Устройство для непрерывного выращивания ориентированных слоев кремния на углеродной ткани
Изобретение относится к области выращивания из расплава поликристаллических слоев кремния и может найти применение в производстве солнечных элементов (фотопреобразователей). Сущность изобретения: устройство включает тигель для расплава, нагреватель, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, и капиллярный питатель. Подложка выполнена из углеродной сетчатой ткани, нагреватель состоит из двух секций нагрева: квадратной, внутри которой установлен тигель, и прямоугольной, размещенной над подложкой, причем сечение элементов нагревателя подбирается таким образом, чтобы секция нагрева тигля была перегрета относительно секции нагрева подложки. Для капиллярной подачи расплава кремния из тигля используют жгуты из углеродной нити, намотанные на хвостовик питателя, для пополнения уровня расплава в тигле используют вибропитатель подачи дробленого кремния. Технический результат изобретения заключается в увеличении производительности устройства и создании условий для получения ориентированной крупнокристаллической структуры кремниевого слоя на подложке, естественным образом открытой для создания тыльного электрического контакта. 1 ил.
Изобретение относится к области выращивания из расплава поликристаллических слоев кремния и может найти применение в производстве солнечных элементов (фотопреобразователей).
Известно устройство, содержащее тигель, нагреватель, вытягивающий механизм и приспособление для поддержания уровня расплава в тигле постоянным (Мейсон Б. Нанесение кремниевой пленки на керамические листовые подложки. «Электроника», 1979, т.52, №15, с.10-11). Это устройство позволяет выращивать слои кремния на длинномерных керамических подложках, покрытых слоем углерода для смачивания расплавом кремния, с использованием желобообразных кварцевых тиглей.
Однако известное устройство имеет ряд недостатков. Так, поддержание уровня расплава в тигле постоянным представляет сложную техническую задачу. При проведении процесса выращивания слоя необходима процедура «затравливания», состоящая в переполнении тигля расплавом при помощи приспособления для регулирования уровня, приведении подложки в контакт с расплавом и формировании мениска путем подъема подложки на необходимую высоту над стенками тигля, которая усложняет технологию и снижает производительность установки. Кроме того, керамическую подложку необходимо перфорировать, так как иначе невозможно создать тыльный контакт к выращенному слою кремния. Это дополнительно повышает стоимость продукции.
Известно устройство для выращивания ориентированных кристаллических слоев на смачиваемых расплавом кремния подложках, включающее тигель для расплава, установленный внутри нагревателя, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, и питатель, вертикально расположенный в тигле, выполненный из смачиваемых расплавом пластин, образующих между собой капиллярный канал и имеющих острые рабочие кромки для подачи расплава на подложку (Патент США №4022652, В 01 J 17/18, 1977). Это устройство предназначено для выращивания кристаллического слоя на подложке, в качестве которой выступает ленточный кристалл, выращенный из нижнего тигля. Пластины питателя расположены параллельно подложке так, что подложка при ее перемещении скользит по наружной стороне пластин питателя.
При этом между подложкой и пластиной образуется капиллярный зазор, который при работе устройства будет заполняться расплавом из тигля аналогично зазору между пластинами питателя. Недостатком устройства является проникновение расплава из верхнего тигля в нижний, а также то, что работа его верхней части возможна только при использовании предварительно приготовленных твердых подложек, при этом площадь контакта подложки с расплавом, вследствие его затекания в щель между питателем и подложкой определяется площадью пластины питателя, вдоль которой протягивается подложка.
Значительная величина зоны контакта расплава с подложкой приводит к ухудшению качества выращиваемого слоя вследствие загрязнения расплава примесями.
Известно устройство для выращивания ориентированных кристаллических слоев на подложке по авт. св. СССР №949979 (опубл. 1982 год, Бюллетень изобретения и открытия, №45, с.283), включающее тигель для расплава, установленный внутри нагревателя, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, и капиллярный питатель, вертикально расположенный в тигле, выполненный из смачиваемых расплавом пластин, образующих между собой капиллярный канал и имеющий острые рабочие кромки для подачи расплава на подложку. Подложка расположена перпендикулярно пластинам питателя.
Недостатком устройства является необходимость использования только твердых подложек. При получении слоев кремния необходимо дополнительно выполнять в подложках отверстия для обеспечения тыльного электрического контакта к слою кремния.
Другим недостатком известного устройства является неоправданно сложная конструкция питателя. Он выполнен сборным из пластин и снабжен острыми кромками для уменьшения зоны расплава, контактирующего с подложкой. При выращивании слоев кремния на углеродной сетчатой ткани необходимо, напротив, увеличить ширину зоны контакта расплава с подложкой, так как лимитирующей стадией процесса является пропитка подложки расплавом, сопровождающаяся превращением материала подложки в карбид кремния. Питатель экономически выгоднее выполнять монолитным, а капиллярные каналы, - полуоткрытыми.
Известное устройство не предусматривает подачу шихты в плавильный тигель. Поддержание уровня расплава в тигле относительно уровня подложки обеспечивается постепенным перемещением тигля вверх. Это ограничивает производительность непрерывного процесса емкостью тигля.
Нагреватель питателя и тигля выполнен симметричным относительно оси вытягивания подложки, что в случае выращивания слоев кремния приводит к образованию мелкокристаллической неориентированной структуры материала.
Вышеприведенное устройство наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству, поэтому выбрано в качестве прототипа.
Технический результат, полученный при осуществлении настоящего изобретения, выражается в увеличении производительности устройства и создании условий для получения ориентированной крупнокристаллической структуры кремниевого слоя, на подложке, естественным образом открытой для создания тыльного электрического контакта.
Для достижения указанного технического результата в устройстве для выращивания ориентированных кристаллических слоев кремния, включающем тигель для расплава, нагреватель, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, и капиллярный тигель, подложка выполнена из углеродной сетчатой ткани, нагреватель состоит из двух секций нагрева: квадратной, внутри которой установлен тигель, и прямоугольной, размещенной над подложкой, причем сечение элементов нагревателя подбирается таким образом, чтобы секция нагрева тигля была перегрета относительно секций нагрева подложки; для капиллярной подачи расплава кремния из тигля используют жгуты из углеродной нити, намотанные на хвостовик питателя, для пополнения уровня расплава в тигле используют вибропитатель подачи дробленого кремния.
Благодаря наличию этих признаков кристаллическая структура слоя кремния формируется на относительно «прозрачной» для тыльного металлического контакта подложке. Размещение степени нагревателя над подложкой позволяет создать наклон фронта кристаллизации к плоскости горизонта, за счет чего фронтальная поверхность слоя кремния не наследует структуры подложки, а формируется исключительно тепловыми условиями процесса кристаллизации. В результате создается оптимальная для пластин солнечного кремния структура, включающая вытянутые вдоль направления вытягивания зерна достаточно крупного размера.
Применение жгутов из углеродной ткани для подачи расплава к питателю из тигля позволяет предотвратить попадание микрочастиц карбида кремния из тигля в растущий слой (наиболее перспективным видом дешевой шихты кремния являются отходы литьевого кремния, содержащие включение микрокристаллов карбида кремния). Кроме этого, использование таких жгутов позволяет резко снизить затраты на возобновление технологической оснастки из дорогостоящего графита, снабженной также специальными покрытиями.
Использование вибропитателя для подачи дробленого кремния в тигель позволяет увеличить длительность непрерывного процесса и сократить энергозатраты за счет снижения габаритов тигля и зоны его нагрева.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом. Тепловая изоляция, крепежные элементы и детали механизмов на нем не приведены.
Устройство для непрерывного выращивания ориентированных слоев кремния на углеродной сетчатой ткани содержит нагреватель 1, выполненный из графита, подложку 2 из углеродной сетчатой ткани, намотанную на бобину 3, питатель 4 из плотного графита, графитовый тигель 5, вибропитатель дробленого кремния 6, вибропривод 7 и роликовый механизм вытягивания 8 подложки 2. Хвостовик питателя обматывается жгутами 9 из углеродной нити для капиллярной подачи расплава. Нагреватель 1 выполняется составным и снабжается вертикальными прорезями для обеспечения необходимого электросопротивления. Подложка 2 из сетчатой углеграфитовой ткани на основе вискозных волокон нарезается на мерные полосы, подвергается уплотнению пироуглеродом и термохимической очистке галогенами. Бобина 3 размещается в ростовой камере на кронштейне и снабжается тормозом для натяжения подложки. Капиллярный питатель 4 выполняется из плотного графита и дополнительно подвергается термохимической очистке и модифицированию пироуглеродом для предотвращения растрескивания при контакте с расплавленным кремнием.
Тигель 5 изготавливается из высокоплотного графита и проходит до использования те же операции. Вибропитатель 6 изготовлен из плавленого кварца. Вибропривод 7 размещается над правым торцом вибропитателя и управляется источником напряжения, размещенным за пределами ростовой камеры. Механизм вытягивания 8 размещен также за пределами ростовой камеры.
Нагреватель 1 включает квадратную (на виде сверху) секцию нагрева тигля и прямоугольную секцию для обеспечения температурного режима в области выращивания слоя кремния на подложке. Прямоугольная секция размещается над подложкой. Сечение элементов нагревателя подбирается таким образом, чтобы секция нагрева тигля была перегрета относительно секции нагрева подложки. При этом обеспечивается практически мгновенное плавление дробленого кремния, непрерывно поступающего в тигель 5 из вибропитателя 6.
Устройство работает следующим образом.
Нарезанная на мерные ленты шириной до 0,12 м, модифицированная пироуглеродом и подвергнутая термохимической очистке углеродная сетчатая подложка 2, намотанная на графитовую бобину 3, снабженную тормозом для натяжения подложки, устанавливается внутри ростовой камеры. В полости графитового нагревателя 1 устанавливается графитовый тигель 5 на подставке. На крепежных элементах, связанных с изолированными от нагревателя 1 конструкциями, устанавливается капиллярный питатель 4, хвостовик которого обмотан жгутами 9 из углеродной нити. На двух опорах крепится вибропитатель 6, загруженный дробленым кремнием 10. К вибропитателю 6 подключают вибропривод 7. Подложка 2 выводится к выпускной щели ростовой камеры, которая закрывается вакуумно-плотной крышкой. После проведения откачки камеры включают систему нагрева и достигают значения температуры, превышающей точку плавления кремния. Затем включают вибропривод 7 и заполняют тигель 5 кремнием. После этого выключают откачку и заполняют ростовую камеру аргоном до атмосферного давления. Затем открывают крышку выпускной щели ростовой камеры, вытягивают подложку и заправляют ее конец между роликами механизма вытягивания 8. В дальнейшем проводят непрерывную подачу аргона в ростовую камеру. После натяжения подложки 2 устанавливают скорость ее перемещения и темп подачи дробленого кремния 10. По мере выхода подложки со слоем кремния 11, ее периодически механически обламывают, при этом процесс продолжается вплоть до исчерпания запаса кремния в вибропитателе 6 или подложки на бобине 3.
Устройство для непрерывного выращивания ориентированных слоев кремния, включающее тигель для расплава, нагреватель, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, и капиллярный питатель, отличающееся тем, что подложка выполнена из углеродной сетчатой ткани, нагреватель состоит из двух секций нагрева: квадратной, внутри которой установлен тигель, и прямоугольной, размещенной над подложкой, причем сечение элементов нагревателя подбирается таким образом, чтобы секция нагрева тигля была перегрета относительно секции нагрева подложки; для капиллярной подачи расплава кремния из тигля используют жгуты из углеродной нити, намотанные на хвостовик питателя, для пополнения уровня расплава в тигле используют вибропитатель подачи дробленого кремния.
