底面36偏析。繼續(xù)從上表面46排出熱能50引起結(jié)晶從上表面46朝底面36發(fā)生。圖6是硅片28在制造的后續(xù)階段中的橫截面圖。具體地在制造的這個階段，對底表面36熱能的施加中斷并且從底表面36排出熱能開始。結(jié)晶從上表面46朝底表面36繼續(xù)，并且雜質(zhì)繼續(xù)朝底表面36偏析，在硅片28的底表面36留下高雜質(zhì)含量。在一個示例實施例中，底表面36具有多達20%和/或至少百萬分之(ppm)IOO的雜質(zhì)濃度。偏析到底表面36的雜質(zhì)對由使用上迷說明的方法制造的硅晶圓制成的太陽能電池的性能提供極少的或基本上沒有不利影響，只要第一結(jié)晶層56的厚度54與第一結(jié)晶層56的少數(shù)載流子擴散長度相比足夠大。在基本上與上文說明的雜質(zhì)如何朝底表面36偏析的說明類似的方法中，在第一粉末34和第二粉末42中存在的其他雜質(zhì)，例如但不限于硼、磷、鈦和鎢等，當(dāng)?shù)谝环勰?4和第二粉末42熔化并且如上文說明的再結(jié)晶時也朝底表面36偏析。上文說明的工藝和裝置通過在可控式氣氛熔爐中熔化沉積的硅層使硅片能夠從多層硅粉(被改變以具有稍微不同的熔點)制造。多層硅粉的不同的熔點便于對局部熔化的和一硅層在不同的硅層熔化之前的熔化與部分再結(jié)晶的增強控制。更加具體地，在示范性實施例中，具有較低熔點的硅粉層在具有較高熔點的硅粉層上鋪開。當(dāng)熱能從這些層的上面施加到硅粉層時，上層首先熔化，部分滲入底層，并且當(dāng)熱從層的上面排出時接著從頂部再結(jié)晶。當(dāng)上層熔化時，在該層中的雜質(zhì)朝晶圓的底部偏析并且上硅層從頂部結(jié)晶，留下上硅層基本上沒有雜質(zhì)。熱能然后從層的下面向?qū)邮┘印Ｏ鹿鑼?，包括它自身的雜質(zhì)和那些從上層偏析的雜質(zhì)，熔化成液體，其使雜質(zhì)能夠朝晶圓的底部偏析。因為熱能從這些層的上面移除，結(jié)晶從頂部向底部繼續(xù)，將雜質(zhì)進一步朝晶圓的底部偏析。通過在不同的制造階段熔化硅粉層，減少了由硅的高表面張力提出的限制，使得可從粉末層制造更薄的晶圓，其用別的方法也許是不可能的。在示范性實施例中，硅粉層最初從上面加熱，接著排熱并且從下面加熱。來自表面張力的影響通過在整個工藝中始終保持硅片的部分為固體而避免。同樣，用于改變上硅層的熔點的雜質(zhì)的存在幫助其他不需要的例如但不限于鈦、鎢和鉻等雜質(zhì)的偏析。這是非常有益的，因為帶有硼和磷含量的硅原料當(dāng)與基本上純的硅比較時更加容易獲得并且在成本上更低。上文說明的方法和裝置提供合算的和可靠的方法以便于薄硅片從低成本粉末硅原料的生產(chǎn)。雜質(zhì)的添加降低了一硅原料層的熔點。具有各具有不同熔點的多個硅層允許一硅層在其他硅層熔化之前熔化和部分再結(jié)晶。通過控制熱能的施加和移除，添加的雜質(zhì)與任何其他在硅原料中存在的雜質(zhì)朝硅片的底部偏析其中雜質(zhì)對由生產(chǎn)的硅片制成的太陽能電池的性能基本上沒有不利的影響。此外，由于雜質(zhì)朝硅片的底部偏析，留下的硅片的頂部基本上沒有雜質(zhì)。因此，基本上純的硅片以合算的方式制造。布的粉末層形成硅片的工藝和裝置的示范性實施例。工藝和裝置不限于在這里說明的具體的實施例，相反地，工藝的步驟和裝置的元件可從這里說明的其他步驟和元件獨立地和分別地使用。盡管本發(fā)明根據(jù)各種不同的具體的實施例說明，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將認識到本發(fā)明可以帶有在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的改動實施。權(quán)利要求1.一種制造半導(dǎo)體材料片的方法，所述方法包括形成具有下表面(36)和相對的上表面(38)的第一硅粉層(18，30)；在所述第一層的上表面上沉積第二硅粉層(20，32)，其中所述第二硅粉層具有下表面(44)和相對的上表面(46)并且具有比所述第一硅粉層低的熔點；加熱所述第一和第二硅粉層的至少其中之一以使所述第一和第二硅粉層的至少其中之一的可控式熔化開始；以及冷卻所述第一和第二硅粉層的至少其中之一以使所述第一和第二硅粉層的至少其中之一的結(jié)晶化開始。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中沉積第二硅粉層(20，32)還包括向所述第二硅粉層添力。雜質(zhì)以便于與所述第一硅粉層(18，30)相比降低所述第二硅粉層的熔點。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中向所述第二硅粉層(20，32)添力口雜質(zhì)包括向硅粉中添加鐵和銅的至少其中之一。4.如權(quán)利要求l所述的方法，其中加熱所述第一和第二層(18，20，30,32)的至少其中之一包括向所述第二硅粉層的上表面(46)施加熱以使所述第二硅粉層熔化。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中加熱所述第一和第二層(18，20,30，32)的至少其中之一還包括向所述第一硅粉層的下表面(36)施加熱使得在所述第一層的下表面的溫度比在所述第二層的上表面(46)的溫度低。6.如權(quán)利要求l所述的方法，還包括確定所述第二硅粉層(20，32)何時已經(jīng)液化。7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括在確定所述第二硅粉層已經(jīng)液化后中斷對所述第二硅粉層(20,32)的上表面(46)的加熱。8.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括在確定所述第二硅粉層(32)已經(jīng)液化后，增加施加到所述第一硅粉層(18,30)的下表面(36)的熱量。9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中冷卻所述第一和第二層(30，32)的至少其中之一包括在確定所述第二硅粉層已經(jīng)熔化后，從所述第二硅粉層的上表面(46)排出熱以使所述第二硅粉層的至少一部分的結(jié)晶開始。10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中排出熱包括對所述第二層(32)的上表面(46)和所述第一層(18,30)的下表面(36)的至少其中之一應(yīng)用排熱器。全文摘要提供半導(dǎo)體片和制造其的方法。提供制造半導(dǎo)體材料片的方法。該方法包括形成具有下表面(36)和相對的上表面(38)的第一硅粉層(18，30)。該方法還包括在第一層的上表面上沉積第二硅粉層(20，32)，其中第二硅粉層具有下表面和相對的上表面(46)并且具有比第一硅粉層低的熔點。該方法還包括加熱至少第一和第二硅粉層中之一以使至少第一和第二硅粉層中之一的可控式熔化開始，以及冷卻至少第一和第二硅粉層中之一以使至少第一和第二硅粉層中之一的結(jié)晶化開始。文檔編號C30B28/00GK101575732SQ200910141010公開日2009年11月11日申請日期2009年5月8日優(yōu)先權(quán)日2008年5月8日發(fā)明者J·蘭德,R·榮奇克申請人:通用電氣公司