CN201801636U - 一种新型硅片生产外延设备及其系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种应用于单晶薄膜的生产领域新型硅片生产外延设备及包含该设备的系统，该设备包括反应器、硅片载盘，反应器包括反应隔离罩，在反应隔离罩上方设置卤素灯组，在反应隔离罩下方设置传动轴，在反应器两端设置和反应隔离罩相连通的气体入口连接体、气体出口连接体，以上各部分均通过反应器框架固定，其中反应隔离罩为由石英玻璃制成的罩体，其内流动着反应气体，承载着硅片的载盘在传动轴的作用下进入反应隔离罩，在卤素灯组的照射下和反应气体反应在表面形成薄膜。本实用新型的设备能够在工业级硅或硅废料制得的衬底上外延一层单晶硅薄膜，在保证晶体硅太阳电池的高性能和稳定性基础上降低了生产加工成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及单晶薄膜的生产领域，尤其涉及一种新型硅片生产外延设备及其系统。
背景技术
太阳能电池片的加工制造是太阳能产业链中的关键环节。目前太阳能电池片多为硅材料，包括单晶硅片、多晶硅片和硅薄膜电池片。
单晶硅电池转换效率高，技术也成熟。但由于受单晶硅材料价格高及电池工艺繁琐的影响(拉制单晶硅需要消耗大量能源以及昂贵的高纯石英坩锅等)，致使单晶硅成本价格居高不下。
多晶硅片的生产目前国际上多采用西门子法及其改进方法。但其对于多晶硅料的纯度要求较高，一般需达到99.9999％(称为6N级)以上，才能达到太阳能电池的要求。且多晶硅料的提炼需要较大资金投入、较多能源消耗和较高的技术门槛。
硅薄膜太阳电池片是通过外延设备在硅片或其他材料基片上生长多/单晶硅薄膜(30～50μm)。其中，用相对薄的晶体硅层作为太阳电池的激活层，保持了晶体硅太阳电池的高性能和稳定性。同时，硅片可以是低成本的工业级硅或硅废料，使得高成本材料的用量大幅度下降，明显地降低了电池成本。因此，对于硅薄膜太阳能电池片的研究越来越受到研究人员的重视。
目前，硅薄膜太阳能电池片的加工方法主要有氧离子注入法、氢离子注入法、多孔硅法、熔融结晶/再结晶法、外延剥离法以及上述方法的改进法。具体可参考专利WO 2005069356、US 2008295885、JP 2005336008以及CN 101225543、CN 101478016等。但包括上述引用专利在内，目前的研究集中于硅薄膜太阳能电池片的加工工艺，而在工业硅片上外延一层高纯度单晶硅薄膜的生产设备鲜有针对性研究。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够在工业级硅或硅废料所制得的衬底上外延一层单晶硅薄膜的新型硅片生产外延设备，本实用新型还提供了包含所述的新型硅片外延生成设备的系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
本实用新型的新型硅片外延生成设备，包括：硅片载盘、外延反应室，所述的外延反应 室内设置有外延反应器，所述的外延反应器包括传动轴、卤素灯组、反应隔离罩、气体入口连接体、气体出口连接体、反应器框架，所述的传动轴上至少有两个滚轮，所述的硅片载盘设置在所述的滚轮上，所述的反应隔离罩是一个两端分别设置有供所述硅片载盘通过的入口、出口、而其它部分均封闭的罩体；所述的传动轴设置在所述反应隔离罩下方、并固定在所述的反应器框架上，所述的反应隔离罩的底板在每个滚轮上方位置上开有一个窗口，所述的滚轮的顶部通过所述的窗口突出到所述的隔离罩内；所述的卤素灯组设置在所述反应隔离罩的上方，并安装在一个卤素灯组框架上，所述的卤素灯组框架固定连接在所述的反应器框架上，所述的气体入口连接体、气体出口连接体分别设置在所述外延反应器的两端、并固定连接在所述的反应器框架上，所述的气体入口连接体、气体出口连接体分别设有和所述的反应隔离罩内部连通的反应气体通道。
优选的，所述的反应隔离罩由下反应气体隔板和设置在下反应气体隔板上方的、成门框形的上反应气体隔板组成，两者彼此连接封闭，并在两端形成所述的供硅片载盘通过的入口、出口。更优选的，所述的上、下反应气体隔板的材质采用石英玻璃。
优选的，所述的外延反应室有四个，相应的包含的所述外延反应器，所述的四个外延反应器沿着其传动轴的传动方向依次设置。
优选的，所述的卤素灯组包括垂直于传动方向设置的Y轴卤素灯组；更优选的，所述的卤素灯组还包括平行于传动方向设置的X轴卤素灯组；进一步优选的，所述的X轴卤素灯组包括4根卤素灯管组成，分列于所述的卤素灯组框架纵向的两侧。
优选的，所述卤素灯组框架由铝合金机加工制成，其四周布有用以降温的水槽，其两侧的樑体上下有用于通风的缺口。
优选的，在所述的反应隔离罩的上方、所述的卤素灯组的下方设置有上石英玻璃窗，在所述反应隔离罩下方设置下石英玻璃窗，所述的上、下石英玻璃窗固定连接在所述的反应器框架上，在所述的上、下石英玻璃窗、反应隔离罩、反应器框架之间形成一个封闭空间，所述的气体入口连接体、气体出口连接体分别设有和所述的封闭空间连通、和所述的反应气体通道不连通的冷却气体通道。更优选的，在所述的上石英玻璃窗上方、下石英玻璃窗下方分别设置有上热反射板、下热反射板，所述的上、下热反射板固定连接在所述的反应器框架上。进一步优选的，所述上热反射板、下热反射板由铝合金板制成，工作面镀金或者银，外表面开有用以降温的水槽。
优选的，所述硅片载盘是以石墨为基材机加工成型制得，其表面经CVD(ChemicalVaporDeposition，化学气相沉积)处理形成有SiC薄层；更优选的，所述硅片载盘的上表面有一组与硅片尺寸相当的凹陷；所述的滚轮为带槽滚轮，所述硅片载盘的底面上设有和滚轮数量相等的平行凸起导樑，所述导樑嵌在所述滚轮上的槽里；所述硅片载盘的两侧具有薄壁。
优选的，所述的传动轴采用石英玻璃棒和石墨轴承，所述滚轮采用石英玻璃滚轮，所述传动轴的一端通过联轴器连接一个密封轴，所述密封轴穿过反应器框架伸出反应器外，其端头装有齿轮。
优选的，所述反应气体入口连接体、反应气体出口连接体的材质均为石英玻璃。
本实用新型还提供了一种包含所述的新型硅片外延生产设备的系统，该系统还包括：自动进、出料系统、电器控制系统、反应气体配置系统，冷却及排放系统，计算机控制系统，所述的自动进、出料系统分别设置在所述外延反应器硅片载盘的入口、出口处，所述的反应气体配置系统分别和所述的气体入口连接体、气体出口连接体内的反应气体通道连通，所述的冷却及排放系统分别和所述的气体入口连接体、气体出口连接体内的冷却气体通道相通，所述的自动进、出料系统、新型硅片生长外延设备、反应气体配置系统、冷却及排放系统通过所述的计算机控制系统、电器控制系统控制。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型的新型硅片外延生产设备能够在工业级硅或硅废料制得的衬底上外延一层单晶硅薄膜，可以硅薄膜太阳能电池片生产的需要，在保证晶体硅太阳电池的高性能和稳定性基础上降低了生产加工成本。
附图说明
图1为本实用新型的新型硅片外延生成设备中的反应室侧视剖面图；
图2为本实用新型的新型硅片外延生成设备中的反应室正视剖面图；
图3为包含本实用新型的新型硅片外延生产设备的系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进一步进行说明。
参见附图1、附图2，分别是本实用新型的一个实施例中的反应室的侧视剖视图、正视剖视图。该实施例中，反应室包括由上反应气体隔板9、下反应气体隔板3构成的反应隔离罩，其中上反应气体隔板9成门框形，扣在所述的下反应气体隔板3上，和下反应气体隔板3相连封闭，并在两端分别留出供硅片载盘1通过的入口、出口。上、下反应气体隔板均由石英玻璃制成。
在反应隔离罩的上方设置用来为镀膜反应提供热源的卤素灯组，卤素灯组又包括Y轴卤素灯组13和X轴卤素灯组12，其中的Y轴卤素灯垂直于传动方向设置在卤素灯组框架11上，卤素灯之间的间距两端小于中间，这是为了补偿两端的热损失，同时，X轴卤素灯组12设置在灯组框架11的两侧，这也是为了补偿两侧的热损失。在本实施例中，X轴卤素灯组12由4根6KW/240V卤素灯管组成，Y轴卤素灯组组由36根6KW/240V卤素灯管组成，这36根灯管分成4个受控区，由4组SCR分别控制和调整。
卤素灯组框架11由铝合金机加工制成，它的四周布有水槽用以降温，所有的卤素灯安装在它的上部或两侧，它的内壁镀有金膜用以反射热幅射，它两侧的樑体上下有用于通风的缺口，冷却空气由此在框架内流通，用以降低卤素灯管和石英玻璃窗的温度。
由于镀膜反应必须在一定的温度下进行，为了保证反应隔离罩内的反应温度，在反应隔离罩的上下分别设置上石英玻璃窗10、下石英玻璃窗4，上、下石英玻璃窗固定在反应器框架7上，并形成一个密闭的空间，并在此密闭空间中通入冷却氢气，用来保证反映隔离罩内的温度不高于800℃。
在反应室两端分别设置有用来导入反应气体和冷却氢气的气体入口连接体8、用来导出反应废气的气体出口连接体15，气体入口连接体8、用来导出反应废气的气体出口连接体15由石英玻璃制成。为了将反应气体通道和冷却气体通道分开，在气体入口连接体8、气体出口连接体15内分别设有一个扁形导管，气体入口连接体8内的扁形导管通过反应气体喷嘴6和反应隔离罩连通，在反应隔离罩上设废气出口17，该废气出口17连接到气体出口连接体15内的扁形导管，同时，气体入口连接体8、气体出口连接体15分别直接通过设置在各自底板上的槽口和上石英玻璃窗10、下石英玻璃窗4形成的密闭的空间连通，这样就保证了反应气体和冷却氢气具有不相连通的通道。反应气体喷嘴6是由石英玻璃制成的扁平导管，它有一90°弯角，连接时，它的水平的一端伸入上反应气体隔板9，垂直的另一端与气体入口连接体8伸出的扁形导管接口。反应气体由扁平导管导入经喷嘴吹进反应气体隔罩，而冷却氢气则从导管外导入、导出。
为了将硅片输入、输出反应隔离罩，在下反应气体隔板3下方设置有一排传动轴2，在每个传动轴2上设置有4个带槽滚轮16，下反应气体隔板3在在每个滚轮16上方位置上开有一个窗口，滚轮16的顶部通过所述的窗口突出到下反应气体隔板3上方，即反应隔离罩内，传动轴采用石英玻璃棒、石墨轴承，传动轴2的一端与联轴器接口，而联轴器的另一端与密封轴接口，密封轴伸出反应器外，端头装有齿轮，本实施例中反应器共有15只传动轴，由步进电机带动的链条驱动。
同时设置配合传动轴2实现传动的硅片载盘1，它是由石墨为基材机加工成型的，其表面附着一层炭化硅以强化结构，用以承载硅片，它的上表面是一组与硅片尺寸相当的凹陷，用以限定硅片位置，其底面上设有4条平行凸起导樑，所述导樑嵌在所述滚轮16上的槽里，由滚轮16带动向前移动，硅片载盘1的两侧还设有下摆的薄壁，用以减小到下隔板的间隙。
为了提高热利用效率，在反应器的顶部、底部分设上热反射板14、下热反射板5，两个反射板均由铝合金板制成，并在向外的表面开有水槽用以降温，向内的表面上镀有一层很薄 的金层，它们能将98％的热幅射反射回反应器，在下反射板5和下石英玻璃窗4之间有一间隙，该空隙中通有冷却空气。
最后，反应器所有的部件都安装在反应器框架7上，它由不锈钢机加工制成，框架是反应器的主构架，其他的构件都安装于其中或其上，它的四周布有水槽用以降温，它的内壁镀有金膜用以反射热幅射，它的两端有和其它构件接口的法兰盘。
参见附图3，为包含本实用新型的新型硅片外延生成设备的生产系统，其在进、出料口处分别设置自动进料系统、自动出料系统，气体入口连接体、气体出口连接体内的反应气体通道连接反应气体配置装置，冷却气体通道连接冷却及排放系统，整个设备的运行可以通过计算机控制系统及电器控制系统控制。该系统运行时，外延反应室的待加工硅片经自动进料系统，进入外延反应室；反应气体通过反应气体配置系统导入外延反应室；在电器控制系统和计算机控制系统的控制下，硅片与反应气体作用，外延一层单晶硅薄膜；最后反应后的产品经由自动出料系统送出设备；冷却氢气通过冷却及排放系统进行冷却。
使用本实施例制备多晶硅片过程如下：
该生产系统的一个实施例中包含四个外延反应室，相应的包含四个外延反应器，制备时，首先将颗粒工业硅拉制成150mm单晶圆棒，然后将圆棒切成125x125mm方形基片。基片经表面处理和清洗后即成为原料硅片。原料硅片由自动进料器通过传送装置传送至外延反应室，向另一端自动出料器方向传动，经过20分钟的外延工序处理，即可出料。在外延反应过程中同时掺杂，这时完成外延的硅片上已经形成一层50μm已掺杂的单晶硅薄膜，此薄膜即可用于太阳能电池制造。转换效率可高达19％。
本实施例的设备性能可以达到如下指标：
| 指标 | 规格 |
| 工业硅片尺寸 | 125mmX125mm、 156mmX156mm， 200mmX200mm， (Thickness：120-150μm) |
| 外延时间(生长厚度50μm) | 20分钟 |
| 产能 | 120片/小时125X125mm 90片/小时156X156mm 42片/小时200X200mm |
| 功耗 | 0.7度/片125X125mm 0.91度/片156X156mm 1.9度/片200X200mm |
| 极限真空 | 空气常压 |
| 最高温度 | 1150℃ |
| 多晶硅外延薄膜厚度 | 50μm |
从上表可以看出，通过本实用新型的设备所生产的单晶硅薄膜，不仅没有降低甚至提高了产品性能，而且减低了产能和功耗，节省了成本。
虽然结合示例性的实施方案对本实用新型进行了具体展示和说明，但是本领域技术人员会理解，可以对其作出多种形式和细节上的改变，而不偏离权利要求所限定的本实用新型的主旨和范围。
Claims (18)
1.一种新型硅片生产外延设备，其特征在于：包括硅片载盘、外延反应室，所述的外延反应室内设置有外延反应器，所述的外延反应器包括传动轴、卤素灯组、反应隔离罩、气体入口连接体、气体出口连接体、反应器框架，所述的传动轴上至少有两个滚轮，所述的硅片载盘设置在所述的滚轮上，所述的反应隔离罩是一个两端分别设置有供所述硅片载盘通过的入口、出口、而其它部分均封闭的罩体；所述的传动轴设置在所述反应隔离罩下方、并固定在所述的反应器框架上，所述的反应隔离罩的底板在每个滚轮上方位置上开有一个窗口，所述的滚轮的顶部通过所述的窗口突出到所述的隔离罩内；所述的卤素灯组设置在所述反应隔离罩的上方，并安装在一个卤素灯组框架上，所述的卤素灯组框架固定连接在所述的反应器框架上，所述的气体入口连接体、气体出口连接体分别设置在所述外延反应器的两端、并固定连接在所述的反应器框架上，所述的气体入口连接体、气体出口连接体分别设有和所述的反应隔离罩内部连通的反应气体通道。
2.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的反应隔离罩由下反应气体隔板和设置在下反应气体隔板上方的、成门框形的上反应气体隔板组成，两者彼此连接封闭，并在两端形成所述的供硅片载盘通过的入口、出口。
3.根据权利要求2所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的上、下反应气体隔板的材质采用石英玻璃。
4.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的卤素灯组包括垂直于传动方向设置的Y轴卤素灯组。
5.根据权利要求4所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的Y轴卤素灯组中的卤素灯间距离两端小于中间。
6.根据权利要求4所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的卤素灯组还包括平行于传动方向设置的X轴卤素灯组。
7.根据权利要求6所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的X轴卤素灯组包括4根卤素灯管组成，分列于所述的卤素灯组框架纵向的两侧。
8.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述卤素灯组框架由铝合金制成，其四周布有用以降温的水槽，其两侧的樑体上下有用于通风的缺口。
9.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：在所述的反应隔离罩的上方、所述的卤素灯组的下方设置有上石英玻璃窗，在所述反应隔离罩下方设置下石英玻璃窗，所述的上、下石英玻璃窗固定连接在所述的反应器框架上，在所述的上、下石英玻璃窗、反应隔离罩、反应器框架之间形成一个封闭空间，所述的气体入口连接体、气体出口连接体分别设有和该封闭空间连通、和所述的反应气体通道不连通的冷却气体通道。
10.根据权利要求9所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：在所述的上石英玻璃窗上方、下石英玻璃窗下方分别设置有上热反射板、下热反射板，所述的上、下热反射板固定连接在所述的反应器框架上。
11.根据权利要求10所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述上热反射板、下热反射板由铝合金板制成，工作面镀金或者银，外表面开有用以降温的水槽。
12.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述硅片载盘表面有SiC薄层。
13.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述硅片载盘的上表面有一组与硅片尺寸相当的凹陷。
14.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的滚轮为带槽滚轮，所述硅片载盘的底面上设有和滚轮数量相等的平行凸起导樑，所述导樑嵌在所述滚轮上的槽里。
15.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述硅片载盘的两侧设有下摆的薄壁。
16.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述的传动轴采用石英玻璃棒和石墨轴承，所述滚轮采用石英玻璃滚轮，所述传动轴的一端通过联轴器连接一个密封轴，所述密封轴穿过反应器框架伸出反应器外，其端头装有齿轮。
17.根据权利要求1所述的新型硅片生产外延设备，其特征在于：所述反应气体入口连接体、反应气体出口连接体的材质均为石英玻璃。
18.一种包含权利要求1所述的新型硅片生产外延设备的系统，其特征在于：还包括自动进、出料系统、电器控制系统、反应气体配置系统，冷却及排放系统，计算机控制系统，所述的自动进、出料系统分别设置在所述外延反应器硅片载盘的入口、出口处，所述的反应气体配置系统分别和所述的气体入口连接体、气体出口连接体内的反应气体通道连通，所述的冷却及排放系统分别和所述的气体入口连接体、气体出口连接体内的冷却气体通道相通，所述的自动进、出料系统、新型硅片生长外延设备、反应气体配置系统、冷却及排放系统通过所述的计算机控制系统、电器控制系统控制。
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