半导体材料片材、用于形成它的系统和方法
【专利说明】半导体材料片材、用于形成它的系统和方法
[0001] 相关申请交叉参考
[0002] 本申请根据35U.S.C. §120,要求2013年3月15日提交的美国申请系列号 13/841，995的优先权，并根据35U.S.C. § 119,要求2012年10月9号提交的美国临时申请 系列的号61/711，506的优先权，本文以该申请为基础并将其全文通过引用结合于此。
【背景技术】
[0003] 本发明涉及用于形成半导体材料片材的系统，使用该系统形成半导体材料片材 的方法，和使用该方法形成的半导体材料片材。
[0004] 半导体材料用于各种应用，并可结合进入例如电子设备例如光伏设备。半导体材 料的性质可取决于各种因素，包括晶体结构、本生缺陷的浓度和种类，是否存在掺杂剂和其 他杂质，以及它们的分布。在半导体材料中，例如粒度和粒度分布会对制得的器件的性能造 成影响。一种半导体材料是硅，其可通过各种技术来形成，例如作为锭、片材或带。硅可通 过下面的基片来支持或不支撑。
[0005] 小的半导体材料片材可通过各种间歇方法来制备。形成这种小片材的一种间歇方 法称为外浇铸法（exocasting)，其中把具有能放入坩锅的小形状的模具浸入设置在坩锅中 的半导体材料熔体。然后，把模具从半导体材料熔体取出，并在模具的表面上形成小的片 材，其随后可取下和提纯或以其它方式利用。但是，用这种常规方法形成的半导体材料片 材基于所用模具的尺寸受限于大小，因此为了获得大量的小半导体材料片材，这种常规方 法可为特别耗时的。此外，这种常规方法是间歇过程，这进一步限制了半导体材料片材的 生产速率。
[0006] 概述
[0007] 本发明提供使用一系统形成半导体材料片材的方法。所述系统包括第一凸面元 件，其沿着第一轴线延伸且能绕着第一轴线旋转。所述系统还包括与第一凸面元件隔开的 第二凸面元件，其沿着第二轴线延伸且能绕着第二轴线旋转。第一和第二轴线基本上相互 平行，且第一和第二凸面元件限定了在它们之间的辊隙（nip gap)。所述方法包括在第一凸 面元件和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上施加半导体材料熔体以在第一凸面元 件和第二凸面元件中的至少一个的外部表面上形成沉淀物。所述方法还包括以相互相对的 方向分别绕着第一和第二轴线旋转第一和第二凸面元件，以允许沉淀物穿过辊隙，由此形 成半导体材料片材。
[0008] 此外，本发明提供用于使用所述方法形成半导体材料片材的系统。最后，本发明提 供使用所述方法形成的半导体材料片材。
[0009] 附图简要说明
[0010] 在下面的详细描述中将结合附图描述其它优势和方面，其中：
[0011] 图1是用于形成半导体材料片材的系统的一种实施方式的示意性横截面视图；
[0012] 图2是用于形成半导体材料片材的系统的另一种实施方式的示意性横截面视图；
[0013] 图3是图2的实施方式的示意性透视图；和
[0014] 图4是用于形成半导体材料片材的系统的另一种实施方式的透视图。
[0015] 发明详细描述
[0016] 本发明提供使用系统形成半导体材料片材的方法。此外，本发明提供用于根据方 法形成半导体材料片材的系统10。最后，本发明提供使用系统10和方法形成的半导体材料 片材。通过方法和系统10形成的半导体材料片材特别适用于电子应用和组件，例如微处理 器和光伏电池模块。
[0017] 利用系统10来从半导体材料熔体形成半导体材料片材。用于形成半导体材料片 材的系统10包括第一凸面元件10,其沿着第一轴线14延伸且能绕着第一轴线14旋转。系 统10还包括与第一凸面元件12隔开的第二凸面元件16,其沿着第二轴线18延伸且能绕着 第二轴线18旋转。第一和第二凸面元件12, 16限定了在它们之间的辊隙20。在各种实施 方式中，大部分因为第一和第二凸面元件中的至少一个和环境的热损失，至少一部分的半 导体材料熔体经历液固相转变，这导致在第一和第二凸面元件12, 16中的至少一个的外部 表面上形成半导体材料沉淀物。在系统10中，第一和第二凸面元件12, 16中的至少一个 用作散热器和用于发生固化的固体模型（form)或模具。如下参考方法所述，当沉淀物穿过 辊隙20时，形成半导体材料片材。
[0018] 系统10的第一和第二凸面元件12, 16具有总体上凸面形状。第一和第二元件 12, 16各自的外部表面具有总体上凸面形状。第一和第二凸面元件12, 16无需在它们各自 的全部外部表面呈现总体上凸面形状。例如，第一和第二凸面元件12, 16可独立地是圆柱 的、部分圆柱的、椭圆、的部分椭圆的、部分球形的，或者包括弧形部分来提供凸面形状的任 意形状。第一和/或第二凸面元件12, 16具有周界，可为总体上矩形的，其中大于0度到小 于360度的周界即外部表面包括弧形部分来呈现凸面形状。就尺寸、形状和/或材料而言， 第一和第二凸面元件12, 16可相互相同或不同。
[0019] 第一和第二凸面元件12, 16的各第一和第二轴线14, 18是基本上相互平行的。具 体来说，用"基本上平行，"指第一和第二轴线14, 18基本上在相同水平面，以及相交时第 一和第二轴线14, 18形成小于5度，或者小于4度，或者小于3度，或者小于2度，或者 小于1度的锐角（如果有的话）。取决于水平面的视角，水平面可为倾斜的。
[0020] 第一和第二凸面元件12, 16通常各自沿着第一和第二轴线14, 18分别具有基本 上均匀和连续的横截面。参考第一和第二凸面元件12, 16的横截面时，本文所使用的术语 "基本上均匀和连续"指横截面变化小于30%，或者小于20%，或者小于10%，或者小于 5%，或者小于2%，或者小于1%。此外，第一和第二凸面元件12, 16总体上包括基本上 类似形状，从而在第一和第二凸面元件12, 16之间限定的辊隙20相对于辊隙20的中心轴 线是对称的。但是，第一和第二凸面元件12, 16可具有互补的形状，它们不基本上均匀和 连续。例如，第一和第二凸面元件12, 16可具有互补的锥形状。
[0021] 在一些实施方式中，第一凸面元件12包括第一圆柱辊筒，以及第二凸面元件16 包括第二圆柱辊筒。
[0022] 第一和第二凸面元件12, 16可为实心的、中空的和/或它们的组合。例如，当第一 和第二凸面元件12, 16是第一和第二圆柱辊筒时，第一和第二圆柱辊筒可具有中空内部， 从而第一和圆柱辊筒具有管形状或者第一和第二圆柱辊筒可为实心。
[0023] 第一和第二凸面元件12, 16可包括相同或不同材料。此外，第一和第二凸面元件 12, 16可各自独立地包括连续的材料或者不同材料的组合。第一和第二凸面元件12, 16总 体上包括与半导体材料熔体兼容的材料。例如，如果该材料不因接触半导体材料熔体或暴 露于半导体材料熔体的热量而熔融或软化，则第一和第二凸面元件12, 16的材料是与半导 体材料熔体兼容的。还例如，第一和第二凸面元件12, 16的材料可对半导体材料熔体是热 稳定的和/或化学惰性的，因此与半导体材料熔体是非反应性的或基本上非反应性的。
[0024] 适用于第一和第二凸面元件12, 16的材料的具体示例包括耐火材料例如熔融石 英、石墨、碳化硅、玻璃碳、类金刚石碳、氮化硅、单晶或多晶硅，以及这些材料的组合和复 合材料。在一些实施方式中，第一和第二凸面元件12, 16的材料是玻璃体氧化硅。当第一 和/或第二凸面元件包括材料的组合时，至少一部分的第一和/或第二凸面元件包括至少 一种上述耐火材料。在这种实施方式中，第一和/或第二凸面元件的外部表面包括这些耐 火材料中的至少一种。或者，只有部分的第一和/或第二凸面元件的外部表面包括这些耐 火材料中的至少一种。当第一和/或第二凸面元件的外部表面包括小于360度第一和/或 第二凸面元件周界的弧形部分时，该弧形部分包括这些耐火材料中的至少一种。这种弧形 部分可全部或部分地包括这些耐火材料中的至少一种。第一和第二凸面元件12, 16的耐火 材料用于接触半导体材料熔体。
[0025] 当第一和/或第二凸面元件包括材料的组合时，第一和第二凸面元件12, 16可包 括适于支撑耐火材料的材料。例如，耐火材料可与金属、合金、陶瓷、塑料和它们的复合材 料和/或组合一起使用。当在第一和/或第二凸面元件中使用这种组合时，其中第一和/ 或第二凸面元件中的耐火材料的相对厚度是第一和第二凸面元件12, 16和半导体材料熔 体之间所需的传热动力学的因子。为此，不同的耐火材料具有不同的比热容，因此第一和第 二凸面元件12, 16中耐火材料的相对厚度也是所用特定耐火材料的因子。作为一个具体示 例，当第一和第二凸面元件12, 16包括玻璃态氧化硅时，第一和第二凸面元件12, 16中耐 火材料的相对厚度通常是至少约250微米（y m)。或者，当第一和第二凸面元件12, 16包 括碳化硅时，第一和第二凸面元件12, 16中耐火材料的相对厚度通常是至少约170微米 (ym)，因为碳化硅的比热容比玻璃态氧化硅的大得多。
[0026] 第一和第二凸面元件12, 16中耐火材料可为整体件或晶片的形式。此外，第一和 第二凸面元件12, 16的耐火材料可包括多孔或非多孔体，任选的包括一种或更多种多孔或 非多孔涂层。第一和第二凸面元件12, 16的耐火材料可通过下述特征来表征：包括形状、大 小、表面积、表面粗糙度等。这些特征中的一个或多个可为均匀或非均匀的。例如，耐火材 料可具有特定的表