專利名稱：通過受控的過度冷卻制造半導(dǎo)體材料的非支承的制品的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及通過受控的過度冷卻制造非支承的半導(dǎo)體材料的制品的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體材料在許多應(yīng)用中有用武之地。例如，半導(dǎo)體材料可以用于形成在半導(dǎo)體晶片上的處理器等電子器件中。再例如，半導(dǎo)體材料還用于借助光伏效應(yīng)將太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能。半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體特性取決于材料的晶體結(jié)構(gòu)。特別需要注意的是，半導(dǎo)體材料晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷點(diǎn)會減少材料的半導(dǎo)體特性。顆粒尺寸和形狀分布經(jīng)常對半導(dǎo)體裝置的性能具有很重要的意義，在這些半導(dǎo)體裝置中，經(jīng)常需要更大的更均勻的顆粒尺寸。例如，可以通過增大顆粒尺寸以及顆粒的均一性，改進(jìn)光伏電池的電導(dǎo)性和效率。對于硅基太陽能光伏電池，硅可以例如形成非支承的片，或者可以在基材上形成硅而被支承。用來制造非支承的和支承的半導(dǎo)體材料制品(例如硅片)的常規(guī)方法存在一些缺陷。一些制造非支承的(即沒有整體化基材)的半導(dǎo)體材料薄片的方法可能是很慢的， 或者會對半導(dǎo)體材料原料造成浪費(fèi)。用來制造非支承的單晶半導(dǎo)體材料的方法包括例如Czochralski法，在將所述半導(dǎo)體材料切片或切割成薄片或晶片的時候，該方法可能會導(dǎo)致顯著的切口損失。用來制造非支承的多晶半導(dǎo)體材料的方法包括例如電磁澆鑄和帶生長技術(shù)，這些方法可能是很慢的，對于多晶硅帶生長技術(shù)，每分鐘制造大約1-2厘米。另一種制造非支承的多晶半導(dǎo)體材料的方法參見2008年2月四日提交的美國臨時專利申請61/067679，題為“METHOD OF MAKING AN UNSUPPORTED ARTICLE OF A PURE OR DOPED SEMICONDUCTING ELEMENT OR ALLOY (制造純或摻雜的半導(dǎo)體材料或合金的的非支承的制品的方法)”，該申請的內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。可以以比較廉價的方式制造支承的半導(dǎo)體材料，但是，半導(dǎo)體薄片對在其上制造該半導(dǎo)體材料的基材存在限制，所述基材必須滿足各種工藝要求和應(yīng)用要求，這可能造成影響。因此，長久以來，在工業(yè)中需要一種用來制造非支承的半導(dǎo)體材料制品的方法，所述方法可以改進(jìn)所述半導(dǎo)體材料制品的晶粒結(jié)構(gòu)，減少材料浪費(fèi)，以及/或者提高生產(chǎn)率。發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明各種示例性實(shí)施方式，提供了一種制造半導(dǎo)體材料的非支承制品的方法，所述方法包括在溫度Ttl提供模具，在體相溫度提供熔融半導(dǎo)體材料，其中 ^ T0,將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡至少一次，浸泡第一段時間，所述第一段時間浸泡足以在所述模具的外表面上形成半導(dǎo)體材料的固體層，并使得形成的半導(dǎo)體材料的固體層完全重新熔融，將所述模具從所述熔融半導(dǎo)體材料撤回，將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料上方保持一段時間，此段時間足以使得模具以預(yù)定程度過度冷卻，將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第二段時間，所述第二段時間足以在所述模具的外表面上形成半導(dǎo)體材料的固體層，將外表面上具有半導(dǎo)體材料的固體層的模具撤回，將所述半導(dǎo)體材料的固體層與所述模具分離，形成非支承的半導(dǎo)體材料的制品。其它的示例性實(shí)施方式涉及制造半導(dǎo)體材料的制品的方法，所述方法包括在溫度 T0提供模具，所述模具包括表面，該表面包含主要材料以及位于離散位置的至少一種次要材料，所述次要材料與熔融半導(dǎo)體材料的接觸角小于所述主要材料與熔融半導(dǎo)體材料的接觸角，在體相溫度提供所述熔融半導(dǎo)體材料，其中Ttl，將所述模具浸泡在所述熔融半導(dǎo)體材料中至少一次，浸泡第一段時間，所述第一段時間足以在所述模具的表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層，并使得所述形成的半導(dǎo)體材料的固體層完全重新熔融，將所述模具從所述熔融半導(dǎo)體材料撤回，使得所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料上方保持一段時間，該段保持時間足以使得所述模具以預(yù)定的程度過度冷卻，將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第二段時間，所述第二段時間足以在所述模具的表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層，將外表面上具有半導(dǎo)體材料的固體層的模具撤回，將所述半導(dǎo)體材料的固體層與所述模具分離，形成非支承的半導(dǎo)體材料的制品。本發(fā)明的示例性的實(shí)施方式還涉及通過包括以下步驟的方法形成的半導(dǎo)體材料的制品在溫度Ttl提供模具，在體相溫度提供熔融半導(dǎo)體材料，其中Ttl，將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第一段時間，所述第一段時間浸泡足以在所述模具的外表面上形成半導(dǎo)體材料的固體層，并使得形成的半導(dǎo)體材料的固體層完全重新熔融，將所述模具從所述熔融半導(dǎo)體材料撤回，將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料上方保持一段時間，此段時間足以使得模具以預(yù)定程度過度冷卻，將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第二段時間，所述第二段時間足以在所述模具的外表面上形成半導(dǎo)體材料的固體層，將外表面上具有半導(dǎo)體材料的固體層的模具撤回，將所述半導(dǎo)體材料的固體層與所述模具分離，形成非支承的半導(dǎo)體材料的制品。在至少一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的方法可以改進(jìn)所述半導(dǎo)體材料的晶粒結(jié)構(gòu)，減少材料浪費(fèi)，以及/或者提高半導(dǎo)體材料制品的生產(chǎn)率。在本文中，術(shù)語“半導(dǎo)體材料”包括具有半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，例如硅、鍺、錫、砷化鎵、以及它們的合金、化合物和混合物。在各種實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體材料可以是純的 (例如本征硅或i_型硅)或摻雜的(例如包含η型(例如磷)或ρ型(例如硼)摻雜劑的硅)。在本文中，術(shù)語“半導(dǎo)體材料的制品”包括使用本發(fā)明的方法制備的任意形狀或形式的半導(dǎo)體材料。這些制品的例子包括平滑或織構(gòu)化的制品；平坦、彎曲、曲折或者有角度的制品；以及對稱的或不對稱的制品。半導(dǎo)體材料的制品可以包括例如片材或管材。在本文中，術(shù)語“非支承的”表示半導(dǎo)體材料的制品沒有與模具一體化。所述非支承的制品可以在形成的同時松散地連接于所述模具，但是所述半導(dǎo)體材料的制品在模具上形成之后，從模具分離。但是非支承的制品可以隨后施加于基材上，用于各種應(yīng)用，例如光伏應(yīng)用。在本文中，術(shù)語“模具”表示能夠影響半導(dǎo)體材料制品的最終形狀的物理結(jié)構(gòu)。熔融的或固體化的半導(dǎo)體材料不需要在本文所述的方法中與模具的表面發(fā)生實(shí)際的物理接觸，但是也可以在所述模具和熔融或固化的半導(dǎo)體材料的表面之間發(fā)生接觸。在本文中，術(shù)語“模具的外表面”表示模具的表面可以在浸泡的時候接觸熔融半導(dǎo)體材料。例如，如果在模具浸泡的時候，模具的內(nèi)表面能夠與熔融半導(dǎo)體材料接觸的話，所述管狀模具的內(nèi)表面可以是外表面。在本文中，表達(dá)“在模具的外表面上形成半導(dǎo)體材料的固體層”及其各種變體表示來自熔融半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料在所述模具的外表面上或者外表面附近固化(在本文也稱作凝固或結(jié)晶化)。在一些實(shí)施方式中，在模具的外表面上形成半導(dǎo)體材料的固體層的步驟可以包括在涂覆于模具外表面的顆粒層上使得半導(dǎo)體材料固化。在各種實(shí)施方式中， 由于模具和熔融半導(dǎo)體材料之間的溫差，在所述半導(dǎo)體材料與模具表面物理接觸之前，該半導(dǎo)體材料發(fā)生固化。當(dāng)半導(dǎo)體材料在與模具物理接觸之前發(fā)生固化的時候，在一些實(shí)施方式中，固化的半導(dǎo)體材料可以隨后與模具物理接觸，或者與涂覆模具的顆粒物理接觸。在一些實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體材料可以在與模具的外表面物理接觸之后發(fā)生固化，或者在與模具表面的顆粒(如果存在的話)接觸之后發(fā)生固化。在本文中，表達(dá)“模板化的模具”表示具有以下特征的模具該模具的表面包含主要材料以及與熔融半導(dǎo)體材料接觸的至少一種次要材料的離散位置。所述主要材料和至少一種次要材料可以與所述熔融半導(dǎo)體材料具有不同的接觸角，因此與熔融半導(dǎo)體材料具有不同的成核性質(zhì)。例如，模板化的模具可以包含主要材料和至少一種次要材料，所述主要材料與所述熔融半導(dǎo)體材料具有高接觸角，所述至少一種次要材料與所述熔融半導(dǎo)體材料具有較低的接觸角。本發(fā)明的模板化的模具還可以包括至少一種次要材料在模具表面上的任意設(shè)置，例如在主要材料表面上的包含所述至少一種次要材料的點(diǎn)的各種圖案。在本文中，術(shù)語“增大的生產(chǎn)速率”及其各種變體包括與用來制造半導(dǎo)體材料的常規(guī)方法，例如帶生長法相比，半導(dǎo)體材料制品生產(chǎn)速率的任意增大。例如，生產(chǎn)速率的增大可以是約大于1-2厘米/分鐘的任意速率。在本文中，表達(dá)“減少材料浪費(fèi)”及其變體表示在制造半導(dǎo)體材料的制品之后，采用切片或切割的常規(guī)方法造成的半導(dǎo)體材料損失量的任何減少。在本發(fā)明中，術(shù)語“晶體”是指包含晶體結(jié)構(gòu)的任何材料，包括例如單晶和多晶材料在內(nèi)。在本發(fā)明中，“多晶”包括由多個晶粒組成的任何材料。例如，多晶材料包括多晶體材料、微晶材料和納米晶體材料。在本文中，術(shù)語“晶粒結(jié)構(gòu)”包括顆粒尺寸、顆粒形狀、顆粒尺寸的均一性、顆粒形狀的均一性以及/或者顆粒方向的均一性。晶粒結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可以包括例如顆粒尺寸或顆粒尺寸均一性和/或形狀均一性的增大，以及/或者與用來制造半導(dǎo)體材料的常規(guī)方法相比， 半導(dǎo)體材料的制品可能發(fā)生的后加工的量的減少。在本文中，術(shù)語“過度冷卻”表示一種工藝，在此工藝中，熔融半導(dǎo)體材料和模具之間產(chǎn)生的溫差會導(dǎo)致熔融半導(dǎo)體材料固化(在本文也稱作凝固)，過度冷卻的程度可以用開氏溫度(K)或攝氏溫度(°C )。術(shù)語“受控的過度冷卻”表示可以通過本發(fā)明的方法控制的設(shè)定或預(yù)定量的過度冷卻。在本文中，術(shù)語“成核速率”表示新的晶種形成的速率，可以用每單位面積的晶種
數(shù)測量。在本文中，術(shù)語“等軸生長”表示以隨機(jī)的取向形成許多小顆粒。等軸生長可以例如在結(jié)晶化工藝開始的時候發(fā)生，例如當(dāng)模具最初浸泡在熔融半導(dǎo)體材料中的時候。等軸生長可以相對于模具表面沿大體平面的方向發(fā)生。在本文中，術(shù)語“柱狀生長”表示晶體沿著垂直于模具表面的方向的生長，使得平行于生長方向的晶體尺度大于垂直于生長方向的晶體尺度。在本發(fā)明中，術(shù)語“熔融半導(dǎo)體材料的溫度”、“熔融半導(dǎo)體材料的體相溫度”以及它們的變體表示容納在合適的容器內(nèi)的熔融半導(dǎo)體材料的平均溫度。熔融半導(dǎo)體材料內(nèi)的局部溫度可以在任意時間點(diǎn)變化，例如當(dāng)將模具浸泡的時候，與模具緊鄰的熔融半導(dǎo)體材料的區(qū)域，或者在容器頂表面處處于環(huán)境條件的熔融半導(dǎo)體材料。在各種實(shí)施方式中，盡管有一些局部溫度變化，但是熔融半導(dǎo)體材料的平均溫度是基本均一的。如本文所述，本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體材料的制品的方法，以及由此形成的半導(dǎo)體材料制品。在以下說明中，特定的方面和實(shí)施方式將變明顯。應(yīng)當(dāng)理解，就最廣義而言，本發(fā)明可以在沒有這些方面和實(shí)施方式中的一個或多個特征的情況下實(shí)施。應(yīng)當(dāng)理解，這些方面和實(shí)施方式僅僅是示例性和說明性的，并非意在限制權(quán)利要求書中的發(fā)明。附圖簡要說明在下文加以描述且包括在說明書中并構(gòu)成說明書的一個組成部分的以下附圖，圖示了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，但是不應(yīng)認(rèn)為它們限制了本發(fā)明的范圍，因?yàn)楸景l(fā)明還包括其它同等有效的實(shí)施方式。為了清楚和簡明起見，附圖不一定按比例繪制，附圖的某些特征和某些視圖可能按比例放大顯示或以示意性方式顯示。

圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施方式制造非支承的半導(dǎo)體材料的制品的示例性方法的示意圖；圖2顯示形成的硅制品的厚度隨著在熔融硅中的浸泡時間變化關(guān)系的代表性計(jì)算曲線圖；圖3是將模具從熔融半導(dǎo)體材料浴中取出之后，計(jì)算和測得的模具溫度隨時間變化關(guān)系圖；圖4是在不同表面厚度條件下，將模具從熔體中取出后保持在熔體上方時，冷卻模具所需的時間隨著模具所需過度冷卻的變化關(guān)系圖；圖5顯示在不同水平的過度冷卻以及不同水平的基材厚度條件下，硅制品計(jì)算的厚度隨浸泡時間變化關(guān)系圖；圖6是模板化模具的示意圖；圖7顯示硅均相成核、在熔凝石英上的非均相成核、以及在碳化硅上的非均相成核的計(jì)算的成核速率隨著過度冷卻變化關(guān)系圖；圖8是模具浸泡在熔融的半導(dǎo)體材料中的時候，示例性的浸泡角度的示意圖。發(fā)明詳述應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都只是示例和說明性的，不構(gòu)成對要求保護(hù)的本發(fā)明的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過研究說明書和實(shí)施本文所述的本發(fā)明將會明顯看出本發(fā)明的其它實(shí)施方式。本發(fā)明人的意圖是，本說明書被認(rèn)為是示例性的。圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的至少一個實(shí)施方式制造半導(dǎo)體材料的非支承制品的示例性方法的示意圖。該示例性的方法是一種外鑄法，該方法在模具的外表面上澆鑄制品，而不是在模具內(nèi)腔內(nèi)澆鑄制品。提供了模具100，該模具100具有外表面102，該外表面102 具有所需的尺寸(表面積)，形狀以及表面織構(gòu)/圖案。所述模具100的外表面102的表面積、形狀和表面織構(gòu)/圖案可以決定澆鑄制品的尺寸、形狀和表面織構(gòu)/圖案。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠認(rèn)識到，可以基于例如鑄造制品所需的性質(zhì)和特征對模具100的外表面102 的尺寸、形狀以及表面織構(gòu)/圖案進(jìn)行選擇?？梢酝ㄟ^在容器106中熔化硅來提供熔融半導(dǎo)體材料104，例如硅，所述容器106 是例如坩鍋，該坩鍋可以任選地不具有與硅之間的活性。在至少一個實(shí)施方式中，熔融半導(dǎo)體材料104可以具有低的污染物含量。例如，熔融半導(dǎo)體材料104可以包含約小于Ippm的鐵、錳和鉻，以及約小于Ippb的釩、鈦和鋯。熔融半導(dǎo)體材料104還可以包含約小于IO15個氮原子/厘米3以及/或者IO17個碳原子/厘米3。在至少一個實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體材料源可以是光伏級硅，或更純的硅。在一個示例性實(shí)施方式中，可以使用任意合適的加熱裝置或方法，在低氧氣氣氛或還原性氣氛中，將熔融半導(dǎo)體材料104加熱至體相溫度1 #。還可以使用任何合適的加熱裝置或方法將熔融半導(dǎo)體材料的體相溫度1 #保持在該溫度。合適的加熱裝置和方法包括加熱元件，例如電阻加熱元件或感應(yīng)加熱元件，以及火焰加熱源。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解，可以基于一些因素對加熱源進(jìn)行選擇，例如容納熔融半導(dǎo)體材料的容器的容量，容器的尺寸/厚度，以及/或者圍繞容器的氣氛。在至少一個實(shí)施方式中，所述熔融半導(dǎo)體材料的體相溫度可以是半導(dǎo)體材料的熔融溫度，或者可以是更高的溫度。在半導(dǎo)體材料包括硅的一個示例性實(shí)施方式中，所述熔融硅的體相溫度可以約為1414-1550°C，例如約為1450-1490°C。在本發(fā)明的至少一個實(shí)施方式中，可以在低氧氣氣氛或還原性氣氛中，在起始溫度Ttl(即t = 0時刻的Tsa)提供模具100。在至少一些實(shí)施方式中，可以對模具的起始溫度Ttl進(jìn)行選擇，使得Ttl ^ 1 #。根據(jù)本發(fā)明的至少一個實(shí)施方式，在將模具100浸泡在熔融半導(dǎo)體材料104之前，不對模具100進(jìn)行預(yù)熱。在本發(fā)明的至少一個實(shí)施方式中，僅僅通過熔融半導(dǎo)體材料104以及容器106外的氣氛來改變模具100的溫度，也即是說，沒有通過任何加熱裝置或冷卻裝置對模具100的溫度進(jìn)行直接調(diào)節(jié)。根據(jù)至少一個實(shí)施方式，模具100可以在熔融半導(dǎo)體材料中浸泡至少兩次。根據(jù)至少一個實(shí)施方式，所述模具100浸泡至少一次，浸泡足夠的時間，使得模具100能夠?qū)⑴c模具100的外表面緊鄰的熔融材料的溫度降至所述半導(dǎo)體材料104的凝固點(diǎn)，從熔融半導(dǎo)體材料104除去足夠的熱量，使得至少一部分半導(dǎo)體材料凝固。所述模具100可以在熔融半導(dǎo)體材料104中保持浸泡足夠的時間，使得凝固的半導(dǎo)體材料重新熔融，所述模具100達(dá)到一種溫度，使得模具的溫度1 胃可以與熔融半導(dǎo)體材料的溫度平衡(即Tsa= Τ 體)。所述模具100的浸泡可以任選地再重復(fù)幾次，使得模具100與熔融半導(dǎo)體材料104熱平衡。本領(lǐng)域技術(shù)人員有能力根據(jù)一些變量決定所述足以使得半導(dǎo)體材料凝固/固化以及重新熔融的時間段，這些變量包括例如半導(dǎo)體材料、模具包含的材料、過度冷卻程度以及模具的厚度。例如，對于厚度約為2毫米的模具，發(fā)生凝固的時間可以最高達(dá)大約5秒， 例如約3秒。例如，對于厚度約為2毫米的模具，發(fā)生重新熔融的時間可以最高達(dá)大約60 秒，例如約40秒。 圖2顯示在凝固-重新熔融過程中，形成的硅制品的厚度隨著在熔融硅中的浸泡時間變化關(guān)系的代表性計(jì)算曲線圖。從圖2可以看到，固化層的厚度先快速增大，然后緩慢減小到零?？梢允褂肕efan條件(公式1)計(jì)算垂直于模具100表面的固_液界面的生長瞬時速率。
JT Ks
3c
-Kl^
s ^c
=Vi PisA 公式 1
L式中Ks和&分別表示固相和液相的熱導(dǎo)率，Vi是瞬時界面速率，P s是固體的密度，T是溫度，χ是垂直于固-液界面的位置，λ是熔化潛熱，S和L分別表示固相和液相。 公式1左邊的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別表示通過固相和液相的熱通量。如果通過固相的熱通量大于通過液相的熱通量，則界面速率是正的，凝固持續(xù)進(jìn)行。與之相反的是，如果通過液相的熱通量大于通過固相的熱通量，則界面速率是負(fù)的，發(fā)生重新熔融。當(dāng)模具最初浸泡在熔融半導(dǎo)體材料中，即在凝固相過程中，通過固相的熱通量可以遠(yuǎn)高于通過初始等溫液體的熱通量，因此向著液體發(fā)生快速的固化。該固化過程持續(xù)進(jìn)行，直至通過液體和固體的熱通量相等。超過該點(diǎn)之后，通過液體的熱通量高于通過固體的熱通量，開始發(fā)生重新熔化。在重新熔融相中，潛熱從液態(tài)熔體供應(yīng)給所述界面。因此，在此相過程中，液體側(cè)的熱性質(zhì)控制了重新熔融動力學(xué)。所述重新熔融過程可以持續(xù)進(jìn)行，直至最初凝固的固體完全熔融，模具與熔融半導(dǎo)體材料之間達(dá)到熱平衡。
可以用公式2和3近似確定凝固的半導(dǎo)體材料重新熔融所需的時間
,2(J^2
d模具r、L Λ2仲 "熔體Λ
1新培融--R^lnG-/) +Δ 冗 α. 8 模具
Δ = — 2
2夂熔體(『Μ -ρ模具Q7模具”模具(7L ~ ^o)
公式2
廠熔體^ + P熔體Cp熔體( 體—Tm )_
公式3
式中t ^融是完全重新熔融的時間，(1_是模具的厚度，α _是模具的熱擴(kuò)散系數(shù)，P 是模具的密度，Cpwi是模具的熱容，Δ是在模具表面上形成的半導(dǎo)體材料的最大厚度。α ^sa和Cpsa分別是熔融半導(dǎo)體材料的熱擴(kuò)散系數(shù)和熱容。熔融半導(dǎo)體材料的密度和熱導(dǎo)率分別是P #和％#，λ是潛熱。Tm是半導(dǎo)體材料的熔融溫度，Ttl是模具的初始溫度， #是熔融半導(dǎo)體材料的體相溫度。模具溫度升高的表達(dá)式為指數(shù)關(guān)系。因此f(0<f < 1)可以用來導(dǎo)出模具的溫度1~_足夠等于熔融半導(dǎo)體材料的溫度的近似時間。在至少一個實(shí)施方式中，可以使用f = 0. 9來計(jì)算重新熔融時間tiwea。
一旦半導(dǎo)體材料的凝固層基本重新熔融，模具的溫度Tsa近似達(dá)到熔融半導(dǎo)體材料的溫度1 #，則將模具100從熔融半導(dǎo)體材料104取出，使其冷卻。本領(lǐng)域技術(shù)人員有能力根據(jù)一些變量決定所述足以使得模具充分與熔融半導(dǎo)體材料平衡所需的時間，這些變量包括例如半導(dǎo)體材料、模具包含的材料、過度冷卻程度以及模具的厚度。例如，厚度為2毫米的熔凝石英模具可以在大約50秒內(nèi)與熔融半導(dǎo)體材料熱平衡。可以通過輻射和/或回流使得模具100冷卻，然后將其從熔融半導(dǎo)體材料取出。在高溫條件下，冷卻過程可能主要是通過輻射進(jìn)行，模具100的溫度可以通過公式4近似表示
權(quán)利要求
1.一種制造非支承的半導(dǎo)體材料的制品的方法，所述方法包括 提供處于溫度Ttl的模具；提供處于體相溫度的熔融半導(dǎo)體材料，其中彡T0 ；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡至少一次，浸泡第一段時間，所述第一段時間足以在所述模具的外表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層，并且使得所述形成的半導(dǎo)體材料的固體層完全重新熔融；將所述模具從所述熔融的半導(dǎo)體材料撤回；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料上方保持一段時間，所述時間足以使得所述模具以預(yù)定的程度過度冷卻；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第二段時間，所述第二段時間足以在所述模具的外表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層；將所述外表面上具有半導(dǎo)體材料的固體層的模具撤回；以及將所述半導(dǎo)體材料的固體層與所述模具分離，形成所述非支承的半導(dǎo)體材料的制品。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自硅、硅的合金和化合物、鍺、鍺的合金和化合物、砷化鎵、砷化鎵的合金和化合物、錫、錫的合金和化合物、以及它們的混合物。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自硅、硅合金以及硅化合物。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，為大約1414-1550°C。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具浸泡的第一段時間為，其中
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具過度冷卻的程度約為1-500K。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具過度冷卻一段時間t，其中
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具由選自以下的材料制造玻璃狀二氧化硅、多孔二氧化硅、熔凝石英、氮化硅、碳化硅、石墨、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、LaB6、氧化鋯和氧化釔。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具是模板化的模具，其包含至少兩種材料，所述至少兩種材料與所述熔融半導(dǎo)體材料的接觸角不同。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述模板化的模具包含熔凝石英和碳化娃。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述至少兩種材料的接觸角相差至少 10°。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔融半導(dǎo)體材料上方的氣氛包含氬氣和氫氣。
13.—種制造非支承的半導(dǎo)體材料的制品的方法，所述方法包括提供處于溫度Ttl的模具，其中，所述模具包含基礎(chǔ)基材以及離散位置，所述離散位置包含的材料與所述熔融半導(dǎo)體材料的接觸角小于所述熔融半導(dǎo)體材料和所述基礎(chǔ)基材的接觸角；提供處于體相溫度的熔融半導(dǎo)體材料，其中彡T0 ；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡至少一次，浸泡第一段時間，所述第一段時間足以在所述模具的外表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層，并且使得所述形成的半導(dǎo)體材料的固體層完全重新熔融；將所述模具從所述熔融的半導(dǎo)體材料撤回；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料上方保持一段時間，所述時間足以使得所述模具以預(yù)定的程度過度冷卻；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第二段時間，所述第二段時間足以在所述模具的外表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層；將所述外表面上具有半導(dǎo)體材料的固體層的模具撤回；以及將所述半導(dǎo)體材料的固體層與所述模具分離，形成所述非支承的半導(dǎo)體材料的制品。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述基礎(chǔ)基材選自以下的材料玻璃狀二氧化硅、多孔二氧化硅、熔凝石英、氮化硅、碳化硅、石墨、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、LaB6、氧化鋯和氧化釔。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述具有較小接觸角的離散位置選自以下的材料熔凝石英、多孔二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、LaB6、氧化鋯和氧化釔。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述基礎(chǔ)基材的接觸角至少比所述較小接觸角材料的離散位置的接觸角大10°。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述模具過度冷卻的程度約為1-500Κ。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述模具過度冷卻一段時間t，其中
19.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述模具浸泡的第一段時間為Iewa，其
20.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述熔融半導(dǎo)體材料上方的氣氛包含氬氣和氫氣。
21.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自硅、硅的合金和化合物、鍺、鍺的合金和化合物、砷化鎵、砷化鎵的合金和化合物、錫、錫的合金和化合物、以及它們的混合物。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自硅、硅合金以及硅化合物。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，為大約1414-1550°C。
24.通過包括以下步驟的方法形成的非支承的半導(dǎo)體材料的制品提供處于溫度Ttl的模具；提供處于體相溫度的熔融半導(dǎo)體材料，其中彡T0 ；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡至少一次，浸泡第一段時間，所述第一段時間足以在所述模具的外表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層，并且使得所述形成的半導(dǎo)體材料的固體層完全重新熔融；將所述模具從所述熔融的半導(dǎo)體材料撤回；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料上方保持一段時間，所述時間足以使得所述模具以預(yù)定的程度過度冷卻；將所述模具在所述熔融半導(dǎo)體材料中浸泡第二段時間，所述第二段時間足以在所述模具的外表面上形成所述半導(dǎo)體材料的固體層；將所述外表面上具有半導(dǎo)體材料的固體層的模具撤回；以及將所述半導(dǎo)體材料的固體層與所述模具分離，形成所述非支承的半導(dǎo)體材料的制品。
25.如權(quán)利要求M所述的非支承的半導(dǎo)體材料的制品，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自娃、硅的合金和化合物、鍺、鍺的合金和化合物、砷化鎵、砷化鎵的合金和化合物、錫、 錫的合金和化合物、以及它們的混合物。
26.如權(quán)利要求M所述的非支承的半導(dǎo)體材料的制品，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料選自硅、硅的合金、以及硅的化合物。
27.如權(quán)利要求M所述的非支承的半導(dǎo)體材料的制品，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料顆粒最窄的橫向尺度為顆粒厚度的兩倍到三倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體材料的制品的方法以及由此形成的半導(dǎo)體材料制品，例如可以用來制造光伏電池的半導(dǎo)體材料。
文檔編號C30B15/00GK102414350SQ201080019356
公開日2012年4月11日 申請日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者B·蘇曼, G·B·庫克, P·馬宗達(dá) 申請人:康寧股份有限公司