本發(fā)明專利申請是國際申請?zhí)枮閜ct/us2012/039900，國際申請日為2012年5月29日，進入中國國家階段的申請?zhí)枮?01280037177.8，名稱為“通過外延沉積的硅晶片”的發(fā)明專利申請的分案申請。
相關(guān)申請的相互參照
本申請要求于2011年5月27日提出的申請?zhí)枮?1/491,152的美國臨時專利申請的權(quán)益，其整體引入本文作為參考。
本發(fā)明大體涉及硅晶片的制造，更具體地說，涉及通過外延沉積的硅晶片的制造。
背景技術(shù)：
晶體硅在商業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中提供具有高達約23％的太陽能電池效率η，同時在與薄膜太陽能電池(諸如cigs,cdte等等)相比下具有在(a)可用性、(b)環(huán)境友好性、以及(c)顯示出使用壽命長和相關(guān)技術(shù)成熟性方面的優(yōu)點。然而，晶體硅傳統(tǒng)上比競爭的薄膜電池板具有較高的光伏模塊成本(該模塊是實際生成電力并包括保持若干太陽能電池的框架的單元，所述太陽能電池以串聯(lián)方式電連接在一起，然后與變換器連接)。該成本的很大一部分來自于硅晶片的制造成本(目前厚度為～180微米)，其中包括多晶硅生產(chǎn)、結(jié)晶塊成型和切片(線鋸切割結(jié)晶塊并精加工所切割的晶片)的成本。
薄膜工藝(非晶硅，cigs和cdte)近年來引起搔動，因為其成本因耗材較少和大幅面、綜合加工而潛在地低于晶體硅。然而，大體而言，薄膜光伏(pv)模塊具有的效率通常比晶體硅模塊的低得多。典型的單晶模塊具有15-16％的效率(而某些模塊可高達20％)，而薄膜模塊的最佳情況在目前是11％。此外，大多數(shù)薄膜工藝的成本優(yōu)勢沒有被確實地證實。因此，晶體硅(包括單晶硅和多晶硅)贏得超過80％份額的現(xiàn)有光伏市場，在2010年約為14gw。(pv模塊的數(shù)量通常由它們的總功率輸出來計，即以瓦數(shù)計)。
低于$2.50/wp(wp為峰值瓦數(shù)，指的是可達到的最大功率)的pv模塊總安裝成本在今天是具有吸引力的，因為它在世界上許多地方代表了電網(wǎng)平價與適度誘因。(電網(wǎng)平價是指來自pv模塊的每瓦成本與在電力配電網(wǎng)上所得的相同，其中典型的電網(wǎng)通過多種電源來饋給，諸如煤、石油和天然氣發(fā)電站。)
制造商特別有效地降低傳統(tǒng)晶體硅(包括單晶硅和多晶硅)技術(shù)的制造成本-硅pv模塊的價格業(yè)已從2006年的超過4美元/wp下降到2010年的約1.80美元/wp。pv硅晶片，電池和模塊的最經(jīng)濟高效的綜合制造商具有的用于pv模塊的售貨成本(制造pv模塊的成本，包括材料、人工和間接費用)接近1.10美元/wp。在過去四年中的成本的降低部分是歸因于以下的技術(shù)改進。
第一，由于太陽能電池厚度的減小和通過較低的鋸口損耗而改善了晶片切割過程，硅的用量已經(jīng)從每瓦10gm減少到每瓦約6.5gm。
第二，業(yè)已通過細線印刷、改進的前側(cè)反射和鈍化控制、較高質(zhì)量(使用壽命更長)的材料等等來提高了電池效率。平均的硅電池效率業(yè)已從約14％提高到17％，且許多制造商業(yè)已發(fā)表他們的單晶硅pv電池的電池效率為18％。
第三，制造業(yè)得到更充分的整合：出現(xiàn)的趨勢為結(jié)合硅pv模塊制造過程(多晶硅、硅晶片、電池和組件)的各個部分以得到更大的成本效益，而且現(xiàn)在容許在世界各地接觸系統(tǒng)集成商和安裝商。例如，2010年的整合式制造導致的成本結(jié)構(gòu)為pv模塊給出了約1.10美元的售貨成本。
很顯然，在可預(yù)見的將來，單晶硅pv模塊可以繼續(xù)作為pv中的主要商品，并隨著電網(wǎng)平價的達成而將可與薄膜pv技術(shù)有效地競爭，只要單晶硅pv模塊生產(chǎn)可繼續(xù)進行進一步的成本降低。然而，進一步降低成本的來源并不會立即顯現(xiàn)出來。
pv電池和模塊的成本通過使用大規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)備而趨向漸近水平以及單晶硅電池效率業(yè)已達到接近19％，而電池效率的進一步提升可能僅以增加成本的方式來實現(xiàn)。
然而，進一步的成本降低可能來自硅成本和切片成本的顯著下降，因為它們現(xiàn)在是模塊成本結(jié)構(gòu)的最大部分。硅和切片成本可通過以下各項來降低：(a)進一步降低多晶硅生產(chǎn)成本，(b)改進晶體生長過程和/或(c)通過高產(chǎn)量和低切口損耗法將硅晶片切得更薄。同樣地，連續(xù)的柴氏長晶法可以提供遞增的成本改進，但成本的大幅削減是不可能的。然而，將硅晶片切成小于180微米一直被較低產(chǎn)量和不成比例的切口損耗所困擾，因為線鋸技術(shù)開始達到根本的機械極限。因此，減少硅的用量要求尋找新的技術(shù)，其可完全繞過多晶硅、結(jié)晶塊和切片步驟。
繞過這些步驟的另一動機是，多晶硅是目前阻礙擴充硅pv模塊產(chǎn)能的步驟，主要是歸因于僅與多晶硅步驟相關(guān)的資金成本。事實上，多晶硅、結(jié)晶塊和切片的資金成本(制造的一次性設(shè)置成本)支配了生產(chǎn)硅pv裝置的總資金成本。多晶硅、結(jié)晶塊和切片不僅具有最高的資本成本(約占用于設(shè)立生產(chǎn)太陽能電池模塊的總共3美元/wp中的2美元/wp)，它們也在土地、氣體、水等等方面也需要最多的基礎(chǔ)建設(shè)。
由上述可見，晶體硅pv產(chǎn)業(yè)在降低成本和保持與薄膜pv的競爭力方面業(yè)已有了長足的進步。但是，為了達到約為0.08美元/kwh(相當于約2美元/wp)的未受補貼的電網(wǎng)平價，晶體硅pv晶片的總售貨成本需要降低至約0.80美元/wp，這就是使晶體硅pv模塊的系統(tǒng)安裝成本達到2美元/wp所必需的。對于傳統(tǒng)的硅pv技術(shù)(一種已經(jīng)受益于由源自傳統(tǒng)的硅半導體行業(yè)的大量生產(chǎn)和創(chuàng)新而導致的成本降低的技術(shù))而言，該種降低很困難。因此，顯而易見的是，本領(lǐng)域需要更便宜的新工藝，其可替代目前的與多晶硅、結(jié)晶塊和切片相關(guān)的昂貴工藝，并伴隨著附帶的降低的資本成本。
用于pv模塊生產(chǎn)的晶體硅襯底的外延沉積使得可大大地簡化供應(yīng)鏈，即省去對多晶硅、結(jié)晶塊和切片的需要。然而，難題是要以與制造單晶硅晶片的傳統(tǒng)工藝相同(如果不能更低的話)的成本來使用外延沉積過程。
硅薄膜的外延沉積是在諸如集成電路的半導體器件的制造中常見的工藝步驟。為了達到高產(chǎn)率的集成電路，該外延沉積步驟要求所沉積的硅要非常高質(zhì)量且具有非常嚴格的厚度均勻性。這只能以較低的沉積速率來實現(xiàn)，因此，大多數(shù)半導體外延反應(yīng)器是為高度均勻的、0.1至1微米/每分鐘的低缺陷沉積速率而優(yōu)化。目前，幾乎所有先進的高性能cmos(互補金屬氧化物半導體)器件都是構(gòu)建在這種外延層上。
在半導體工業(yè)中使用的大多數(shù)傳統(tǒng)的外延批量處理反應(yīng)器依賴擴散來將反應(yīng)物(諸如三氯硅烷(tcs)和氫)供給到晶片的中心，其自然地導致在晶片邊緣上的tcs的濃度較高，因為氣流典型地會沿著晶片堆的周邊流動。因此，為了保持在晶片內(nèi)和晶片到晶片的薄膜厚度均勻性，所述反應(yīng)器必須在較低溫度下以反應(yīng)速度有限的狀態(tài)運行，其中的沉積速率會低得多。此外，對于沉積薄的外延膜而言，其中的薄膜質(zhì)量和均一性是非常重要的，而且設(shè)備的價值可以適應(yīng)高工藝成本，高溫外延生長通常是在單一晶片反應(yīng)器中使用的。在該種高溫過程中，tcs的化學氣相沉積(cvd)是在傳質(zhì)有限的狀態(tài)下完成，其中的生長率取決于tcs跨越邊界層的對反應(yīng)表面的質(zhì)量傳遞。然而，單晶片的高溫處理成本抑制了除了非常高價值的器件(諸如尖端處理器)之外的所有器件。
為了繞過依賴反應(yīng)物擴散的反應(yīng)器的限制，某些半導體外延反應(yīng)器設(shè)計成通過形成穩(wěn)定的在整個層上具有恒定可用性的前體物質(zhì)的邊界層來使得在整個晶片的表面上具有恒定的生長速率。這通常可利用以下技術(shù)來實現(xiàn)。
第一，轉(zhuǎn)動晶片，這確保氣體速度和邊界層在整個晶片表面上為恒定。然而，必須要轉(zhuǎn)動晶片這一情況會使反應(yīng)器類型限于單晶片反應(yīng)器或小型批量處理反應(yīng)器。
第二，提供充足供應(yīng)的tcs，以致于tcs可存在于反應(yīng)物表面附，近而不會產(chǎn)生前體消耗。這可通過以多個前體氣體注入點使沉積室充滿tcs來實現(xiàn)。因此，在該些反應(yīng)器中的tcs利用率通常只有5％左右。
第三，晶片的溫度通常低于1050℃，從而使生長率低于1微米/每分鐘。雖然在該些反應(yīng)器中可實現(xiàn)較高的生長速率，但歸因于要在沉積溫度下轉(zhuǎn)動晶片的要求的設(shè)計約束，通常會將工作溫度保持在1000～1050℃的范圍內(nèi)。對于半導體而言，該低沉積率是可以接受的，因為厚度均勻性和外延質(zhì)量在低缺陷密度方面而言是最重要的。
第四，襯底必須加熱到沉積溫度，然后在沉積完成后要冷卻下來，這通常需要一個小時，假若冷卻是在沉積室中完成的，則要加入沉積時間以用于計算生產(chǎn)量。請注意，該些沉積系統(tǒng)通常使用感應(yīng)加熱系統(tǒng)，額定功率為大約200kw。
圖1(來自sandrabau的博士學位論文,用于晶體硅薄膜太陽能電池的高溫cvd硅薄膜(high-temperaturecvdsiliconfilmsforcrystallinesiliconthin-filmsolarcells),康斯坦茨大學，2003(參見第18頁,圖3.4),可得自http://kops.ub.uni-konstanz.de/handle/urn:nbn:de:bsz:352-opus-11305)顯示了來自tcs的硅隨著關(guān)鍵變量(襯底溫度以及tcs與h2的比率)而變的生長速率的曲線圖。在半導體應(yīng)用的情況下，業(yè)已有人為之設(shè)計了商用外延反應(yīng)器，生長速率必須以高準確度來控制，其要求工藝的操作要在溫度以及tcs與h2的比率的波動不會導致沉積速率有明顯改變的狀況下進行。因此，用于商用半導體外延的工作區(qū)域位于如圖1所示的曲線的平坦部分上。
以下的假設(shè)用來估計在125毫米襯底上的180微米的晶體硅晶片的外延沉積的成本，其中假定在具有8晶片批量的商用半導體外延反應(yīng)器中進行生產(chǎn)。在1微米/每分鐘的沉積速率下(參見圖1)，并包括60分鐘的加熱和冷卻時間，則總生產(chǎn)時間為240分鐘。以8晶片批量下操作的單一系統(tǒng)的生產(chǎn)率為
8x60/240＝2片/每小時。
每片晶片在7年期間的折舊成本以及假設(shè)90％的正常運行時間，90％的利用率和用于反應(yīng)器的120萬美元的asp(特定應(yīng)用產(chǎn)品)可由以下方程給出
$1.2m/(2x0.9x0.9x24x350x7)＝12.60美元/每晶片。
tcs/每晶片的消耗在5％的利用率下為650克/每晶片。假設(shè)tcs的商業(yè)價格為3美元/每公斤，tcs/每晶片的成本則為2美元/每晶片。用于生產(chǎn)8片的批次的總功率估計為200kw，并具有每片晶片4美分/kwh功率的成本，這給出了1美元/每晶片的功率成本。其它氣體和消耗品估計約為1美元/每晶片。因此，外延沉積的總費用估計為16.6美元/每晶片。
雖然外延沉積的成本必須與用于制造硅晶片的傳統(tǒng)工藝相同(如果不能更低的話)，利用外延沉積來制造用于pv模塊的晶體硅晶片具有吸引力，因為其可大大地簡化供應(yīng)鏈。如上所述，用于pv應(yīng)用的硅晶片成本需要接近0.80美元/每晶片。但是，使用商用半導體外延反應(yīng)器的預(yù)計花費會比其大得多-大約為16.6美元/每晶片。顯然，本領(lǐng)域需要一種外延沉積反應(yīng)器，其可將每晶片的成本降低，大約降低25倍。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本文所述的本發(fā)明為一種基于硅晶片的直接外延沉積方法以降低單晶硅光伏的制造成本的轉(zhuǎn)換技術(shù)。單晶體硅晶片通過利用如下技術(shù)而直接地從氣相生成，該技術(shù)繞過(a)多晶硅生產(chǎn)、(b)晶體生長、以及(c)切割結(jié)晶塊的步驟。這使得可大量減少硅的用量和生產(chǎn)成本以及使高效率pv模塊的制造成本有可能接近電網(wǎng)平價。在工藝與裝備技術(shù)上的關(guān)鍵創(chuàng)新方案單獨地或組合地允許嚴格的成本和技術(shù)指標以及將可量測性帶入量產(chǎn)，所述新方案包括：硅前體消耗模式下的外延沉積，以交叉流沉積來補償襯底上的沿著氣流方向的硅沉積速率的下降；包括多個微型批量處理反應(yīng)器的沉積系統(tǒng)；具有低總熱量、高發(fā)射率和小體積的襯底載體；具有快速升溫、高效產(chǎn)熱和加熱空間控制的燈模塊；以及為交叉流工藝而設(shè)計的歧管。此外，襯底載體可包括熱反射器，以控制從載體邊緣的熱損失和/或熱阻擋件，以使載體與歧管熱絕緣，使歧管可進行獨立的溫度控制。載體和襯底可配置成在襯底的兩側(cè)進行沉積，襯底在兩側(cè)上具有剝離層以及載體配置成在襯底在兩側(cè)表面上具有均等的工藝氣流。此外，沉積系統(tǒng)可配置成在襯底載體仍然是在400至600℃時允許將襯底載體從反應(yīng)器移除，從而通過反應(yīng)器降低加工周期時間。此外，襯底載體可配置成與反應(yīng)器的反應(yīng)室中的氣體歧管耦合以容納襯底載體之內(nèi)的工藝氣體，從而允許對反應(yīng)器的反應(yīng)室進行低頻清潔和高反應(yīng)器可用性。
附圖說明
對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，一旦結(jié)合以下的本發(fā)明的特定實施例的敘述連同附圖，本發(fā)明的這些和其它方面以及特征將變得明顯，其中：
圖1是為水平大氣壓外延反應(yīng)器而計算的作為沉積氣體中的cl/h比率的函數(shù)的外延硅沉積速率的曲線圖；
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于外延硅襯底生長的工藝流程；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的為高產(chǎn)量處理而配置的小型批量處理外延反應(yīng)器的系統(tǒng)的立體圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的外延反應(yīng)器的立體圖；
圖5a是根據(jù)本發(fā)明的實施例的沿圖4的外延反應(yīng)器的x-x所觀察的局部剖視圖，反應(yīng)室包含襯底載體；
圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的沿圖4的外延反應(yīng)器的x-x所觀察的局部剖視圖，其具有開式閘閥，反應(yīng)室包含襯底載體；
圖5c示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖4的外延反應(yīng)器的端視圖，其中該視圖通過示出襯底載體的端部的開式閘閥來觀察；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的襯底載體的立體圖；
圖7是根據(jù)本發(fā)明的沿圖4的外延反應(yīng)器的第一實施例的y-y所得的簡化的截面圖；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的沿圖4的外延反應(yīng)器的第二實施例的y-y所得的簡化的截面圖；
圖9a是根據(jù)本發(fā)明的實施例的外延反應(yīng)器的加熱燈和反射器結(jié)構(gòu)的立體圖，而圖9b為其中一個角落的詳細視圖；
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的沿著圖4的外延反應(yīng)器的x-x和y-y的水平和垂直截面圖以及相應(yīng)的計算出的溫度曲線圖；
圖11a和b是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在硅前體消耗模中的沉積和使用交叉流來取得平均厚度的視圖；
圖12a、b、c、d、e和f分別是根據(jù)本發(fā)明的襯底載體的第一實施例和其細節(jié)的截面圖和平面圖；
圖13a、b和c提供根據(jù)本發(fā)明的襯底載體的第二實施例的詳細立體圖；
圖14a和b提供根據(jù)本發(fā)明的襯底載體的第三實施例的詳細立體圖；
圖15a、b和c提供根據(jù)本發(fā)明的襯底載體的第四實施例的詳細立體圖和截面圖；
圖16是根據(jù)本發(fā)明的實施例的氣體歧管的立體圖；
圖17是根據(jù)本發(fā)明的將圖16的氣體歧管的第一實施例以與截面y"-y"的平面平行的平面來切割的立體圖；
圖18a是根據(jù)本發(fā)明的將圖16的氣體歧管的第二實施例以與截面y"-y"的平面平行的平面來切割的立體圖；
圖18b是根據(jù)本發(fā)明的將圖18a的氣體歧管以與圖4的截面x"-x"的平面平行的平面來切割的立體圖；
圖19a是根據(jù)本發(fā)明的將圖16的氣體歧管的第三實施例以與截面y"-y"的平面平行的平面來切割的立體圖；
圖19b是根據(jù)本發(fā)明的沿著圖19a的氣體歧管的x"-x"的截面圖；
圖20是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在氣體歧管和襯底載體之間的界面的詳細截面圖；以及
圖21是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在襯底上的剝離層上生長的晶片的截面圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將參照附圖詳細地敘述本發(fā)明的實施例，其提供作為本發(fā)明的說明性范例，以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。值得注意的是，附圖和下面的實施例并不意味著要將本發(fā)明的范圍限于單一實施例，而是意味著通過互換所敘述或所示的組件的某些部分或所有部分，其它實施例是可能的。此外，在本發(fā)明的某些組件可以部分或完全地采用公知部件來實現(xiàn)時，只有所述公知部件的該些為理解本發(fā)明所必需的部分才會被敘述，而且所述公知部件的其它部分的詳細敘述將會被省略，以致于不會混淆本發(fā)明。在本說明書中，示出單一部件的實施例不應(yīng)被認為具有限制性，相反，除非本文明確地說明，本發(fā)明意味著要涵蓋包括多個相同部件的其它實施例，反之亦然。此外，除非明確地提出，申請人不打算要使在說明書或權(quán)利要求中的術(shù)語被認為具有罕見的或特殊的含義。另外，本發(fā)明通過圖示的方式來包括本文所提及的公知部件的現(xiàn)有和未來的公知等效物。
本發(fā)明可提供一種使用外延沉積(用氣相生成的單晶硅的cvd沉積)的用于生產(chǎn)硅的轉(zhuǎn)換技術(shù)，其提供的外延沉積成本可相等于(如果不低于)目前的用于pv的硅晶片生產(chǎn)的常規(guī)方法。使用外延沉積，可將三個最成本密集型的步驟從常規(guī)的硅pv技術(shù)中去除，即多晶硅生產(chǎn)、結(jié)晶塊的生成和結(jié)晶塊的加工和切片。本發(fā)明的方法替換了三個最成本密集的步驟，解決了硅pv的基本成本因素，即過度的材料用量和材料生產(chǎn)的復雜性，以及與多晶硅、結(jié)晶塊和切片相關(guān)聯(lián)的前端的高資金成本。直接沉積硅的方法提供了作為成本密集的常規(guī)硅晶片生產(chǎn)技術(shù)的替代方案，同時保持與單晶硅pv相關(guān)的高效率。
圖2提供了用于硅晶片的外延沉積的工藝流程圖。該方法包括：提供硅襯底(210)；在硅襯底上形成剝離層(220)；在剝離層的頂部上生長外延硅晶片(230)；使硅晶片與硅襯底分離(240)；以及在清潔襯底以去除任何殘留的剝離層之后重復使用所述襯底(250)。在襯底211的剝離層221上生長晶片231上的截面圖于圖21示出。分離工序之前的外延工藝業(yè)已在文獻中被描述為一種得到超薄(約5-50微米)晶體太陽能電池的方法。例如，可參見brendel等人的“由使用多孔硅的層化傳遞得到的15.4％效率以及25μm厚度的晶體硅太陽能電池(15.4％-efficientand25μm-thincrystallinesisolarcellfromlayertransferusingporoussilicon)”phys.stat.sol.(a)197,no.2,497–501(2003)。這些方法使si的用量顯著地減少(比用傳統(tǒng)的多晶硅、結(jié)晶塊和切片過程制成的市售的薄si晶片大約少80％)，同時保持高電池效率和具有適當?shù)墓庀葳搴捅砻驸g化。然而，這些工藝在成本上不能與傳統(tǒng)的晶片生產(chǎn)競爭。難題在于要以足夠低的成本提供一種外延沉積方法，以便能夠得益于硅用量的減少。本發(fā)明可以提供這樣一種低成本的外延沉積工具和方法，并使供應(yīng)鏈可大大地簡化。
用于光伏應(yīng)用的外延沉積硅晶片的要求
為了給用于pv器件的硅晶片的生產(chǎn)的外延反應(yīng)器提供技術(shù)規(guī)范，有利的是去理解硅晶片的特定物理要求，其不同于為半導體組件生產(chǎn)而制造的晶片。
首先考慮缺陷密度：這不是主要的考慮因素，只要缺陷不導致少數(shù)載流子壽命的降低或晶片強度的降低。1×105/cm2是可接受的缺陷密度，因為它仍可致可接受的少數(shù)載流子壽命(大于10μs)，而且機械強度足以使之加工到電池和模塊內(nèi)。在半導體應(yīng)用中，缺陷密度的要求是小于1/cm2，主要是由于小的最小特征由光刻限定。缺陷密度的要求限制了生長速度，因為缺陷密度隨著生長速度而增大，而生長速度大于約1微米/每分鐘會使缺陷密度高于規(guī)范。太陽能應(yīng)用對此要求的放松意味著可使用大于4μm每分鐘的外延層生長速率。該較高的生長速率可以在本發(fā)明的外延反應(yīng)器的實施例中實現(xiàn)。
第二要考慮厚度均勻性：在半導體外延法中，對整個晶片的厚度均勻性的要求是低于2％(受光刻中的嚴格的景深限制所驅(qū)使)，而對太陽能而言，約+/-10％的厚度變化是可以接受的。這種放寬的厚度均勻性的要求可以在本發(fā)明的外延反應(yīng)器的若干實施例中實現(xiàn)，該反應(yīng)器以硅前體氣體消耗模式工作-在反應(yīng)器以消耗模式操作時，業(yè)已顯示出超過50％的tcs利用率。
此外，為了減少硅晶片的制造成本，就需要高產(chǎn)量的硅晶片制造系統(tǒng)。提高外延沉積系統(tǒng)中的晶片生產(chǎn)量的方法包括在同一時間加熱極大批量的晶片和沉積硅。此種方法的主要問題是，容室的體積較大以及需要較長的加熱和冷卻時間。因此，為了實現(xiàn)例如200晶片/每小時，考慮到加熱和冷卻時間，批量大小需要超過600晶片。這使得設(shè)計非常復雜，而且迄今都未能證明該些設(shè)計可行。此外，如圖1所示，該些大型批量處理反應(yīng)器因設(shè)計而被迫在tcs消耗極低從而tcs利用率較低的狀態(tài)下運行。(tcs消耗變得越來越難以隨著通過晶片載體的前體氣體的路徑長度的增大來補償，以致于要以消耗模式進行極大批量的反應(yīng)器操作是不切實際的。)
與半導體工業(yè)中的外延硅的要求相比，本發(fā)明的外延反應(yīng)器利用了較寬松的缺陷密度和厚度均勻性的要求。本發(fā)明的外延反應(yīng)器的實施例有以下要求：(1)生產(chǎn)量要大于約200晶片/每小時；(2)相比于半導體器件應(yīng)用的1μm/每分鐘，硅沉積速率要大于3.5μm/每分鐘；(3)厚度均勻性要好于約+/-10％(相比于半導體器件應(yīng)用的+/-1％)；(4)高效的功率利用率：功率利用率可與同等生產(chǎn)量的傳統(tǒng)西門子反應(yīng)器相比，其只約為常規(guī)方法的能量要求的50％，其中也包括了大量的用于硅的壓碎、熔化等等的能量預(yù)算；以及(5)有效的約為50％的tcs利用率(相比于半導體器件應(yīng)用的5％)。以下會敘述使上述要求能夠達成的關(guān)鍵的新方案。
高生產(chǎn)量小批量反應(yīng)器
在本發(fā)明的實施例中，使用小批量概念，即用多個小型批量處理反應(yīng)器來提高系統(tǒng)的生產(chǎn)量。多個小型批量處理反應(yīng)器比單一大型反應(yīng)器有優(yōu)勢，因為在小型反應(yīng)器中更容易實現(xiàn)對襯底溫度和在襯底的表面上的氣流的控制。此外，就維護而言，多個小型批量處理反應(yīng)器較可取，因為其在處理計劃和非計劃維護時更容易保持連續(xù)的高生產(chǎn)量。圖3示出了基于多個小批量反應(yīng)器310的硅晶片外延沉積系統(tǒng)300的實施例。多個襯底在裝載站320被裝載入襯底載體內(nèi)，然后轉(zhuǎn)移到預(yù)熱室330，在預(yù)熱室中襯底和載體被加熱到400℃。該載體由傳送裝置傳送通過隧道340并插入其中一個小型反應(yīng)器310中。(可選擇地，裝載襯底的載體可在室溫下直接放置到反應(yīng)器中以及在反應(yīng)器內(nèi)整體加熱至沉積溫度。)載體然后加熱到約1150℃，而硅晶片則外延沉積在襯底上。在硅沉積過程完成后，襯底載體冷卻到約400至600℃，然后將載體從小型反應(yīng)器310移除，通過隧道340(其側(cè)面、頂部和運輸自動機械在圖中未示出)傳送到和放置在冷卻室350內(nèi)，以便在從系統(tǒng)300移除之前冷卻到室溫。在此期間，將具有未處理的襯底的載體裝載入外延反應(yīng)器中，從而確保連續(xù)的操作。在襯底載體仍在400至600℃時將襯底載體從小型反應(yīng)器去除，從而通過反應(yīng)器降低加工周期時間。該隧道可以充填氮氣(小于1％氧)或者可在插入和移除襯底載體時使用過壓氮，以便將不想要的氣體排斥在反應(yīng)器之外。此外，如果需要使沉積硅的氧化最小化，可在隧道中使用氮氣環(huán)境。要注意，熱襯底載體的運動可以通過具有承載臂的自動機械來實現(xiàn)，所述承載臂具有低導熱率、低總熱容量和低重量；該承載臂既使自動機械不受襯底載體的熱的影響，更重要的是又使襯底載體不會過快地冷卻。
圖3為具有8個小型批量處理反應(yīng)器的系統(tǒng)的特定實施例。然而，所述系統(tǒng)可具有介于4至10之間任一數(shù)目的小型批量處理反應(yīng)器，而這主要受限于傳輸設(shè)備。此外，其它運輸設(shè)備可供具有不同的和/或各式各樣的小型批量處理反應(yīng)器的系統(tǒng)使用。
要注意，小批量方法允許使用消耗模式的沉積，這是通過將流過晶片載體的跨越整個硅襯底的前體氣體的路徑長度保持得短到足以被控制，使得可達到要求的沉積厚度均勻性。例如，以下的圖7和8顯示的跨越硅襯底的前體氣體的路徑長度只有兩個襯底寬度，為此，它們的充分均勻的沉積厚度與高tcs利用率(>50％)業(yè)已通過實驗來確認，可參見圖11a和11b。
除了上述參照圖3的小型批量處理反應(yīng)器系統(tǒng)之外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，該系統(tǒng)的許多變型皆落在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。例如，該系統(tǒng)可配置成不帶有隧道以及包括待由具有長而線性的行程的自動機械供給的許多對齊的反應(yīng)器。此外，該反應(yīng)器可配置成用于直通處理，即襯底保持器通過在反應(yīng)器的一側(cè)上的閘閥來裝載以及通過在相對側(cè)上的閘閥來移除。后一配置將需要至少兩個自動機械：一個用于裝載和一個用于卸載。此外，當可接受較低的系統(tǒng)生產(chǎn)量時，該反應(yīng)器可簇集在單一自動機械周圍，這樣就具有使自動機械的容室可以較小的優(yōu)點，當沉積層的氧化需要最小化時，就可輕易地控制所述自動機械之內(nèi)的環(huán)境。
外延反應(yīng)器
圖4示出用于其中一個反應(yīng)器310的處理室400。處理室400包括由不銹鋼或其它合適材料制成的容器401，用于插入和移除襯底載體的閘閥402，用于提供襯底載體的迅速且在空間上可控的加熱的燈模塊403以及用于提供和移除氣體、冷卻液等等的各種孔404。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會明白的那樣，許多細節(jié)，諸如電氣連接器，機械調(diào)節(jié)裝置等等并沒有示出，為的是清楚顯示本發(fā)明的特征。
圖5a是沿著x-x所得的剖視圖，其示出處理室400的內(nèi)部與在加工位置的襯底載體。氣體歧管405，熱阻擋件505和氣體分布信道504顯示在襯底載體的頂部和底部。在剖視圖中示出了襯底載體，使得只有一層襯底502顯示在襯托器501上，根據(jù)圖7和8會很明顯，襯底載體內(nèi)可包含多層襯底。圖5b和圖5c顯示了處理室400的兩個局部剖視圖，所述處理室具有閘閥402，通過該閘閥可插入和移除襯底載體500。
如上所示，襯底載體可從反應(yīng)器移除，以便于裝卸襯底-通過閘閥402。襯底載體的移除的進一步詳情在sivaramakrishnan等人的在2010年10月21日公布的美國專利申請公開號us2010/0263587中提供，其整體并入本文作為參考。
正如下述，反應(yīng)器部件的溫度受嚴格的控制，以使硅沉積僅發(fā)生在襯底載體內(nèi)，并主要發(fā)生在襯底的表面上。此外，襯底載體可配置成與反應(yīng)器的反應(yīng)室中的氣體歧管耦合，以容納襯底載體內(nèi)的工藝氣體，從而允許對反應(yīng)器反應(yīng)室的低頻率的清潔和高反應(yīng)器可用性。(保持工藝氣體遠離反應(yīng)器的窗口721，并避免在窗口表面上的硅沉積，可參見圖7和8)。因此，只有可移除的襯底載體需要經(jīng)常清洗以除去沉積的硅，并且這種清洗可很容易地在反應(yīng)器外進行。要注意，氣體分布通道504的表面上也可能沉積有若干硅，因為工藝氣體在移動通過通道時被預(yù)熱，因此，氣體分布通道也需要清潔。氣體分布通道整合入可移除的襯底載體中，以便易于清洗。此外，熱阻擋件505位于過渡區(qū)域，其中可能有少量的硅沉積，所以也可包含于可移除的襯底載體中，以便于清潔。
襯底載體所需的清潔頻率取決于沉積硅的厚度(除其它因素以外)，并且可通過監(jiān)測過程的產(chǎn)量而輕易地確定：可以預(yù)期顆粒的產(chǎn)生將對產(chǎn)量有最大的影響，并繼而會推動清潔頻率。襯底載體可用標準的硅腐蝕劑來清潔，如用hf/hno3。
外延反應(yīng)器：襯底載體
在本發(fā)明的實施例中，可通過優(yōu)選具有低總熱容量和高發(fā)射率(黑體型)特征的襯底載體來增加生產(chǎn)量，該些特性允許載體迅速地加熱和冷卻(低熱容量)以及也可使載體內(nèi)的襯底可迅速地達到均勻溫度(高發(fā)射率)。此外，非常小的襯底載體容積可使注入反應(yīng)器中的所有反應(yīng)氣體的使用率最大化。這是因為：(1)大多數(shù)的襯底載體容積被襯底和襯托器硬件所占用，以及(2)襯底載體內(nèi)的暴露于工藝氣體中的大部分的表面面積被襯底覆蓋，使得最少的tcs被用于在非襯底表面上沉積硅。此外，襯底載體可配置成減少流經(jīng)不被直接加熱的載體表面的熱流。
圖6示出基于該些概念的襯底載體500的實施例的立體圖。圖7和8示出沿著圖4的反應(yīng)器400的y-y的截面圖。要注意，圖7和8的截面圖還示出了沿著圖6的y-y的襯底載體500的截面圖。此外，圖5的剖視圖也示出了部分的襯底載體。襯底載體500包括用于保持襯底502的襯托器501，用于減少流經(jīng)襯底載體的端部的熱流的熱反射器50，在頂部和底部的氣體分布通道504，以及在頂部和底部的用于使襯底載體500與歧管405熱絕緣的熱阻擋件505。要注意，在襯底載體500的外部的襯托器501的大部分面積由燈模塊403通過窗口721直接加熱，而在圖7所示的實施例中，還通過透明結(jié)構(gòu)層731直接加熱。
熱反射器503包括一系列平行板，在平行板之間有氣體。參見圖6和10，后者示出熱反射器的截面。最靠近襯底的板通常由碳化硅或碳化硅涂敷的石墨制成，而離襯底最遠的板則遠通常由石英制成。在襯底加工期間，在所述板之間的氣體(通常為氫氣)是停滯的。熱反射器這樣配置，以提供對熱流的高阻抗以及有助于在襯底載體的沉積區(qū)域之內(nèi)維持穩(wěn)定的溫度。此外，當襯底載體冷卻時，氮氣可流經(jīng)所述板之間的空間，以減小冷卻時間。
熱阻擋件505可以由涂覆有碳化硅的石墨或石英制成。熱阻擋件可連同冷卻套一起配置，以有效地去除熱量。冷卻套1090在圖10的截面圖中示出：冷卻套是的反應(yīng)室壁的一部分，冷卻劑流過冷卻套以吸取熱量。此外，在熱阻擋件的鰭狀表面的氣流可用于吸取在加工期間的熱量，而當需要時，可在襯底載體的冷卻期間吸熱。
現(xiàn)參照圖7和8更詳細地敘述外延反應(yīng)器的硅沉積區(qū)域。工藝氣體(其第一流動方向由箭頭701表示)被引向襯底載體的由外部襯托器509和端蓋506(參見圖6和10)的封閉內(nèi)部容積。工藝氣體流經(jīng)上氣體歧管405，通過內(nèi)部容積流經(jīng)襯底502的表面以及通過下氣體歧管流出。襯底502的暴露于內(nèi)部容積的表面具有剝離層，其可用多孔硅制成，正如下文中的更詳細的敘述。硅的外延沉積是在襯底502的剝離層上進行。內(nèi)部襯托器507/508分隔內(nèi)部容積。襯托器509、507/508的內(nèi)表面被襯底502覆蓋。熱輻射702由熱源提供，諸如燈模塊403。熱輻射702通過窗口721傳遞以加熱襯托器509、507/508和固定在襯托器上的襯底502。外部襯托器509被加熱，從而產(chǎn)生熱輻射以加熱內(nèi)部襯托器507/508。為了在外延沉積完成后冷卻襯底和襯底載體，可使惰性氣體流經(jīng)襯底載體的通道。該冷卻過程也使得在從反應(yīng)器移除之前可從襯底載體清除任何剩余的工藝氣體。在室溫和大氣壓力下的氮氣、或者輕微過壓的氮氣，通常用作冷卻劑和吹掃氣體。此外，冷卻氣體也可在反應(yīng)器中在襯底載體的外表面上流動，而且，如上所述，冷卻氣體也可在熱阻擋件流動以及流過熱反射器，以提高襯底載體的冷卻速度。
使工藝氣體以標準沉積流速所流經(jīng)的內(nèi)部通道最好這樣配置，以使氣流是層流，并且沒有可供微粒積聚的“死”空間。此外，該些通道的寬度、即對置的襯底表面之間的間距將被精選以在特定的沉積速率要求下確保合適的層流狀態(tài)。消耗模式的沉積速率是流速、tcs/h2比率以及存在于晶片的表面上的邊界層的厚度的函數(shù)。通常，通道寬度被最小化，以保持所述襯底載體的緊湊和使邊界層保持為小，而且該最小通道寬度會隨著要求的沉積速率而增大，以維持層流。例如，在8和12毫米之間的通道寬度適合于約4微米/每分鐘的沉積速率與10-20gm每分鐘的tcs流速。此外，也可使用6至20毫米之間的通道寬度以及2-90gm每分鐘的流速，雖然沉積速率可在這些范圍上發(fā)生相當大的變化。
參照圖7和8中的箭頭701，它表示工藝氣體的流動方向，應(yīng)當指出的是，流動方向可在加工期間逆轉(zhuǎn)，在該種情況下，流動方向是向上而不是如附圖所示的向下。當在外延沉積中實現(xiàn)時，其會被稱為交叉流處理。交叉流處理可以各種方式來實現(xiàn)，例如可參見sivaramakrishnan等人的在2010年10月21日公布的美國專利申請公開號us2010/0263587，其整體并入本文作為參考。此外，交叉流處理也可在其它工藝步驟期間使用，例如在分離層的退火期間以及也可在冷卻期間使用。
另外，結(jié)構(gòu)層731可添加到襯底載體的外表面上，與外部襯托器509的外表面連接。參見圖7，結(jié)構(gòu)層731為襯底載體提供額外的支承，并且由可將熱輻射輕易地傳送到外部襯托器509的材料制造，輻射在外部襯托器處被吸收。例如，結(jié)構(gòu)層731可用石英制造以及外部襯托器509可用碳化硅制造。內(nèi)部襯托器507/508也可用碳化硅制成。
此外，雙面襯底802，即在其兩側(cè)都制備剝離層以使外延硅可在反應(yīng)器內(nèi)于其兩側(cè)上同時沉積的襯底，可放置在特殊的襯托器板508上，它允許兩側(cè)暴露于兩個不同的通道以便進行同時的外延硅沉積。參見圖8，使用雙面襯底可允許更輕的晶片載體，從而允許更快速的加熱和冷卻過程，繼而是較高的生產(chǎn)量。如下文的更詳細的敘述，剝離層可以是多孔硅。
在圖7和8中所示的襯底載體是本發(fā)明的特定實施例的范例。根據(jù)本發(fā)明的襯底載體的另外一些實施例可以：包括一個以上的內(nèi)部襯托器和/或配置成保持襯底以用于單面和/或雙面外延沉積。可引入額外的與其它襯托器平行的內(nèi)部襯托器，從而形成額外的通道，通過所述通道可使工藝氣體在襯底的表面上流動。該些額外的襯托器通過熱輻射加熱，正如上述的具有單個內(nèi)部襯托器的襯底載體的情況。此外，使襯底傾斜，從而使襯底與工藝氣體的流動方向成一小角度，也可用來影響邊界層的厚度。具體而言，在氣體流經(jīng)的通道變窄時，流速會提高且邊界層的厚度會減小，因此，傾斜襯底而使其與流動方向成一定角度會增加氣體速度以及減少邊界層的厚度，因為沿著傾斜的襯底向端部流動的氣流對通道產(chǎn)生最大的沖擊。用于傾斜襯底的襯底保持器在sivaramakrishnan等人的在2010年10月21日公布的美國專利申請公開號us2010/0263587中作出敘述，其整體并入本文作為參考。
如圖6-8和12所示的設(shè)計成攜帶24個125毫米的正方形硅襯底的襯底載體可基本上由碳化硅和具有碳化硅涂層的石墨來制造，并且具有不超過約42公斤(在沒有硅襯底的情況下)的總質(zhì)量。此外，如果使用雙面襯底，就會導致重量大大地降低：對于具有一個內(nèi)部襯托器的載體而言也許為25-30％，而對于具有兩個內(nèi)部襯托器的載體而言則為50％?？墒褂秒p燈模塊403于約15分鐘內(nèi)將所述襯底載體從500加熱到1,150℃；到500℃的冷卻時間具有相同的持續(xù)時間。如上所述，沉積系統(tǒng)可配置成在襯底載體仍然是在400至600℃時允許襯底載體從反應(yīng)器移除，從而通過反應(yīng)器降低加工周期時間。要注意，使用碳化硅是歸因于其化學惰性和純度以及高的熱發(fā)射率。上面可能有硅沉積的部件最好由碳化硅制成，因為：(1)硅附著力良好，(2)硅容易從碳化硅去除，這歸因于其對濕式和干式蝕刻具有優(yōu)異的選擇性，(3)碳化硅中的常見雜質(zhì)具有低擴散性，以及(4)良好的熱性能使碳化硅可作為熱擴散器的良好選擇。
外延反應(yīng)器：熱源
在本發(fā)明的實施例中，可通過用于加熱反應(yīng)器中的襯底的熱源以低成本來增加生產(chǎn)量，所述熱源具有下列特征：(1)低熱容量，允許快速升溫和電能到熱能的高效轉(zhuǎn)化(2)可對外部襯托器的表面上的熱傳遞進行空間控制，以及(3)高效的反射器，以確保大部分的產(chǎn)生的熱量可引導到襯底載體。這樣的熱源在圖9a和9b中示出。熱源900包括襯托器燈711、歧管燈712和垂直燈902，它們?nèi)咳菁{在反射器901之內(nèi)。可單獨地或成組地控制燈，以對襯底和要求的地方均勻加熱，從而控制襯底載體和歧管的不同部件的溫度。加熱燈配置成可使襯底迅速均勻地加熱至1200℃，而燈的電源則被實時調(diào)整，以便即使在反應(yīng)氣體流動時也可使襯底溫度恒定。合適的燈的范例為鹵素燈。
如圖7和8所示，有用于每個外延反應(yīng)器的兩個熱源900。在反應(yīng)器的特定實施例中，每個組燈的額定功率為110千瓦，其適合于將36個125毫米x125毫米的硅襯底加熱至1150℃，并在氣體流經(jīng)襯底載體的加工期間維持該溫度。
圖10示出沿著氣流方向(曲線1001)和垂直于氣流方向(曲線1002)在襯底載體和氣體歧管的外表面上測量的歸一化輻照曲線圖。要注意，輻照度與溫度成正比，但無需估計熱損失。輻照度按瓦特/每平方毫米(在紅外光譜中測量)來計量，并作為橫跨襯托器的位置(按毫米計量)的函數(shù)。外延反應(yīng)器的中心部分的示出截面y-y和z-z的截面圖分別設(shè)置在輻照曲線圖的上面和下面。要注意，為了便于說明，第二燈模塊(在襯底載體的相對側(cè))，未在截面圖中示出。在曲線1001和1002分別對應(yīng)于上圖和下圖的如箭頭所指示的。繪圖的水平刻度與輻照曲線的橫軸相對應(yīng)-例如，曲線1001的側(cè)峰在空間上相應(yīng)于氣體歧管405的位置。
輻照曲線1001示出如何在氣體歧管405、熱阻擋件505、氣體分布通道504和襯托器和襯底之處控制溫度。氣體通過專用燈712在歧管405內(nèi)加熱：氣體要小心地加熱到低于會使前體氣體或來自前體氣體的沉積物分解的溫度。可看到該溫度會在熱阻擋件505中下降，所述熱阻擋件為氣體歧管405與襯底載體之間提供若干熱絕緣。由熱阻擋件提供的熱絕緣允許氣體歧管和所述襯底載體的內(nèi)部進行一定程度的獨立溫度控制，正如圖10所示。然后可看到溫度會沿著氣體分布通道504從熱阻擋件到保持襯底的襯托器一直增大。(在一些實施例中，工藝氣體流經(jīng)的通道的表面有功能部件覆蓋，諸如鰭狀件，以增強從通道的壁到工藝氣體的熱傳遞。所述功能部件優(yōu)選地設(shè)計成可改善對工藝氣體的熱傳遞，同時保持整個襯底上有均勻的氣流。)襯托器和襯底保持在恒定的沉積溫度。氣體分布通道、襯托器和襯底的溫度由成排的燈711控制。要注意，溫度曲線的對稱性是必要的，原因有二：(1)確保襯底的溫度均勻，以及(2)允許交叉流處理，正如上述那樣。
鑒于氣流單向地通過反應(yīng)器，并參照圖10所示的曲線1001和截面y-y，氣體首先在氣體歧管中預(yù)熱，然后理想的是氣體在沿著第一組氣體分布通道流動時朝著沉積溫度加熱，并且恰在它流經(jīng)襯底時達到沉積溫度。在流過襯底之后，所消耗的氣體然后在通過第二氣體歧管排出之前會沿著第二組氣體分布通道流動。在交叉流處理期間，氣體的流動方向逆轉(zhuǎn)，排氣歧管變成供氣歧管等等
輻照曲線1002示出如何在熱反射器503、端蓋506以及襯托器和襯底之處控制溫度。襯底和襯托器都保持在恒定的沉積溫度，而端蓋則保持在大致相同的溫度?？煽吹皆摐囟葧ㄟ^熱反射器下降。端蓋、襯托器和襯底的溫度由沿著襯底載體的整個長度延伸的燈模塊的成排的燈711控制。燈902定位成用于端蓋和熱反射器的加熱，由燈902提供的額外熱量確保在襯底和襯托器的整個寬度上的溫度相同，并且避免襯底和襯托器的與端蓋鄰接的邊緣的溫度下降。要注意，溫度曲線的對稱性是必要的，以確保襯底的溫度均勻。
要注意，雖然在上述對實施例的敘述的情況中，在保持襯底的區(qū)域之處的跨越襯托器的溫度相當均勻，但也可設(shè)想出跨越襯托器的溫度是變化的實施例。橫跨襯底的溫度的非均勻性將可用來協(xié)助tcs消耗的補償。燈模塊的燈可以被編程，以適應(yīng)這樣的非均勻的溫度曲線，其中可獨立地控制單個燈或燈組的供電。
外延反應(yīng)器：消耗模式沉積
在本發(fā)明的實施例中，可通過以tcs消耗模式操作反應(yīng)器來降低外延硅沉積的成本，從而達到低成本工藝的所需的高tcs利用率。例如，在tcs前體氣體流經(jīng)襯底的表面時，tcs被消耗，以致于在氣體離開襯底載體時的進一步的下游之處存在很少的tcs。根據(jù)本發(fā)明的原型反應(yīng)器設(shè)計的實驗業(yè)已顯示出高達60％的tcs利用率。如圖1所示，沉積速率隨著tcs的消耗而大大地降低。因此，在襯底沉積的硅的厚度也會在沿著氣體流動的方向上急劇地減小。因此，為了補償減小的厚度，氣流的方向逆轉(zhuǎn)，使得具有低沉積速率的區(qū)域現(xiàn)在會具有高沉積速率，反之亦然。參見圖11a中的曲線1101和1102，其分別示出了襯底上的沿著工藝氣體流的方向(從左至右，然后從右至左)的硅沉積速率。曲線1103示出了該兩種沉積的平均沉積速率，這表明可實現(xiàn)相對均勻的薄膜厚度，雖然在中心會有小的峰值。相反，圖11b的曲線1104示出中心略有下降。圖11a和11b表明，通過改變流率，可實現(xiàn)足夠均勻的薄膜厚度；圖11a的較低流速大約為60至100標準升/每分鐘(slm)，而圖11b的較高流速大約為150～300slm。交叉流可以各種方式來實現(xiàn)，正如上文的參照圖7和8所述的那樣，也可參見sivaramakrishnan等人的在2010年10月21日公布的美國專利申請公開號us2010/0263587，其整體并入本文作為參考。
雖然交叉流的概念簡單，但在實踐中很難使用交叉流來使襯底上沉積的硅的厚度均勻，因為消耗曲線會是高度非線性的(圖1的顯著特征)。然而，調(diào)整tcs/h2比、溫度和流速以使厚度曲線大致為線性以及然后逆轉(zhuǎn)流動方向，業(yè)已成功地實施以平均化厚度變化。使用這種技術(shù)，在反向流之間的粗略平均化可實現(xiàn)所需的小于+/-10％的厚度變化，同時可保持高的tcs利用率。
外延反應(yīng)器：襯底載體的另外的特征
根據(jù)本發(fā)明的襯底載體的各種實施例的進一步細節(jié)在圖12a-12f，13a-13c，14a和14b以及15a-15c中示出。
圖12a示出了如圖6所示的沿著y-y的貫穿襯底載體的截面圖。圖12b-12d示出襯底載體的細節(jié)。圖12e及12f示出在襯底裝載襯托器(圖12e)的過程和襯底在適當位置(圖12f)的平面圖。參照圖12a-12c，12e和12f，可見載體具有外部襯托器1201和中心襯托器1203，如圖所示，其中所述襯托器由連接件1204連接在一起。每一個外部襯托器1201承載一個襯底，而中心襯托器1203承載兩個襯底(每側(cè)一個)；不過，該中心襯托器也可配置成用于雙面沉積(參見圖8的中心襯托器508的橫截面)。襯底滑入襯托器中的凹槽1208和滑入位于所述襯托器的底部的槽1205內(nèi)，并通過固定夾具1202保持在位。圖中示出熱阻擋件505和氣體分布通道504在載體的頂部和底部。通過襯底載體的氣流的例子由箭頭示出。
圖12d示出固定夾具1202的細節(jié)；固定夾具具有橫跨晶片的整個上邊緣的相同橫截面。此外，在襯托器1201和1203的底部的槽1205鎖定該晶片的底部邊緣，并具有如圖12d所示的同一橫截面形狀，除了被反轉(zhuǎn)之外：如下所述，槽的形狀和夾具的形狀的作用相同，并且適應(yīng)橫過整個晶片表面的氣流方向的逆轉(zhuǎn)。此外，鎖定襯底垂直邊緣的凹槽1208具有如圖12d所示的相同的橫截面輪廓，除了具有更大的容差，以便于襯底的滑入和滑出：如下所述，凹槽1208的形狀和夾具的形狀的作用相同。固定夾具的結(jié)構(gòu)使得襯底的表面上可沉積較厚的硅而不會在襯底和襯托器之間出現(xiàn)橋接的外延沉積硅1207。例如，在夾具的尺寸如下時可沉積200微米的晶片而不會發(fā)生橋接：a＝1.5毫米；b＝1.6毫米和c＝0.5毫米。要注意，在襯底邊緣的非均勻沉積硅可在從襯底分離前使用切邊或劃線技術(shù)來去除：晶片可故意地在過大的襯底上沉積，以允許邊緣周圍的1或2毫米的損耗。
圖13a-13c示出襯托器板的可選擇實施例的立體圖。襯托器板1301和可移動的滑動件1302將襯底1310保持在適當位置。如圖13c所示，襯底1310的角部具有所加工的槽1311。圖13b的詳圖示出了與可移動的滑動件1302連接的楔件1303，楔件裝配入槽1311內(nèi)以將晶片固定就位。此外，如圖13a所示，在襯底的另一角部也有類似的楔件。在圖13a-13c所示的實施例中，襯托器為適合于雙面沉積的中心襯托器(參見圖8的中心襯托器508的截面圖。)；但是，保持襯底的同一方法也可用于外部襯托器以及用于為單面沉積而配置的中心襯托器(參見圖7的中心襯托器507的截面圖)。
圖14a和14b示出襯托器板的另一實施例。襯托器板1401和可移動的滑動件1402將襯底1410保持在位。如圖14b的詳圖所示，襯底1410的邊緣中加工有凹槽1411。在可移動的滑動件1402上的突起部1403與凹槽1411相配，以將襯底1410保持在位。要注意的是，突起部也設(shè)置于襯托器板1401的底內(nèi)側(cè)邊緣，其與襯底的底部邊緣中的槽1411相配，正如圖14a所示。在圖14a和圖14b所示的實施例中，該襯托器是外部襯托器，但是，用于保持襯底的同一方法也可用于中心襯托器，而不論是單面還是雙面沉積。
圖15a-15c示出外部襯托器板的另一實施例的詳圖。其配置與圖14a-14b所示的襯托器板相同，除了使用用于鎖定襯底1510的四個夾具1503來代替配置成與所述襯底邊緣中的凹槽相配的突起部之外，這四個夾具兩個在襯底的頂緣，兩個在襯底的底緣。在此實施例中，無需在襯底1510的邊緣加工任何凹槽。圖15a示出了將襯底1510保持到位的襯托器板1501和可移動的滑動件1502。圖15b示出了夾具1503的截面詳圖，示出了襯底1510的頂緣如何被鎖定。夾具1503的尺寸和表面角度可調(diào)整，以允許在襯底的表面上沉積較厚的硅而不會在夾具1503的位置使襯底和襯托器/滑動件之間的硅發(fā)生橋接。此外，在襯底1510的邊緣下還具有凹部1506，所述凹部在整個襯底的周圍延伸。圖15c為在z"-z"平面觀看的示出凹部1506的截面圖，其為襯托器1501的一部分，位于襯底1510的水平邊緣之下。如圖15b所示，該凹部配置成沿著襯底的頂緣和底緣，除非夾具設(shè)置的位置之外。在燈的位置處，凹部如圖15b所示地設(shè)置。凹部配置成減少沉積期間的在襯底和襯托器/滑動件之間的硅發(fā)生橋接。例如，在襯底的邊緣下的1mm左右的凹部就足以避免在襯底上沉積200微米厚的晶片時出現(xiàn)橋接。(在這五個沉積后，該襯托器要清洗以除去積聚的硅。)要注意，凹部還允許在所述襯底的邊緣的周圍出現(xiàn)若干的硅沉積。此外，要注意，在襯底邊緣的非均勻沉積硅可在將晶片從襯底分離前使用切邊或劃線技術(shù)來去除-晶片可故意地在過大的襯底上沉積，以允許邊緣周圍的1或2毫米的損耗。
此外，在襯底的周邊附近的凹部1506可整合入圖13和14的襯托器/滑動件的單面沉積結(jié)構(gòu)中。
如圖12e，12f，13a和14a所示的襯托器板配置成用于承載單個襯底，而多個的所述襯托器板可連接在一起以形成用于承載多個襯底的襯托器板，正如圖12a所示；但是，襯托器板可配置成承載多個襯底，例如襯托器板可配置成保持水平排列的三個襯底，使得該襯托器板501可由兩個相互連接的所述板的“半個”板構(gòu)成。此外，襯托器板501可以是配置成容納所有六個襯底的單板?？蓞⒁妶D5a。
裝載襯底的過程可遵循以下的大體的步驟。將襯底裝入襯托器板，襯底的底緣由槽或其它固定功能部件鎖定。然后使固定夾具或滑動件在襯底的頂緣之上滑進入適當位置。然后將裝載好的襯托器板組裝入襯底載體，其可包括在分立的襯托器之間插入連接件。然后通過添加頂部的氣體分布通道和熱阻擋件來使襯底載體完全地裝配。例如，可參見圖12a的截面圖。
外延反應(yīng)器：氣體歧管
氣體歧管是優(yōu)選的，其可作用為反應(yīng)氣體的噴射器，也可作用為排氣裝置，以便可有效地實現(xiàn)交叉流處理。圖16示出了歧管405的實施例的立體圖。歧管1600具有主體1601、進氣管1602、排氣管1603、如下文中較詳述的用于分隔進氣和排氣的分隔板1604、排氣孔1605、進氣縫1606和用于對準和密封通往襯底載體的氣體歧管的對準隆起部1620。
圖17示出圖16的歧管的第一實施例的視圖，其以與截面y"-y"的平面平行的平面切割，其也平行于圖4的截面y-y的平面。所述歧管具有長型方形斷面的管主體1701，其內(nèi)業(yè)已成型有貫穿的一個或多個孔1731：也許2或3個。所述孔1731與外部氣體供應(yīng)管路連接，以便為所述歧管提供工藝氣體。圓形截面的管1715被焊接到管主體1701的內(nèi)部。所述孔1731也貫穿所述管1715。具有多個均勻間隔的、沿著管1701的長度的形成兩排的小孔1708的氣體擴散器板1707分隔所述管1715的入口部分與出口部分，并確保能通過沿著所述管1701的長度均勻地設(shè)置的多個孔1709而使工藝氣體可沿著歧管的長度從歧管均勻地輸送至襯底載體500的內(nèi)部；不過，孔1708的排列可以改變，只要可保留擴散板的功能即可。通過歧管的工藝氣體的流動由箭頭1710和1711示出。板1704可整合入管1701內(nèi)，以確保工藝氣體和排氣完全分隔開。板1704包括許多孔1705，襯底載體可通過所述許多孔而被消耗；在此特定的實施例中，孔1705是沿著歧管的長度的均勻地間隔開，但也可使用具有其它排列方式的孔1705，只要可達成有效的排氣即可。排氣的流動由箭頭1712和1713示出。排氣沿著歧管的長度通過室1714，并通過與真空泵連接的排氣管(例如1603)從任一端排除。要注意，該歧管只能以工藝氣體供應(yīng)模式或排氣模式來使用，不可同時以兩種模式使用。在圖17所示的歧管的配置容許非?？斓臍饬鞣较蜣D(zhuǎn)換而不會混合排氣和工藝氣體，并可提供較高阻力的進氣(適合高效的工藝氣體預(yù)加熱)和較低阻力的排氣。此外，正如下文的較詳細的敘述，襯底載體可配置成與反應(yīng)器的反應(yīng)室中的氣體歧管耦合，以容納襯底載體內(nèi)的工藝氣體，從而使反應(yīng)器的反應(yīng)室可進行低頻率的清潔和得到高的反應(yīng)器可用性。
此外，如有需要的話，歧管可配置成增大通過歧管的氣體的路徑長度來改善氣體的預(yù)熱。例如，圖18a和18b示出具有較長的通過歧管的工藝氣體路徑長度的歧管設(shè)計的立體圖。所述歧管以與圖16的截面y"-y"和x"-x"的平面平行的平面來切割；圖18b只顯示了完整歧管的僅一半的長度。所述歧管具有長型方形斷面的管主體1801，其內(nèi)業(yè)已成型有貫穿的一個或多個孔1831，也許2或3個。所述孔1831與外部氣體供應(yīng)管路連接，以便為所述歧管提供工藝氣體。一系列管部分1816和1817以及管1818與所述管1801的內(nèi)部連接。所述孔1831也貫穿所述管部分1816。在氣體通過孔1831進入歧管后，它必須流到歧管的末端，以繞過擋板1817，然后沿著歧管的長度回流，以經(jīng)過小孔1819進入管1818內(nèi)。在管1818內(nèi)設(shè)有具有多個均勻間隔的沿著管1818的長度的形成兩排的小孔1808的氣體擴散器板1807，以分隔所述管1818的入口部分與出口部分。擴散板可確保能通過多個孔1809使工藝氣體可沿著歧管的長度從歧管均勻地輸送至襯底載體500的內(nèi)部。板1804整合入管1801內(nèi)，以確保工藝氣體和排氣完全分隔開。板1804包括許多孔1805，襯底載體可通過所述許多孔而消耗，大體如上文中的圖17所述的那樣。排氣沿著歧管的長度通過室1814，并流到歧管的任一端，排氣在該處通過孔1832而排出，所述孔1832通過排氣管(例如1603)與真空泵連接。
圖19a和b示出了圖18a和18b所示的歧管實施例的變型。圖19a和19b示出具有較長的通過歧管的工藝氣體路徑長度的歧管設(shè)計的立體圖。圖19a示出了以與圖16的截面y"-y"的平面平行的平面來切割的歧管的視圖；圖19b示出了圖16的截面x"-x"的截面圖，并指示了通過歧管的進氣流。所述歧管具有長型方形斷面的管主體1901。進氣管1902(也許2或3根)為所述歧管提供工藝氣體。具有側(cè)壁1916和底板1921的矩形截面的箱與管1901的內(nèi)部連接。箱內(nèi)包含阻擋件1917、具有孔1919的板1918以及具有多個均勻間隔的沿著歧管的長度的形成兩排的小孔1908的氣體擴散器板1907。在氣體通過管1902進入歧管后，它必須流到歧管的末端，以繞過擋板1917，然后沿著歧管的長度回流以經(jīng)過孔1919。然后氣體必須通過多個孔1908而穿過擴散板1907，然后通過板1921中的多個孔1909進入入氣縫1906，其沿著歧管的長度將氣體從歧管輸送至襯底載體500的內(nèi)部。板1904可整合入管1901內(nèi)，以確保工藝氣體和排氣完全分隔開。板1904包括許多孔1905，襯底載體可通過所述許多孔而消耗，大體如上文中的圖17所述的那樣。排氣沿著歧管的長度通過室1914，并流到歧管的任一端，排氣在該處通過排氣管(例如1603)而排出到真空泵。
歧管的部件可用例如石英或碳化硅制造。
圖20是平行于y-y平面的平面上的截面圖，其示出氣體歧管與襯底載體的相聯(lián)的細節(jié)。圖20示出了歧管的以下部分：歧管主體2001的底部、具有排氣孔2005的分隔板2004、入氣縫2006、排氣室2014和對準隆起部2020。圖20示出襯底載體的以下部分：熱阻擋件2010的上部、氣流分流器2011(其將氣流分成通過襯底載體的兩個流動通道，可參見圖12a)和設(shè)計成與對準隆起部2020相配合的接納通道2012。要注意，對準隆起部與接納通道在所述歧管和襯底載體之間形成完全密封，從圖1中的對準隆起部1620的視圖來看這是顯而易見的。對準隆起部的梯形部分和匹配的接納通道使所述歧管和襯底載體的配合可具有若干容差，該容差用于在該兩部分合在一起時的不對準，梯形部分的斜緣將引導兩個部分正確地對準。需要注意的是，歧管和襯底載體的耦合是通過以箭頭所示的方向移動部件，可移動任一或兩個部件；兩者的脫開則涉及以相反方向移動所述部件。所述襯底載體與歧管的相聯(lián)的進一步詳情在sivaramakrishnan等人的在2010年10月21日公布的美國專利申請公開號us2010/0263587中提供，其整體并入本文作為參考。梯形截面的隆起部和通道也容許相配部件的材料的熱膨脹上的差異，所述材料可以是石英(歧管)和碳化硅(熱阻擋件)。圖20中示出的隆起部和通道具有非常相似的尺寸；但是，更典型的是，通道可比隆起部寬1.5到2倍，以便于部件的聯(lián)接，只要如此可容許在部件的對準容差范圍內(nèi)的對準即可。另外，隆起部和通道不限于具有梯形截面，可使用具有其它截面的隆起部和通道，只要它們具有斜緣即可。此外，隆起部可在襯底載體上，而通道可在歧管上。此外，可使用任何數(shù)目的相匹配的隆起部和通道，以便按需要提供密封和對準。
為了將完全組裝好的襯底載體加載入外延反應(yīng)器中，可遵循以下的大體的步驟。用自動機械將襯底載體傳送到外延反應(yīng)器中。上移/下移一個或兩個氣體歧管以提供空間，使襯底載體移動到位。使襯底載體在反應(yīng)器的氣體歧管之間移動到位。襯底載體和氣體歧管相配合并借助于如上所述的對準隆起部和通道來密封，例如，襯底載體可降低到下氣體歧管之上，然后上氣體歧管可降低到襯底載體的頂部之上的位置。要從反應(yīng)器中除去所述襯底載體，可將該過程逆轉(zhuǎn)。
成本模型再探
使用本發(fā)明而可預(yù)期實現(xiàn)的硅晶片制造成本的降低使得在可預(yù)見的未來可讓單晶體硅太陽能電池具有成本競爭力。本發(fā)明的硅外延反應(yīng)器的實施例可用來說明本發(fā)明在用于硅太陽能電池制造上的商業(yè)優(yōu)勢。所使用的成本模型假定系統(tǒng)具有10個小型批量處理反應(yīng)器，每個的容量為36個125×125平方毫米的襯底。系統(tǒng)以tcs消耗模式來操作，其使用加熱燈來控制襯底溫度及交叉流沉積。假定180微米厚的硅晶片以3.5微米/每分鐘的速度來增長。低熱質(zhì)量的襯底載體的設(shè)計允許從室溫的加熱及冷卻至約500℃要用25分鐘。(當溫度達到500～600℃時，將襯托器從沉積室中移入冷卻室。)
使用上述假設(shè)，以3.5微米/每分鐘的速率同時沉積180微米厚的硅的時間為51.4分鐘，而用于將批量的襯底從室溫加熱至約1150℃并在其后將批量襯底從反應(yīng)器中去除之前使沉積溫度冷卻至500至600℃的額外時間約25分鐘，給出的包括額外時間的總沉積時間為：
51.5+25＝76.5分鐘
如此給出了具有36個襯底的10個小型批量處理式系統(tǒng)的生產(chǎn)量為：
36x10x60/76.5＝282晶片/每小時
然后，假設(shè)沉積系統(tǒng)的asp資本折舊費用為300萬美元，按7年期以及90％的正常運行時間和90％的利用率來計，折舊費用為：
3.0x106/(282x0.9x0.9x24x350x7)＝$0.22/晶片
假設(shè)用$3/kg的tcs和50％tcs利用率，則耗用的tcs成本為$0.20/晶片。其它氣體的成本(主要是氫氣)大約是＄0.10/晶片。此外，其它消耗品，諸如燈具、襯托器和襯底的成本，估計為$0.10/晶片。
假設(shè)10個小型批量處理反應(yīng)器各個的兩個燈單元的每一個具有110kw的平均額定功率，則加熱襯底的耗電成本可由下式給出：
總開燈時間＝51分鐘(沉積)+15分鐘(升溫)＝66分鐘
36個晶片消耗的總能量＝110x2x66/60＝242kwh
按4￠/kwh計，則成本/晶片＝242x0.04/36＝$0.26/晶片
此外，與可重復使用的單晶硅襯底的相關(guān)成本包括約$0.05/晶片的多孔硅分離層的生長成本，以及假設(shè)壽命為100次沉積的$0.18/晶片的硅襯底重復使用和回收成本。
180微米厚的外延硅晶片的總成本是前面所計算的成本的總和：
$0.22+$0.20+$0.10+$0.10+$0.26+$0.05+$0.18＝$1.11/晶片
假設(shè)太陽能電池輸出(對于17％的效率而言)為2.65w，成本/wp約為$0.40，符合在背景技術(shù)的結(jié)尾所述的“總外延沉積成本接近＄0.70/晶片”的目標。
本文的很多假設(shè)，包括沉積速率和tcs利用率業(yè)已通過原型反應(yīng)器而得到驗證。上述成本數(shù)值的計算假設(shè)的大規(guī)模生產(chǎn)的適度規(guī)模為每年100mw。
此外，本發(fā)明允許生產(chǎn)各種厚度的晶片，包括非常薄的50微米以下的晶片。使用本發(fā)明的外延反應(yīng)器的薄硅晶片沉積對如上所述的180微米晶片而言尤其具有商業(yè)利益，因為傳統(tǒng)晶片的生產(chǎn)效率由于切縫損失隨著晶片變薄而變大而因而下降。
除了對于所有晶片厚度而言的商業(yè)優(yōu)勢，許多區(qū)別型技術(shù)優(yōu)勢將允許持續(xù)的成本優(yōu)勢。這些包括：(1)用于較高模塊組裝密度的完美正方形晶片，(2)高質(zhì)量單晶硅晶片，沒有柴氏晶片中的溶解氧，(3)可p或n型摻雜的晶片，及(4)用于高效率(較高的vcc和較低的重組損耗)的內(nèi)置b摻雜型bsf(背面場)。
剝離層的細節(jié)
業(yè)已敘述了本發(fā)明的外延反應(yīng)器和沉積方法，根據(jù)本發(fā)明的硅晶片制造的方法步驟的更多的方面同樣可參照圖2來提供。在方法步驟(210)中，具有晶面表面的硅襯底(100)是優(yōu)選的，因為該結(jié)晶取向與通過在氫氟酸溶液中的陽極化的剝離層生成是最兼容的。在步驟(220)的優(yōu)選實施例中，剝離層通過氫氟酸電解質(zhì)中的陽極化而成型，且陽極化受到控制以形成具有不同孔隙率的子層的剝離層。例如，在硅襯底的表面上，于低孔隙率的層之下形成高孔隙率的層，該高孔隙率層提供晶片剝離的便利性以及低孔隙率層為外延生長提供良好的型板。剝離層的成型的進一步細節(jié)、包括用于多個襯底的高生產(chǎn)量加工方法，在ravi等人的于2009年9月10日公布的美國專利申請公開號us2009/0227063中提供，其整體并入本文作為參考。用于使硅晶片從襯底分離的方法依賴于剝離層的高孔隙率子層相對于鄰接層的機械脆弱性。用于步驟(240)的適宜方法的一些例子在ravi等人的于2009年9月10日公布的美國專利申請公開號us2009/0227063中提供，其整體并入本文作為參考。在將晶片從襯底分離后，分離層的殘余可輕易地通過使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的技術(shù)以化學和/或機械加工法除去。需要注意的是，如上所述，襯底表面的陽極化，在陽極化表面上的外延沉積以及晶片從襯底的分離可以在襯底的兩側(cè)上同時進行，這可以在生產(chǎn)量和降低制造成本上提供進一步的改善。
如步驟250所示，襯底可以重復使用：在剝離沉積的晶片之后，剝離層的殘余被去除以及生產(chǎn)流程從步驟210開始再次繼續(xù)下去。襯底可以重復使用的次數(shù)取決于許多因素，包括初始襯底的厚度。例如，如果使用多孔硅剝離層，則725微米厚的襯底在達到400至500微米的最小可用厚度之前可重復使用50次以上。
根據(jù)本發(fā)明的外延硅晶片的一些特征
本發(fā)明的硅外延反應(yīng)器和沉積方法業(yè)已用來沉積厚度介于5和250微米之間的硅晶片，其在2×2數(shù)組的125x125毫米平方晶片上測量的厚度均勻性為±4％至5％，并且預(yù)期可生產(chǎn)厚度介于1到300微米之間的硅晶片，其厚度均勻性優(yōu)于±10-15％。如上所述，這些結(jié)果表明tcs消耗模式與襯底溫度控制、交叉流等等的結(jié)合的操作的成功。此外，可預(yù)期的是，使用本發(fā)明可制成厚度高達500微米至600微米的晶片。顯然，厚度大約為50微米以下的晶片將需要手柄或其它支承件，例如，為了論述用于外延硅晶片的把手，可參見ravi等人的于2009年9月10日公布的美國專利申請公開號us2009/0227063，其整體并入本文作為參考。要注意，如果膜厚均勻性優(yōu)先于沉積成本，那么就可預(yù)期，使用本發(fā)明的外延反應(yīng)器可實現(xiàn)±1～2％的厚度均勻性。
本發(fā)明的硅外延反應(yīng)器和沉積方法業(yè)已用于通過tcs前體來沉積硅晶片，其中襯底溫度在1000～1250℃的范圍內(nèi)，以提供3.5至10微米/每分鐘的沉積速率。此外，在950至1300℃的范圍內(nèi)的沉積預(yù)期可提供單晶硅晶片。
本發(fā)明的硅外延反應(yīng)器和沉積方法業(yè)已用來沉積具有60％的tcs利用率的硅晶片，且可預(yù)期的是，通過進一步減少晶片載體的非襯底表面區(qū)域就可實現(xiàn)70％的tcs利用率。另外，超過5％至10％的tcs利用率代表在半導體業(yè)界所使用的沉積方法上的改進，40％或以上的tcs利用率在目前代表該方法在太陽能市場上變得具有成本競爭力。如圖1所示，本發(fā)明的反應(yīng)器可以低的cl/h比來操作，甚至低至生長速率與cl/h比的曲線中的拐點值。(隨著cl/h比的降低，為了在襯底上沉積硅而耗用的前體氣體的百分比增大以及該方法從前體消耗的觀點而言變得更加有效和成本更低。因此，業(yè)已有人要求以低的cl/h比來操作反應(yīng)器，以降低前體消耗的成本。)本發(fā)明的外延反應(yīng)器能夠以低tcs/氫氣比來操作，因為該反應(yīng)器的設(shè)計允許用特制的沉積條件來補償沉積消耗模式，其中在前體氣流的方向上的在整個襯底上的硅生長速率可以大大地變化。
本發(fā)明的進一步實施例
雖然業(yè)已相對于以tcs前體氣體來制造外延硅晶片的工具和方法來敘述本發(fā)明，但也可使用其它前體氣體，包括二氯硅烷、硅烷、四氯化硅等等。
雖然業(yè)已相對于用于太陽能應(yīng)用的方硅襯底的制造工具和方法來敘述本發(fā)明，但本發(fā)明的原理和概念適用于制造具有各式各樣的尺寸范圍的矩形硅襯底、圓形硅襯底(帶有或不帶有平面)等等。在原則上，通過簡單地設(shè)置具有要求形狀的樣板硅襯底，就可形成任何形狀的晶片?？蛇x擇地，例如使用激光劃線工具，就可使用大的硅襯底并可形成不同的形狀。然后使用諸如在ravi等人的于2009年9月10日公布的且其整體并入本文作為參考的美國專利申請公開號us2009/0227063中所述的合適的剝離技術(shù)就可去除所述形狀。
雖然業(yè)已相對于用于單晶硅和多晶硅太陽能電池的制造工具和方法來敘述本發(fā)明，但本發(fā)明的原理和概念適用于制造具有各式各樣用途的晶體硅晶片，包括不要求高分辨率光刻技術(shù)的半導體器件，諸如微流體裝置的一些mems(微機電系統(tǒng))器件等等。此外，本發(fā)明可適于以較低tcs轉(zhuǎn)化率為代價來提供具有較均勻厚度(約±1％)的外延硅，并將能夠在半導體業(yè)界中的下一代硅襯底(450毫米晶片)上沉積外延硅。然而，為了實現(xiàn)該水平的均勻度，該方法可能需要額外的改變，包括在沉積過程中轉(zhuǎn)動襯底，或相對于流動方向以小的角度傾斜襯底，正如在sivaramakrishnan等人的在2010年10月21日公布的美國專利申請公開號us2010/0263587中的敘述，其整體并入本文作為參考。
雖然業(yè)已相對于用于單晶硅和多晶硅太陽能電池的制造工具和方法來敘述本發(fā)明，但本發(fā)明的原理和概念適用于外延沉積各式各樣的晶體材料，包括gaas、gan、ge、si-ge、ingaas、sic等等。所述各式各樣的材料的沉積通過硅襯底的表面上的多孔硅分離層而變成可能，所述表面比未改性的晶體硅表面可容納較大的晶格失配?？蛇x擇地，可使用其它襯底，諸如鍺，可以預(yù)期的是，使用陽極化可在該襯底上形成合適的多孔分離層，該分離層必須允許外延膜的沉積。
雖然業(yè)已參照本發(fā)明的若干實施例具體地敘述了本發(fā)明，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍下，可在形式和細節(jié)上進行修改和變更。