用于生产晶体硅基板的方法和设备技术

一种用于从液体进料材料例如硅的熔体池连续地生产晶体带状物的设备和方法。使硅熔化并且流入生长托盘中以提供液体硅的熔体池。通过允许热从熔体池向上流经烟囱状物而被动地除热。在经过烟囱状物发生热损失时，同时对生长托盘加热以保持硅处于它的液相。当经过烟囱状物损失热时，模板被设置成与熔体池接触，从而硅开始“凝固”（即固化）并且附着到模板上。然后从熔体池提拉模板，由此生产晶体硅的连续带状物。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于生产适用于制造光伏电池的薄的硅基板的方法和设备，并且在它的一个方面，涉及一种用于从它的熔体横向地提拉长的晶体带状物的方法和设备，所述晶体带状物由未加晶种的生长建立起来并且在可强烈变化的热损失辐射控制下实现。
技术介绍
这些年来，研发可替代化石燃料的能源已经变得越来越重要。一种这样的替代能源是太阳能，其中光伏电池等将太阳能直接地转变成有用的电能。通常，多个这些光伏电池被封装在透明薄片(例如玻璃、塑料等)和衬底材料薄片之间以形成平坦的、矩形的模块(有时也被称为层压板或者面板)，该模块则又被安装到现有结构(例如房屋、大楼等)的房顶上以提供被该结构所使用的全部或者至少一部分电能。多数光伏电池由硅基、晶体基板构成。这些基板能够是从硅锭或者从硅的带状物切割的晶片，其中该晶锭或者带状物是由批量的熔融硅生长的。在带状晶体生长和太阳能的早期研发中，研制出几种设备以生产具有良好晶体质量的硅衬底(silicon body)或者硅基板。然而，不幸的是，大多数的这些带状物生长设备都过于专注(a)生产完美晶体质量的带状物(例如，厚度通常在200和400微米之间的纯基板形状(net shape of the substrate))或者(b)完善对于连续生长操作而言所必需的熔化和生长的组合。这导致仅仅生长了小的晶体面积，或者作为选择，由于与生长区相接触的双熔体等温线(dual meltisotherm)，整个操作是不稳定的。作为这些努力的一部分，还对于向生长区施加冷却气体、主要为氦气以实现对于所期望的晶体生长而言所需要的适当除热给予了重大关注。然而，在于生长操作期间，维持适当体积的冷却气体方面产生困难。S卩，在晶体基板的生长期间，不足的气体流动没有允许去除足够的热以使得足够高的生长速率能够易于在经济方面具有竞争力。另一方面，仅仅将冷却气体流动增加至足以实现所需除热的速率导致了破坏了基板的熔体表面的增加的气流，由此阻碍了所期望的平坦晶体薄片的形成。用于改正这个问题的又一尝试包括降低加热器输入功率，但不幸的是，这导致不良的热梯度控制；即保持稳定的晶体生长前沿而不存在形成枝晶的倾向的能力。最近，已经提出其它方案以克服与硅基、晶体基板的生长有关的上述问题中的一些问题。例如，美国专利4329195描述了一种用于通过使用冷却气体(即氩气和氢气或者氦气的混合物)和晶种开始基板生长而以较高速率生长薄且宽的基板的技术。然而，由硅进料杆对熔融硅的供应加以补充，该硅进料杆则又被安置到产生附近的晶体薄片的同一熔体区中，由此产生引起控制问题的所不期望的双熔体等温线的难题。另一项技术包括在生长期间使得基板与热沉直接接触以对从基板除热进行控制；见美国专利3681033和Float Zone Silicon SheetGrowth(浮动区硅薄片生长)(C.E. Bleil， Final Report-DOE Grant No.DE隱FG45-93R551901， 9/23/93到12/31/96)，这可能会在基板的表面中引起不均匀性。此外，用于形成晶体基板的很多现有技术依赖于形成弯月面(meniscus)，以用作生长过程的唯一支撑；见美国专利2927008。然而，很多这种自立式弯月面成形和相关技术使用石墨或者碳化硅模具限定带状物，并且据此具有在变化的条件下提供稳定且均匀的带状物厚度的困难。而且，与这些碳源之一的连续和直接接触促使熔体污染 并且限制了最终的太阳能电池的性能。这些类型的技术也依赖于从熔 体竖直提拉，并且因为热将沿着垂直于生长前沿的生长中的带状物的 长度损失，所以能够被去除的总热量受到严重地限制。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于从液体硅的熔体池(melt pool)连续地生产或者形成硅的片材或者带状物、优选地晶体硅的片材或者带状物的设 备和方法。使硅在熔体腔室中熔化并且流入生长托盘中，在该生长托 盘中它形成水平的液体硅熔体池。通过允许热从熔体池向上流经烟囱 状物而以被动的方式除热，该烟囱状物则又位于该熔体腔室的下游。 在经过烟鹵状物发生热损失时，同时对生长托盘加热以保持硅处于它 的液相。在已经发生热损失的点，将模板的一端设置与熔体池相接触， 从而硅开始凝固(即固化)并且附着到模板上。从熔体池提拉该 模板，由此生产硅、优选地晶体硅的连续带状物。更加具体地，本专利技术提供一种设备和方法，其中硅在坩锅内熔化， 该坩埚则又被安置于加压的水冷却熔炉中。该坩锅支撑在生长板上， 该生长板还支撑该坩锅下游的除热装置(例如烟囱状物)。熔化硅流 经坩锅中的出口并且流入生长托盘中。优选地，当熔化硅填充托盘并 且在托盘内形成基本均匀的、水平的熔体池时，在该出口下方、生长托盘中的凹座(dimple)和中部托盘突脊有助于使得熔化硅变得平滑。可调节装置，例如节流板被设置于烟囱状物中，通过该节流板能 够调整从熔体池经过烟囱状物的热流动。辐射热(即热损失)向上流 经烟囱状物并且在熔炉的水冷却壁处消耗掉。在受控热损失引起硅开 始固化由此它附着到模板上的点，模板被安置与熔体池接触。模板被 从生长托盘取出，由此随之一起地提拉正在固化的硅的片材或者带状 物。虽然关于使用硅作为进料材料以形成硅、优选地适用于制造太阳 能电池的晶体硅的带状物对本专利技术进行描述，但是应该理解，本专利技术的设备和方法能够用于将其它进料材料转变成这种进料材料的带状 物。这类其它的进料材料能够包括例如其它半导体材料。优选地，所述其它进料材料具有至少大约120(TC的熔点、高表面张力和比固相更加致密的液相。当使用除了硅之外的进料材料时，将对用于构造生长 托盘和坩锅的材料进行选择，从而它们与那种特定的液体进料材料相容。附图说明通过参考附图将更好地理解本专利技术的实际构造操作和明显优点， 附图未必按照比例，其中同样的附图标记表示同样的部件，并且其中-图1是为了示出本专利技术设备实施方案而被部分地剖开的位于用于生产晶体基板的设备中的熔炉的简化示意图； 图2是图1设备的放大视图；及 图3是图2设备的分解视图。虽然将结合它的优选实施方案描述本专利技术，但是应该理解本专利技术 不限于此。相反，本专利技术旨在涵盖可以被包括于如由所附权利要求书 限定的本专利技术精神和范围中的所有的可替代形式、修改和等同形式。具体实施例方式现在参考附图，图1图解说明了根据本专利技术的熔炉50。熔炉50 由具有允许控制熔炉中的环境条件的水冷却壁52的真空/压力容器51 构成。设备10被安置和支撑于容器51中，该设备10用于根据本专利技术 方法生产薄的、连续的、优选为晶体的基板或者带状物(在全文中互 换使用)。设备10由熔体腔室11构成，该熔体腔室11则又由倾注坩锅基座 12构成，该倾注坩锅基座12具有位于其中的倾注坩锅13并且具有在 周围的绝缘层14。如在全文中所使用的术语基座指的是一种提供 稳定体的结构，该稳定体(a)在高温下用作机械支撑并且(b)是导电的以从感应加热线圈接收功率。在绝缘层14周围安置了用于供应熔化 倾注埘锅13内的硅所必要的功率的加热装置(例如电感应加热线圈15)。顶盖16封闭熔体腔室11的顶部并且具有穿过其中的开口 17， 该开口 17用于将固体硅(未示出)进料到倾注坩锅13中，这在下面 更加充分地讨论。倾注坩锅13被支撑在生长板18上，该生长板18本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产进料材料的连续带状物的设备，所述设备包括：　用于熔化所述进料材料的熔体腔室，所述熔体腔室具有出口；　被安置为从所述熔体腔室的所述出口接纳熔化的进料材料的生长托盘；和　位于所述熔体腔室的所述出口下游的除热装置，该 除热装置与所述生长托盘中的所述熔化的进料材料隔开但是与该熔化的进料材料热连通，所述除热装置包括可调节装置，该可调节装置适于调节从所述生长托盘中的所述熔化的进料材料中辐射的热量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-9-28 60/827,2461. 一种用于生产进料材料的连续带状物的设备，所述设备包括用于熔化所述进料材料的熔体腔室，所述熔体腔室具有出口；被安置为从所述熔体腔室的所述出口接纳熔化的进料材料的生长托盘；和位于所述熔体腔室的所述出口下游的除热装置，该除热装置与所述生长托盘中的所述熔化的进料材料隔开但是与该熔化的进料材料热连通，所述除热装置包括可调节装置，该可调节装置适于调节从所述生长托盘中的所述熔化的进料材料中辐射的热量。2. 根据权利要求l的设备，所述设备包括挡板，所述挡板位于所述熔体腔室的所述出口中并且适于仅仅允 许熔化的进料材料流经所述出口并且流入所述生长托盘中，而将任何 固体保留在所述熔体腔室中。3. 根据权利要求2的设备，其中所述除热装置包括 位于在所述熔体腔室的所述出口的下游的所述生长板上的烟囱状物，所述烟囱状物适于允许热从所述生长托盘中的所述熔化的进料材 料经过所述烟囱状物向上辐射；并且其中所述可调节装置包括可枢转地安装于所述烟囱状物中并且可移动以控制经过所述烟囱 状物的热通道面积的至少一个节流板。4. 根据权利要求3的设备，包括所述生长托盘中的位于所述熔体腔室的所述出口下方的凹座，当 熔化的进料材料流经所述出口并且流入所述生长托盘中时，所述凹座 适于降低所述熔化的进料材料的溅落深度并且限制所述熔化的进料材 料的波纹形成。5. 根据权利要求4的设备，包括所述生长托盘中的位于所述凹座下游并且适于限制在所述生长托 盘中的所述熔化的进料材料中的波传播的突脊。6. 根据权利要求1的设备，包括 使所述生长托盘支撑在其上的生长托盘基座；和电加热装置，该电加热装置用于通过所述生长托盘基座向所述生 长托盘供应感应热，以在所述连续带状物生长期间保持熔化的进料材 料处于液相。7. 根据权利要求6的设备，其中所述熔体腔室包括 倾注坩锅基座，在其上支撑所述倾注坩锅和所述挡板；和电加热装置，该电加热装置用于通过所述倾注坩锅基座向所述倾 注埘锅供应感应热，以保持进料材料稍微低于它的熔点并且根据要求 调节热输入以控制熔化速...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰F克拉克，
申请(专利权)人：BP北美公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]