[发明专利]在熔体的表面上达成持续的非等向性晶体成长的方法

说明书

陈述如联邦政府资助的研究或发展

美国政府具有在本发明中已付的许可以及在所限范围的权利，以要求专利权人依据美国能源部给予的合约号DE-EE0000595提供合理的项目许可给其他人。

技术领域

本发明属于一种制作基板的领域，尤其是涉及一种自熔体表面上的带材移除热的系统、方法与结构。

背景技术

硅晶片或板材可用于例如集成电路或太阳能电池行业中。随着对再生能源的需求提高，对太阳能电池的需求也持续提高。随着这些需求提高，太阳能电池行业的一个目标为降低成本/功率比。存在两种类型的太阳能电池：硅(silicon)与薄膜(thin film)。大部分太阳能电池是利用硅晶片(诸如单晶硅晶片)制得。目前，晶态硅太阳能电池的主要成本在于制造太阳能电池可用的晶片。太阳能电池的效率或在标准照明下所产生的功率量部分地受到所述晶片的质量限制。在不降低质量的情况下，晶片制造成本的任何降低均将降低成本/功率比，且能够使清洁能源技术得到更广泛的使用。

最高效率硅太阳能电池可具有大于20％的效率。这些太阳能电池是使用电子级单晶硅晶片制造。所述晶片可藉由将使用柴氏拉晶法(Czochralski method)生长的单晶硅圆柱形晶块切割成薄片来制造。这些薄片的厚度可小于200μm。随着太阳能电池变薄，每次切割的硅废料百分比提高。然而，切锭技术(ingot slicing technology)本身的限制可能阻碍获得较薄太阳能电池的能力。

制作用于太阳能电池的晶片的另一种方法为从熔体垂直拉起薄硅带，接着使拉起的硅冷却且固化成薄片。所述方法的拉取速率可能限于小于约18mm/分钟。在硅冷却及固化期间所移离的热必须沿垂直硅带移离。由此沿硅带产生较大温度梯度。所述温度梯度对晶态硅带产生应力，且会产生不良质量的多晶粒硅。硅带的宽度及厚度亦可能因所述温度梯度而受限制。

藉由分离熔体垂直制作板材(或硅带)相较于硅晶切锭更为便宜。早期尝试水平带材生长(horizontal ribbon growth，HRG)需要通过使用氦气(helium)对流气体冷却，以达到拉起带材所需的连续表面生长。这些早期尝试的方法尚未达到制作可靠且快速地拉宽带材为均匀厚度的目标(即生产价值)。鉴于上述，可以理解需要一种改良的装置及方法，以从熔体制作水平成长的硅板材。

发明内容

将于下面以简化形式描述本发明内容的概念选择，并于详细描述中作更进一步的描述。本发明内容并不意在识别所主张的目标物的关键特征或基本特征，也不是在协助确定所主张的目标物的范围。

在一实施例中，自熔体水平带材生长的方法包括利用辐射冷却熔体的表面，以形成带材的前侧边缘。此方法亦包括于第一方向沿着熔体的表面拉前侧边缘，以及以热移离速率移离自熔体辐射的热，所述热大于流经熔体至带材内的热。

在另一实施例中，自熔体形成第一材料带材的方法包括提供结晶种子于熔体中。此方法还包括提供流经熔体的热q_y″，热q_y″超出熔体的结晶过程中溶质分离造成的组成不稳定区间(constitutional instability regime)；设定邻近熔体的表面的一低温板材的温度T_c低于第一材料的熔化温度T_m，以致于来自熔体的表面的辐射热流q″_{辐射-液态}大于流经熔体的热流q_y″；以及沿着垂直于低温板材的长轴的路径拉结晶种子。

附图说明

图1显示一种水平带材成长的情况。

图2呈现一种不同热流条件计算的硅生长行为的图形化描述。

图3显示一种符合本实施例进一步详述由熔体生长硅的生长区间的图示。

图4显示一种晶态硅种子位于硅熔体的表面区域的情况。

图5概略显示一种硅生长的情况。

图6显示一种符合本实施例的硅种子启动各向异性晶体生长的概略示意图。

图7a与图7b显示一种模拟硅生长的示意图，其中低温板材配置在硅熔体上。

图8a与图8b显示进一步仿真硅生长的示意图。

图9a至9d显示一种符合本实施例的用于控制硅带宽度的流程。

具体实施方式