RU2264483C1 - Device for continuous growing of oriented layers of silicon on a carbon fabric - Google Patents

Abstract

FIELD: devices for growing from a melt of polycrystalline layers of silicon used for production of solar sells.

SUBSTANCE: the invention is pertaining to the field of growing from a melt of polycrystalline layers of silicon and may find application in production of solar cells (photoconverters). The substance of the invention: the device includes a crucible for a melt, a heater, a substrate linked with the gear of its relocation and a capillary feeding mechanism. The substrate is made out of a carbon reticular fabric, the heater consists of two sections of heating: a square section, inside which the crucible is mounted, and a right-angled section located above the substrate. At that the cross-section of the heater components is selected so, that the section of heating of the crucible is overheated in respect to the section of heating of the substrate. For a capillary feeding of the melt of silicon from the crucible use harnesses made out of a carbon filament spooled on a tail-end of the feeding mechanism. For replenishment of the level of the melt in the crucible use a vibrofeeder to feed the crushed silicon. The technical result of the invention is an increased productivity of the device and formation of conditions for production of the orientated coarse-crystalline structure of a silicon layer on the substrate naturally open for making of the rear electrical contact.

EFFECT: the invention ensures an increased productivity of the device, production of the orientated coarse-crystalline structures of the silicon layers on the substrates.

1 dwg 1 o

Description

Изобретение относится к области выращивания из расплава поликристаллических слоев кремния и может найти применение в производстве солнечных элементов (фотопреобразователей).The invention relates to the field of growing polycrystalline silicon layers from a melt and may find application in the production of solar cells (photoconverters).

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.A device containing a crucible, a heater, a pulling mechanism and a device for maintaining the melt level in the crucible constant is known (Mason B. Deposition of a silicon film on ceramic sheet substrates. "Electronics", 1979, v. 52, No. 15, p.10-11) . This device allows you to grow silicon layers on long ceramic substrates coated with a layer of carbon for wetting with a molten silicon, using gutter-shaped quartz crucibles.

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.However, the known device has several disadvantages. Thus, maintaining the melt level in the crucible constant is a difficult technical task. During the process of growing the layer, the process of “seeding” is necessary, which consists in overflowing the crucible with the melt using a level adjusting device, bringing the substrate into contact with the melt and forming the meniscus by raising the substrate to the required height above the crucible walls, which complicates the technology and reduces the installation performance. In addition, the ceramic substrate must be perforated, since otherwise it is impossible to create a back contact to the grown silicon layer. This further increases the cost of production.

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.A device is known for growing oriented crystalline layers on substrates wettable by a silicon melt, including a crucible for the melt installed inside the heater, a substrate connected to a mechanism for moving it, and a feeder vertically located in the crucible made of melt-wettable plates forming a capillary channel between each other and having sharp working edges for supplying the melt to the substrate (US Patent No. 4022652, 01 J 17/18, 1977). This device is designed to grow a crystalline layer on a substrate, which is a ribbon crystal grown from a lower crucible. The feeder plates are parallel to the substrate so that the substrate slides along the outside of the feeder plates as it moves.

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.In this case, a capillary gap is formed between the substrate and the plate, which during operation of the device will be filled with a melt from the crucible, similar to the gap between the plates of the feeder. The disadvantage of this device is the penetration of the melt from the upper crucible into the lower one, as well as the fact that the operation of its upper part is possible only using previously prepared solid substrates, while the contact area of the substrate with the melt, due to its flowing into the gap between the feeder and the substrate, is determined by the area of the feeder plate along which the substrate extends.

Значительная величина зоны контакта расплава с подложкой приводит к ухудшению качества выращиваемого слоя вследствие загрязнения расплава примесями.A significant size of the zone of contact of the melt with the substrate leads to a deterioration in the quality of the grown layer due to contamination of the melt with impurities.

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.A device for growing oriented crystalline layers on a substrate according to ed. St. USSR No. 949979 (publ. 1982, Bulletin of the invention and discovery, No. 45, p. 283), including a melt crucible installed inside the heater, a substrate connected to its movement mechanism, and a capillary feeder vertically located in the crucible made of melt-wetted plates forming a capillary channel between themselves and having sharp working edges for supplying the melt to the substrate. The substrate is perpendicular to the feeder plates.

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.The disadvantage of this device is the need to use only solid substrates. Upon receipt of the silicon layers, it is necessary to additionally make holes in the substrates to provide back electrical contact to the silicon layer.

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.Another disadvantage of the known device is the unreasonably complex design of the feeder. It is made of prefabricated plates and provided with sharp edges to reduce the zone of the melt in contact with the substrate. When growing silicon layers on a carbon mesh fabric, on the contrary, it is necessary to increase the width of the zone of contact between the melt and the substrate, since the limiting stage of the process is the impregnation of the substrate with melt, which is accompanied by the transformation of the substrate material into silicon carbide. It is economically more efficient to carry out the feeder in one piece, and the capillary channels to be half open.

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.The known device does not provide for the supply of charge into the melting crucible. Maintaining the level of the melt in the crucible relative to the level of the substrate is provided by the gradual movement of the crucible up. This limits the performance of the continuous process to the crucible capacity.

Нагреватель питателя и тигля выполнен симметричным относительно оси вытягивания подложки, что в случае выращивания слоев кремния приводит к образованию мелкокристаллической неориентированной структуры материала.The heater of the feeder and crucible is made symmetrical with respect to the axis of extension of the substrate, which in the case of growing silicon layers leads to the formation of a crystalline non-oriented material structure.

Вышеприведенное устройство наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству, поэтому выбрано в качестве прототипа.The above device is closest in technical essence to the claimed device, therefore, is selected as a prototype.

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.The technical result obtained by the implementation of the present invention is expressed in increasing the productivity of the device and creating conditions for obtaining an oriented coarse-grained structure of the silicon layer on a substrate that is naturally open to create a back electrical contact.

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.To achieve the specified technical result in a device for growing oriented crystalline silicon layers, including a melt crucible, a heater, a substrate connected to its movement mechanism, and a capillary crucible, the substrate is made of carbon mesh fabric, the heater consists of two heating sections: square, inside of which the crucible is installed, and rectangular, placed above the substrate, and the cross section of the heater elements is selected so that the crucible heating section is overheated itelno substrate heating sections; for capillary supply of silicon melt from the crucible, carbon fiber bundles are used wound around the shank of the feeder; to replenish the melt level in the crucible, a vibrated feeder for crushed silicon is used.

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.Due to the presence of these signs, the crystal structure of the silicon layer is formed on a substrate that is relatively “transparent” to the back metal contact. Placing the heater degree above the substrate allows you to create a slope of the crystallization front to the horizon plane, due to which the front surface of the silicon layer does not inherit the structure of the substrate, but is formed solely by the thermal conditions of the crystallization process. As a result, an optimal structure is created for solar silicon wafers, including grains of a sufficiently large size elongated along the direction of elongation.

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.The use of carbon fabric tows to supply the melt to the crucible feeder helps prevent silicon carbide microparticles from getting into the growing layer (the most promising type of cheap silicon charge is cast silicon waste containing microcrystals of silicon carbide). In addition, the use of such tows can dramatically reduce the cost of resuming technological equipment from expensive graphite, also equipped with special coatings.

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.Using a vibratory feeder to supply crushed silicon to the crucible allows you to increase the duration of the continuous process and reduce energy consumption by reducing the dimensions of the crucible and its heating zone.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом. Тепловая изоляция, крепежные элементы и детали механизмов на нем не приведены.The proposed device is illustrated in the drawing. Thermal insulation, fasteners and mechanism parts are not shown on it.

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.A device for the continuous growth of oriented silicon layers on a carbon mesh fabric comprises a heater 1 made of graphite, a carbon mesh fabric substrate 2 wound on a bobbin 3, dense graphite feeder 4, a graphite crucible 5, crushed silicon vibrator feeder 6, vibration drive 7 and roller the mechanism of drawing 8 of the substrate 2. The shank of the feeder is wrapped with bundles 9 of carbon fiber for capillary supply of the melt. The heater 1 is made integral and is equipped with vertical slots to provide the necessary electrical resistance. Substrate 2 from mesh carbon-graphite fabric based on viscose fibers is cut into measuring strips, compacted with pyrocarbon and thermochemical halogen treatment. The bobbin 3 is placed in the growth chamber on the bracket and is equipped with a brake for tensioning the substrate. Capillary feeder 4 is made of dense graphite and is additionally subjected to thermochemical treatment and modification with pyrocarbon to prevent cracking upon contact with molten silicon.

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.The crucible 5 is made of high-density graphite and goes through the same operations before use. Vibration feeder 6 is made of fused silica. The vibrodrive 7 is located above the right end of the vibrator and is controlled by a voltage source located outside the growth chamber. The pulling mechanism 8 is also placed outside the growth chamber.

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.The heater 1 includes a square (top view) section of the crucible heating and a rectangular section to ensure the temperature regime in the region of growing the silicon layer on the substrate. The rectangular section is placed above the substrate. The section of the heater elements is selected so that the crucible heating section is overheated relative to the substrate heating section. This ensures almost instantaneous melting of crushed silicon, continuously entering the crucible 5 from the vibrator 6.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.Cut into measuring tapes up to 0.12 m wide, pyrocarbon modified and thermochemically cleaned, a carbon mesh substrate 2, wound on a graphite bobbin 3, equipped with a brake for tensioning the substrate, is installed inside the growth chamber. In the cavity of the graphite heater 1, a graphite crucible 5 is mounted on a stand. On the fasteners associated with structures isolated from the heater 1, a capillary feeder 4 is installed, the shank of which is wrapped in carbon fiber bundles 9. A vibratory feeder 6, loaded with crushed silicon 10, is mounted on two supports. A vibratory actuator 7 is connected to the vibratory feeder 6. The substrate 2 is discharged to the outlet slit of the growth chamber, which is closed by a vacuum-tight cover. After pumping, the chambers turn on the heating system and reach a temperature above the melting point of silicon. Then include a vibrator 7 and fill the crucible 5 with silicon. After that, the pumping is turned off and the growth chamber is filled with argon to atmospheric pressure. Then open the cover of the outlet slit of the growth chamber, pull out the substrate and tuck its end between the rollers of the pulling mechanism 8. Subsequently, a continuous supply of argon into the growth chamber is carried out. After tensioning the substrate 2, the speed of its movement and the feed rate of crushed silicon 10 are set. As the substrate with the silicon layer 11 exits, it is periodically mechanically broken off, while the process continues until the silicon supply in the vibrator 6 or the substrate on the bobbin 3 is exhausted.

Claims (1)

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.A device for the continuous growth of oriented layers of silicon, including a crucible for the melt, a heater, a substrate connected to a mechanism for its movement, and a capillary feeder, characterized in that the substrate is made of carbon mesh fabric, the heater consists of two heating sections: square, inside which is installed crucible, and rectangular, placed above the substrate, and the cross section of the elements of the heater is selected so that the heating section of the crucible was overheated relative to the heating section of the substrate ; for capillary supply of silicon melt from the crucible, carbon fiber bundles are used wound around the shank of the feeder; to replenish the melt level in the crucible, a vibrated feeder for crushed silicon is used.