CN1906322B - 用于在衬底上淀积多晶硅层的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置(100)，用于在基本为平面的、细长移动衬底(4)上淀积基于多晶硅的层，所述衬底(4)具有两个纵向面(43，44)和两个纵向侧边(41，42)，所述装置包括：含有熔融硅浴液(2)的坩埚(1)，所述衬底(4)至少部分浸入到所述浴液当中，并沿细长衬底的长向基本竖直地穿过所述浴液的平衡面(21)；至少一个边缘控制元件(5，5′)，每一边缘控制元件保持基本竖直地靠近所述两个纵向侧边(41，42)之一；且每一边缘控制元件包括分隔壁(51到53′)，所述壁界定位于所述相应的纵向侧边旁边的纵向开口(54，54′)，每一开口部分浸入到所述浴液(2)当中，从而通过毛细管作用提升所述浴液的液面。本发明的特征在于：至少一个部分面对所述纵向面之一的所述分隔壁(51到52′)基本为平面的。

Description

用于在衬底上淀积多晶硅层的装置

技术领域

本发明涉及一种在基本为平面的细长衬底(elongate support)上淀积一层多晶硅的装置，所述装置的类型为包括含有熔融硅浴液的坩埚，衬底至少部分浸到所述浴液当中，并基本上竖直地沿所述衬底的长向穿过所述浴液的平衡面(equilibrium surface)。

背景技术

在已知的这种类型的装置中，例如，如文本FR2386359中所述，所述坩埚的底部包括窄槽，作为碳带(carbon ribbon)的所述衬底通过所述窄槽浸入浴液当中，并竖直穿过所述浴液，所述衬底沿向上方向行进。

但是，人们发现，在接近所述碳带的两侧边缘时，淀积在所述碳带表面上的硅层的厚度急剧降低。这导致了硅淀积层沿所述两侧边缘中的每一个呈现出两个侧边空白(margin)，所述两侧边空白的物理特性相对于所述层的中央部分的物理特性变差。这些侧面空白几乎无法使用，具体而言，尤其在制作光生伏打电池时更是如此，并且它们构成了在硅层内产生断裂的根源。

在碳带的边缘上，液态硅弯月面(meniscus)从具有位于浴液以上大约6.8毫米(mm)处的固-液连接线的二维形状变成圆对称的形状。在这样的情况下，固-液连接线所处的高度在浴液之上非常低，在没有任何特殊控制手段的情况下，所述固-液连接线就一阶而言是碳带厚度的函数。在直至碳带边缘的“过渡”区内，即超过大约5mm的宽度内，固-液连接线由6.8mm下移至通常为1mm到2mm的值。在该区域内，淀积厚度急剧降低。所述淀积层变得易碎，并且其晶体质量劣化(小尺寸晶粒)。

为了控制所述边缘，在文本FR2550965中公开了一种装置，其进一步包括分别固定在穿过所述浴液的碳带的两个侧边的每一个上的两个具有半圆形剖面的溜槽(chute)。所述溜槽的凹面朝向所述碳带的相应侧边，所述溜槽部分进入到所述浴液当中，从而在所述碳带的侧边附近通过毛细管作用提升浴液的液面。

为了控制液态硅沿所述溜槽的毛细上升，应当改变下述参数：溜槽的内径、溜槽相对于所述碳带边缘的距离和取向。

该装置确实使在碳带上淀积具有下述特征的硅成为了可能：增大了淀积的有用面积，出现的断裂更少，并且所淀积的硅层呈现了改善的电气性质。

然而，该装置仍然不是最优的。固-液连接线在边缘处的升高仍小，过渡区仍过宽。此外，边缘空白处的厚度降低仍大，并且，在对碳带冷却和后续处理的过程中，这一区域仍然是发生断裂的根源。

发明内容

本发明的目的在于获得对衬底边缘上的淀积层的厚度和质量的更好控制，所述控制优选由在工业规模上可靠、简单的装置完成。

出于这一目的，本发明提供了一种装置，用于在基本为平面的、细长移动衬底上淀积基于多晶硅的层，所述衬底具有两个纵向面和两个纵向侧边，所述装置包括：

含有熔融硅浴液的坩埚，将所述衬底设计为至少部分浸入到所述浴液当中，并沿其长向基本竖直穿过所述浴液的平衡面；以及

至少一个边缘控制元件，每一边缘控制元件保持基本竖直地靠近所述两个纵向侧边之一；

每一边缘控制元件包括壁，所述壁界定位于所述相应的纵向侧边旁边的纵向槽，每一槽部分浸入到所述浴液当中，从而在所述的相应纵向侧边附近通过毛细管作用提升所述浴液的液面，

所述装置的特征在于：至少一个所述壁基本为平面，其被称为“插入”壁，并面对所述纵向面之一的部分。

通过边缘控制，使生长条件扩展到侧边空白内，从而尽可能接近所述边缘：保持淀积层的厚度和晶体织构(texture)。

本发明的所述槽比现有技术的半圆溜槽(chute)更易调整。可以独立地调整下述多个参数，而不是调整半圆溜槽的内径：壁之间的间距、每一插入壁的长度或(甚至)“底部”壁的形状(弯曲或同样为平面)。

边缘控制元件的出现，通过对所述浴液内以及在某种程度上的衬底内的热交换的局部改变(所述元件的出现改变了与外部的辐射交换)，对最靠近所述衬底的相应边缘的液层的温度具有影响。

此外，还可以自由选择所述控制元件的外表面的形状，所述控制元件的外表面所处位置与所述槽相反。

有利地，本发明的装置具有两个边缘控制元件，每一所述边缘控制元件具有两个基本为平面的插入壁。这样的装置能够在每一纵向边缘处，在所述衬底的每一纵向面上提升所述浴液的液面。

然而，本发明的插入壁数量不限于四个。本发明的装置可以具有单个边缘控制元件，其单个插入壁面对所述基本为平面的纵向面之一。

所述插入壁优选为平行的或者向外展开。

有利地，每一槽的平均深度可以小于1厘米(cm)，所述插入壁之间的平均间距也可以小于7mm。这样的特征自然也不是限制性的。

在第一实施例中，所述坩埚具有底部和侧壁，每一边缘控制元件是静止的，并且由底部竖直固定。例如，可以利用螺钉连接将其固定。本发明自然不受固定所述元件的方式的限制。

在第一实施例中，所述边缘控制元件是不可替换的。其尤其适用于这样的生产：牵引自动发生且有可能没有监控。此外，这样的装置坚固而稳定。

此外，每一边缘控制元件可以沿纵向向下延伸至底部，其优选与底部整体地形成。每一边缘控制元件还可以具有至少一个孔，所述孔浸入到所述浴液当中，适于将硅输送给所述元件，从而将所述浴液输送至所述边缘空白处。所述孔优选为毫米量级，并且处于靠近所述底部的位置。

在第二实施例中，每一边缘控制元件包括具有所述槽的板，使所述板接触到所述浴液的平衡面。

优选由连接至位于所述坩埚之外的移动装置的板产生与所述浴液的表面的接触，优选只允许竖直移动。

每一板优选包括圆盘(disk)，所述圆盘包括所述槽，所述圆盘可以具有大于10mm的有效直径，所述有效直径优选为12mm的量级。

此外，在第二实施例中，所述插入壁之间的平均间距可以为2mm左右。

每一边缘控制元件可以基于不与硅发生反应的材料，其优选从石墨、金刚砂和氮化硅中选出。

所述边缘控制元件所具有的发射率优选大于硅的发射率。

这些特征自然不是限制性的。

附图说明

通过以非限制性图例的方式给出的对本发明的实施例的说明，本发明的其他特征和优点将得以呈现。

在附图中：

图1是从上面观察的，说明本发明的装置的第一实施例的图示；

图2是垂直面的截面内图1所示装置的三维图示；

图3是在垂直面的截面内说明本发明的装置的第二实施例的图示；以及

图4是从上面观察的，说明本发明的装置的第三实施例的图示。

具体实施方式

在下文中，本发明的所有实施例都采用相同的附图标记表示相同或相似(在功能和/或结构方面)的元件。

所示的附图并非按比例绘制。

图1和图2示出了第一装置100，第一装置100用于在基本为平面的细长移动衬底上淀积基于多晶硅的层。

装置100包括由石墨构成，并且含有熔融硅浴液2的矩形坩埚1。坩埚的底部11包括具有矩形截面的，界定线状窄槽3的竖直肋111，诸如碳带4的平面衬底竖直穿过所述线状窄槽3。所述碳带具有两个纵向面43和44以及两个纵向侧边41和42，所述碳带通过穿过浴液2的水平平衡面21而使浴液2存留下来。确定槽3的宽度，使得将槽3连接至液态硅的弯月面在窄槽3中稳定，例如，所述宽度大约等于600微米(μm)。通常，所述碳带4的厚度大约为250μm。

在操作过程中，当碳带4朝箭头10的方向移动时，在离开浴液2时，就会在碳带4的面43和44的每者上淀积多晶硅层20。

装置100还包括两个边缘控制元件5、5′，所述边缘控制元件5、5′在所述两个纵向侧边41和42中的每一侧上都基本保持竖直。

这样界定牵拉所述碳带的标称条件，以便获得具有与恒定预定值相等的厚度的平面硅膜，例如，通过以(例如)8厘米每分钟(cm/min)到10厘米每分钟(cm/min)的给定速度牵拉，使其侧边空白处厚度为80μm到100μm，并且在有可能时使之一直保持到它们的边缘。

每一边缘控制元件5、5′具有界定纵向槽54、54′的壁51到53，51′到53′，所述纵向槽54、54′分别与所述纵向侧边41、42之一重叠。每一槽部分浸入到浴液2当中，从而在相应的纵向侧边的附近通过毛细管作用提升浴液的液面。

对于每一边缘控制元件5、5′，局部面对所述碳带4的相应纵向面43、44的所谓“插入”壁51和52，51′和52′为平面，且例如是平行的。

有可能通过改变下述参数，控制沿所述槽通过液态硅的毛细管作用造成的提升：

-所述插入壁51和52、51′和52′之间的间距及其长度；以及

-相对于边缘41、42的插入程度。

相对于通过现有装置获得的曲线，通过调整这些参数，可以提高碳带边缘上的结晶等温线。

每一槽54、54′的深度小于1cm。所述插入壁之间的间距小于7mm。

用这样的方式相对于碳带的边缘41、42放置控制元件5、5′，从而获得跨越整个碳带4的宽度均为直线的结晶等温线。

每一控制元件5、5′都是静止的，并且由底部11将其竖直地固定。更确切地说，它们中的每一个都包括配件(fitting)，所述配件纵向延伸并在肋111的顶面上固定到底部11，例如，通过一对石墨螺钉6、6′(在图2中用虚线表示不可见的螺钉)。

这使得制作更为复杂的形状成为可能并降低了坩埚1的制造成本。所述材料可以与坩埚的材料相同或者不同。所选的材料不与硅发生反应并且所表现的发射率大于硅的发射率。

此外，每一边缘控制元件5、5′具有至少一个孔7、7′，孔7、7′浸入到浴液2中，适于供给硅，所述孔优选位于靠近底部11的位置。此外，所示的装置没有盖。

边缘控制元件5、5′优选相同并且相对于相应的边缘41、42位于相同的水平高度上，边缘控制元件5、5′面对碳带的面43、44。

自然，在实践当中，装置100还包括围绕坩埚设置的加热装置(未示出)，以保持硅的液态。

此外，可以通过适当手段调整浴液的深度H1、H2，例如调整至标称值±200μm。

图3是在垂直面的截面内说明本发明的装置的第二实施例200的图示。

这是第一实施例的变型。在第二实施例中，边缘控制元件5、5′纵向延伸至底部11，并且还与底部11形成了整体结构(monolithic structure)。

图4是从上面观察的，说明本发明的装置300的第三实施例的图示。

这一装置300具有两个边缘控制实施例15、15′，其基本竖直固定在两个纵向侧边41、42中的每一侧。

每一边缘控制元件15、15′具有界定纵向槽154、154′的壁151到153、151′到153′，每一纵向槽154、154′均与碳带4的纵向侧边41、42之一重叠。每一槽154、154′部分浸入到浴液2中，从而在相应的纵向侧边41、42的附近通过毛细管作用提升浴液的液面。

更确切地说，每一边缘控制元件包括厚度例如大约为1mm的相应板15、15′，其底部水平面与浴液2的水平平衡面21接触，并将其拉升至所述平衡面21之上的预定高度。

这些板15、15′还配有上述槽154、154′.举例来说，这些板15、15′可以是有效直径大于10mm的圆形.

所述板15、15′由可被液态硅浸润的材料构成，并且它们呈现出的发射率大于硅的发射率，例如它们由石墨构成。

对于每一控制元件15、15′，两个局部面对相应的纵向面41、42的所谓“插入”壁151和152，151′和152′为平面，且例如是平行的。

所述插入壁之间的平均间距选择为2mm左右。

通过衬底固定每一板15、15′。例如，将每一所述板中的偏心点固定到杆17、17′的一端，所述杆17、17′优选由石墨以支架的形式构成。每个杆的另一端固定到能够控制所述板的移动(优选只沿垂直轴10′)的机械系统19、19′的出口18、18′，所述系统位于坩埚1之外。

如上所述的边缘控制能够促进硅板制造成品率的提高。它还具有下述显著优点，例如：

-有用面积的增大：通常为每一面10mm的总宽度；

-在碳带上提供硅淀积层，所述淀积层产生的断裂较少；并且

-改善了边缘处硅层的电气特性，本发明使边缘处的晶粒基本呈现与淀积层的侧边空白处的晶粒相同的织构。

可以将本发明的装置用于制造光生伏打电池。

自然，本发明不限于上述实施例。

Claims (19)

1.一种装置(100，200，300)，用于向平面的、细长移动衬底(4)上淀积基于多晶硅的层(20)，所述衬底(4)具有两个纵向面(43，44)和两个纵向侧边(41，42)，所述装置包括：

含有熔融硅浴液(2)的坩埚(1)，将所述衬底(4)设计为至少部分浸入到所述浴液当中，并沿其长向竖直地穿过所述浴液的平衡面(21)；以及

至少一个边缘控制元件(5，5′，15，15′)，每一边缘控制元件保持竖直地靠近所述两个纵向侧边(41，42)之一；

每一边缘控制元件包括壁(51，52，53，51′，52′，53′，151，152，153，151′，152′，153′)，所述壁界定位于所述相应的纵向侧边旁边的纵向槽(54，54′，154，154′)，每一槽部分浸入到所述浴液(2)当中，从而在所述的相应纵向侧边附近通过毛细管作用提升所述浴液的液面，

所述装置的特征在于：至少一个面对所述纵向面之一的部分的所述壁(51，52，51′，52′，151，152，151′，152′)为平面，其被称为插入壁。

2.根据权利要求1所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，并包括两个边缘控制元件，其中，每一边缘控制元件包括两个为平面的插入壁。

3.根据权利要求2所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述插入壁(51，52，51′，52′，151，152，151′，152′)或者为平行的，或者向外展开。

4.根据权利要求2或3所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于每一槽(54，154′)的平均深度小于1cm。

5.根据权利要求2或3所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于所述插入壁(51，52，51′，52′，151，152，151′，152′)之间的平均间距小于7mm。

6.根据权利要求2或3所述的装置(100，200)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述坩埚(1)包括底部(11)和侧壁(12)，并且每一所述边缘控制元件(5，5′)都是静止的，并由所述底部竖直固定。

7.根据权利要求2或3所述的装置(100，200)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述坩埚包括底部(11)和侧壁(12)，并且每一所述边缘控制元件(5，5′)纵向延伸到所述底部。

8.根据权利要求7所述的装置(100，200)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：每一所述边缘控制元件(5，5′)与所述底部形成整体结构。

9.根据权利要求7所述的装置(100，200)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：每一所述边缘控制元件(5，5′)具有至少一个孔(7，7′)，所述孔(7，7′)浸入到所述浴液(2)中，并适于将硅输送给所述元件。

10.根据权利要求9所述的装置(100，200)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述孔为毫米量级并位于靠近所述底部的位置。

11.根据权利要求2或3所述的装置(300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：每一所述边缘控制元件(15，15′)包括包含所述槽(154，154′)的板，使所述板接触到所述浴液的所述平衡面(21)。

12.根据权利要求11所述的装置(300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：通过所述板和位于所述坩埚(1)之外的移动装置(19，19′)之间的连接(17，17′)产生与所述浴液的所述表面(21)的接触.

13.根据权利要求12所述的装置(300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：产生的所述接触只允许竖直移动。

14.根据权利要求11所述的装置(300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：每一板(15，15′)包括圆盘，所述圆盘包括所述槽(154，154′)，并具有大于10mm的有效直径。

15.根据权利要求14所述的装置(300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述有效直径等于12mm。

16.根据权利要求11所述的装置(300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述插入壁(151，152，151′，152′)之间的平均间距为2mm。

17.根据权利要求1到3的任何一项所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：每一所述边缘控制元件(5，5′，15，15′)由不与硅反应的材料构成。

18.根据权利要求17所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：所述材料从石墨、金刚砂和氮化硅中选出。

19.根据权利要求1到3的任何一项所述的装置(100，200，300)，用于淀积基于多晶硅的层，所述装置的特征在于：每一所述边缘控制元件(5，5′，15，15′)由发射率大于硅的发射率的材料构成。

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