устройство для непрерывного выращивания двусторонних слоев кремния на углеродной фольге

Формула изобретения

Устройство для непрерывного выращивания двусторонних слоев кремния на углеродной фольге, характеризующееся тем, что включает тигель для расплава, нагреватель, состоящий из двух секций нагрева: квадратной, внутри которой установлен тигель, и прямоугольной, размещенной над подложкой, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, капиллярный питатель, жгуты из углеродной нити, намотанные на хвостовик питателя, и вибропитатель подачи дробленого кремния, при этом в качестве подложки используют углеродную фольгу, покрытую слоями пирографита, капиллярный питатель снабжен щелью для ввода подложки, а прямоугольная секция нагрева выполнена симметричной относительно подложки и снабжена вертикальными прорезями для ее пропускания.

Описание изобретения к патенту

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 (Belouet С.Growth of silicon ribbons by the RAD process. J. Crystal Growth, 1987, v.82. No.1/2, p.110). Это устройство служит для одновременного выращивания двух слоев поликристаллического кремния на поверхностях ленты из углеродной фольги, протягиваемой в вертикальном направлении через щель в дне графитового тигля. В дальнейшем графитовая прослойка выжигается при температуре 1000°С в атмосфере кислорода и каждый «сандвич» распадается на две пластины кремния.

Однако известное устройство имеет два недостатка. Первый состоит в том, что увеличение производительности процесса требует увеличения диаметра графитового тигля и резкого увеличения расхода электроэнергии. Второй недостаток устройства заключается в необходимости использования для размещения технологической установки высокоэтажных помещений. Если общая высота установки превышает 8 м, то высота потолка технологического корпуса составит не менее 12 м, а, следовательно, расходы на вентиляцию и отопление будут больше, чем в случае вытягивания слоев кремния на подложке в горизонтальной плоскости.

Известно устройство для непрерывного выращивания ориентированных слоев кремния на углеродной ткани (патент РФ № 2264483, опубликован в Бюллетене изобретения и открытия № 32 от 20.11.2005 г.), включающее тигель для расплава, установленный внутри нагревателя, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, и капиллярный питатель, в качестве подложки используется углеродная сетчатая ткань, нагреватель питателя выполнен над подложкой, для подачи расплава кремния из тигля используются жгуты из углеродной нити, намотанные на хвостовик питателя, а для пополнения уровня расплава в тигле используется вибропитатель подачи дробленого кремния. Применение известного устройства позволяет обеспечить непрерывное выращивание ориентированных слоев кремния на подложке из углеродной сетчатой ткани, необходимых для изготовления дешевых и эффективных солнечных элементов (фотопреобразователей).

Однако известное устройство имеет ряд недостатков. Использование в качестве подложки углеродной ткани приводит к тому, что для получения слоя кремния требуется потратить основную долю исходного кремния на пропитку ткани. При этом удельный расход дорогостоящего кремния превышает 17 г на 1 Вт установленной мощности фотопреобразователя. Кроме того, линейная скорость выращивания лимитируется временем, необходимым для предварительной пропитки ткани и не может превысить 2-3 см/мин. Главным недостатком известного устройства является то, что слой кремния выращивается лишь на одной поверхности подложки.

Вышеприведенное устройство наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству.

Техническим результатом настоящего изобретения является непрерывное получение тонких слоев поликристаллического кремния на обеих поверхностях подложки из углеродной фольги, защищенной слоями пирографита от пропитки расплавом кремния. При этом удельный расход исходного кремния снижается до уровня 3-4 г на 1 Вт установленной мощности фотопреобразователя, а производительность процесса увеличивается более чем в два раза.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для непрерывного выращивания двусторонних слоев кремния на углеродной фольге, включающем тигель для расплава, нагреватель, состоящий из двух секций нагрева: квадратной, внутри которой установлен тигель, и прямоугольной, размещенной над подложкой, подложку, соединенную с механизмом ее перемещения, капиллярный питатель, жгуты из углеродной нити, намотанные на хвостовик питателя, и вибропитатель подачи дробленого кремния для пополнения уровня расплава, в качестве подложки используют углеродную фольгу, покрытую слоями пирографита, капиллярный питатель снабжен щелью для ввода подложки, а прямоугольная секция нагрева выполнена симметричной относительно подложки и снабжена вертикальными прорезями для ее пропускания.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами фиг.1-2. Тепловая изоляция, крепежные элементы и детали механизмов на них не приведены.

Устройство для непрерывного выращивания двусторонних слоев кремния на углеродной фольге (фиг.1) содержит графитовый нагреватель 1, состоящий из двух секций нагрева: квадратной, внутри которой установлен графитовый тигель 5, и прямоугольной, размещенной над подложкой 2, выполненной из углеродной фольги, намотанной на бобину 3, капиллярный питатель 4 из плотного графита, снабженный щелью для ввода подложки 2, вибропитатель дробленого кремния 6, вибропривод 7 и роликовый механизм вытягивания 8. Хвостовик питателя обмотан жгутами 9 из углеродной нити для капиллярной подачи расплава. Прямоугольная секция нагревателя 1 выполнена симметричной относительно подложки 2 и снабжена вертикальными прорезями для ее пропускания. Тигель 5 изготовлен из высокоплотного графита. Вибропривод 7 размещен над правым торцом вибропитателя и управляется источником напряжения, размещенным за пределами ростовой камеры. Механизм вытягивания 8 размещен также за пределами ростовой камеры.

Квадратная секция нагревателя 1 обеспечивает нагрев тигля, а прямоугольная - создает необходимый температурный режим в области выращивания слоя кремния на подложке. Последняя секция размещается над подложкой. Сечение элементов нагревателя 1 подбирается таким образом, чтобы нагреватель тигля всегда был перегрет относительно нагревателя 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 0,5 м, покрытая пирографитом углеродная фольга 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 температуры, превышающей точки плавления кремния. Затем включают вибропривод 7 и заполняют тигель 5 расплавом кремния. После этого выключают откачку и заполняют ростовую камеру чистым аргоном до атмосферного давления. Затем открывают крышку выпускной щели ростовой камеры, вытягивают подложку и заправляют ее конец между роликами механизма вытягивания 8. Подачу аргона проводят на уровне не менее 150 л/ч. После натяжения подложки 2 устанавливают скорость ее перемещения и подачи дробленого кремния 10. По мере выхода продукта 11 (подложки со слоями кремния) его механически обламывают, после чего процесс продолжают вплоть до исчерпания запаса кремния в вибропитателе 6 или подложки на бобине 3.

На фиг.2 показана схема выращивания двух слоев кремния на подложке одновременно. Подложка 2 пропускается через щель капиллярного питателя 4, прогреваемого графитовым нагревателем 1. При этом формируются 2 капиллярных мениска: верхний 12 и нижний 13. Выращивание слоев кремния происходит как на верхней, так и на нижней поверхностях подложки.

Пример.

Проводят выращивание двух слоев кремния на подложке из углеродной фольги шириной 17 см, длиной 1000 см и средней плотностью 1,5 г/см³, предварительно модифицированной слоями пирографита при температуре 2150°С в течение одного часа. Откачивают камеру для создания вакуума, проводят нагрев зоны до 1450°С. Натягивают фольгу и зажимают между двумя роликами механизма вытягивания 8. Далее проводят заполнение тигля 5 кремнием. Выключают откачку и заполняют камеру аргоном до атмосферного давления. Подложку 2 пропускают через щель капиллярного питателя 4, прогреваемого графитовым нагревателем 1.

После визуального обнаружения двух менисков (верхнего 12 и нижнего 13) расплава включают привод вытягивания подложки 2 и добиваются позиционирования фронта кристаллизации впереди каждого из менисков. Поддерживают убыль расплава путем виброподачи дробленого кремния 10 в тигель 5. По завершении процесса подложку извлекают, камеру герметизируют. В результате получают ленту из углеродной фольги, покрытую двумя слоями кремния, причем средняя толщина верхнего слоя составляет 0,25 мм, а нижнего - 0,18 мм, общая длина пригодной для дальнейшего применения ленты - 860 см.