具有經擠出的耐火材料的帶狀晶體線的製作方法

2023-07-05 01:32:16 1

專利名稱：具有經擠出的耐火材料的帶狀晶體線的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及線帶狀晶體(string ribbond crystal)，更具體地，本發明還 涉及用於形成線帶狀晶體的線。
背景技術：
諸如在美國專利4， 689， 109(1987年公布，Emanuel M. Sachs為單獨發明人)中討
論的線帶狀晶體可以形成各種電子器件的基礎。例如，常青太陽能公司(Evergreen Solar，
Inc.)(莫爾伯勒市，麻薩諸塞州)由常規的線帶狀晶體形成太陽能電池。 如所述專利中更詳細討論的，通過使兩個或更多個線穿過熔融矽來形成線帶狀晶
體。該線的組成和性質對最終形成的線帶狀晶體的效率產生顯著影響，並且在某些情況下，
對最終形成的線帶狀晶體的成本產生顯著影響。

發明內容
根據本發明的一個實施方案，一種製造用於線帶狀晶體的線的方法包括提供具 有外表面的襯底；將耐火材料擠出到襯底上。耐火材料基本上覆蓋襯底的外表面。然後，該 方法還包括固化耐火材料。 例如，襯底可以由碳絲(filament)或絲束(tow)形成，而經擠出的耐火材料可以 包括碳化矽。所述方法還可以在耐火材料的徑向外部形成外部減少潤溼層。在一些實施方 案中，襯底和耐火材料形成大致伸長的橫截面形狀和/或大致同心。 在本發明的其他實施方案中，用於形成帶狀晶體的線具有襯底和經擠出的耐火材 料層，所述耐火材料層基本上覆蓋襯底。


參照以下總結的附圖並根據所討論的"具體實施方式
"，本領域技術人員會更充分地理解本發明各種實施方案的優點。 圖1示意性示出可以由根據本發明示例性實施方案構造的線形成的線帶狀晶體。
圖2示意性示出用於形成線帶狀晶體的示例性爐。 圖3示意性示出具有現有技術線的現有技術帶狀晶體中的一部分的橫截面圖。
圖4A示意性示出根據本發明示例性實施方案形成的線。 圖4B示意性示出根據本發明的各種實施方案沿著圖4A中線的虛線B-B的8個橫 截面圖。 圖5示出使用根據本發明示例性實施方案構造的線形成線帶狀晶體的示例性工 藝。 圖6A、圖6B和圖6C示意性示出使用根據具有伸長橫截面的線的實施方案的帶狀 晶體的橫截面圖。 圖7A和圖7B示意性示出具有用於執行單線功能的多個線的帶狀晶體的橫截面 圖。 圖8A和圖8B示意性示出具有橫截面形狀為大致凹形的帶狀晶體。
具體實施例方式
示例性實施方案在芯/襯底上方擠出耐火材料，以形成用於生長帶狀晶體的線。 這個過程有利地避免使用需要有害化學品的複雜的現有技術工藝(例如，CVD工藝)。以下 討論各種實施方案的細節。 圖1示意性示出根據本發明示例性實施方案構造的線帶狀晶體10。採用與其他帶 狀晶體相類似的方式，該帶狀晶體10具有大致矩形形狀並且其前表面和後表面具有相對 大的表面積。例如，帶狀晶體10可以具有約3英寸的寬度，並且其長度為約6英寸。如本 領域技術人員所知道的，長度可以發生顯著變化。例如，在一些已知的工藝中，長度取決於 當帶狀晶體10生長時爐操作者對於切割帶狀晶體10的判斷力。另外，可以根據其形成帶 狀晶體寬度邊界的兩個線12(參見圖12)的分離來變化寬度。因此，對於特定長度和寬度 的討論是示例性的，並不意圖限制本發明的各種實施方案。 帶狀晶體10的厚度可以發生變化，並且相對於其長度和寬度尺寸是非常小的。例 如，線帶狀晶體10在其寬度上可以具有的厚度的範圍從約60微米至約320微米。儘管厚 度存在這種變化，線帶狀晶體10也可以被視為在其長度和/或寬度上具有平均的厚度。
帶狀晶體10可以由各種材料(通常被統稱為"帶狀材料"或"晶體材料")中的任 意一種形成，這取決於其應用方式。例如，當生長帶狀晶體10以供光電應用時，帶狀晶體IO 可以由諸如矽的單一元素或諸如矽基材料(例如，矽鍺)的化合物形成。其他示例性的帶 狀晶體可以包括砷化鎵或磷化銦。帶狀晶體可以是各種晶體類型中的任意一種，例如多晶 (multi-crystalline)、單晶、聚晶(polycrystalline)、微晶或半晶。 如本領域技術人員所知的，帶狀晶體10由通常被帶狀材料嵌入/包封的一對線12 形成。簡化起見，所討論的帶狀晶體10由聚晶矽帶狀材料形成。但是，應該重申的是，對於 聚晶矽的討論不意圖限制所有的實施方案。 示例性實施方案在諸如圖2所示的帶狀晶體生長爐14中生長帶狀晶體10。更具 體而言，圖2示意性示出可以用於形成根據本發明示例性實施方案的線帶狀晶體10的矽帶狀晶體生長爐14。其中，爐14具有殼體16，殼體16形成基本上沒有氧氣(以防止燃燒)的密封內部空間。該內部具有某些濃度的諸如氬的其他氣體或這些氣體的組合，以替代氧氣。其中，殼體內部還包含坩鍋18和其他組件，用於基本上同時生長4個矽帶狀晶體10。殼體16中的進料入口 20提供了一種用於將矽給料導向到內部坩鍋18的裝置，而可選的窗口 22使得能夠對內部組件進行檢查。 如圖所示，坩鍋18被殼體16內的內部平臺支撐，並且具有基本上平坦的頂表面。坩鍋18的該實施方案具有伸長的形狀，並且具有用於沿著其長度生長並排布置的矽帶狀晶體10的區域。在示例性實施方案中，坩鍋18由石墨形成，並且對於使矽保持在其熔點之上的溫度來說是耐熱的。為了改進結果，坩鍋18具有的長度遠大於其寬度。例如，坩鍋18的長度可以是其寬度的3倍或更多倍。當然，在一些實施方案中，坩鍋18沒有以這種方式伸長。例如，坩鍋18可以具有稍微方形的形狀或者非矩形的形狀。 如圖2中所示並且在以下更詳細討論的，爐14具有用於容納線12的多個孔24(以虛擬方式示出)。具體而言，圖2中的爐14具有用於容納四對線12的8個線孔24。每對線12穿過坩鍋18中的熔融矽，以形成單帶狀晶體10。 許多傳統的帶狀晶體生長工藝形成在線附近具有薄頸部的帶狀晶體。更具體而言，圖3示意性示出具有現有技術線12P的現有技術帶狀晶體10P中的一部分的橫截面圖。現有技術的帶狀晶體10P在帶狀晶體10的線12P和較寬部38之間具有薄頸部36。如果頸部36太薄，則帶狀晶體10P會非常脆並且更容易破裂，從而導致收率損失。例如，如果線12p和形成帶狀晶體10P的帶狀材料(例如，聚晶矽)之間的熱膨脹係數的差足夠大，則帶狀晶體10P會更容易在頸部36發生破裂。 為了增大頸部厚度，本領域技術人員向帶狀生長工藝添加了設備。例如， 一種這樣的方案是將氣體噴射器(未示出)添加到爐14中。這些氣體噴射器將相對冷的氣體流導向頸部36，從而降低了那個區域的溫度，以增大頸部厚度。其他方案涉及添加專用的半月板成形器(meniscus shaper)。 與使用這種附加的外部措施不同的是，本發明的示例性實施方案以指定方式設計線12的橫截面尺寸。然後，線12以使生長帶狀晶體10的頸部36的尺寸增大的方式定位在晶體生長爐14內。例如，平均厚度為約190微米的所得到的帶狀晶體10可以具有最小厚度為約60微米的頸部36，這會滿足某些應用的需要。這種創新因此減少了收率損失，從而降低了生產成本。 圖4A示意性示出可以根據本發明的示例性實施方案形成的線12。雖然該附圖看上去示出了大致凸形或圓形的橫截面，但是該附圖應該被視為只是示意性的而不是代表任何特定的橫截面形狀。為此，圖4B示意性示出根據本發明的多個不同實施方案沿著圖4A中線12的橫截面線B-B的8個可能的橫截面圖。例如，這些形狀中的一些形狀被大致伸長，例如，線1的不規則形狀、線2的矩形形狀和線3的稍微橢圓形狀。 無論它們是否伸長，各種線12都可以被分類為大致凹形或大致凸形。如本文所使用的，橫截面形狀當其周邊形成至少一個不可忽略的凹度時大致為凹形。因此，線l被視為大致凹形，儘管其存在其他的凸形部。相反地，橫截面形狀當其周邊沒有形成不可忽略的凹度時被視為大致凸形。因此，圖4中的線2和線3大致為凸形。 圖4B示出大致為凹形的多個其他橫截面線形狀。事實上，一些可以被視為伸長的和凹形的。例如，線4大致為"C"形、凹形和伸長的，而線5大致為十字形、凹形的但不是伸長的。線5的形狀(十字形)不是伸長的，這是因為其大致是對稱的，即十字的水平部和垂直部大約是相同的尺寸。根據線8的實際尺寸，線8(大致為"T"形)會或者不會被視為伸長的。例如，如果"T"形中向下延伸的部分比其水平部分長，則線8可以被視為伸長的。在任一情況下，線8被視為大致是凹形。 —些實施方案使用多個線12來形成帶狀晶體10的一個邊緣。線6和線7示出兩個這種實施方案。具體而言，線6示出一個實施方案，其中，在最終的帶狀晶體10中各個線12彼此接觸，而線7示出另一實施方案，其中，在最終的帶狀晶體10中各個線12彼此分隔。應該注意的是，使用多個線12的實施方案可以使用不止兩個線12。另外，該多個線的實施方案中的各個線12可以具有相同或不同的橫截面形狀(例如，第一橢圓形線12和其他的十字形或圓形線12)。 圖4B中的具體形狀只是多種不同橫截面線形狀的示例。例如，一些實施方案使用具有大致圓形的橫截面形狀的線。因此，本領域技術人員應該理解的是，其他的線形狀也落入各種實施方案的範圍內。 圖5示出形成具有根據本發明示例性實施方案構造的線12的線帶狀晶體10的示例性工藝。為了簡化起見，只參照圖4B中的線2來討論該工藝，這是因為線2是該附圖中清楚示出該工藝中所討論的各種線層的僅有的線12。但是，應該注意的是，所討論的原理適用於具有其他橫截面形狀的線12或由其他工藝形成的其他線。 工藝開始於步驟500，即形成芯/襯底28，該芯/襯底28用作接納耐火材料層的襯底。如在代理人案巻號為3253/172、名稱為"REDUCEDWETTING STRING FOR RIBBONCRYSTAL"(用於帶狀晶體的減少潤溼線)、共同待決的美國專利申請(以上通過引用結合於此)更詳細討論的，可以通過傳統的擠出工藝由碳來形成芯28。然而，在其他實施方案中，芯28可以是線材(wire)、絲或纏繞在一起作為絲束的多個小導電纖維。例如，後製造工藝可以通過諸如氧化、碳化或滲透的已知製造工藝來形成單絲。 芯28可以具有所需的橫截面形狀。例如，如圖4B中所示，線2的芯28大致為矩
形。可替選地，芯28可以具有不同的橫截面形狀，而耐火材料應用設備可以專門構造用於
形成所期望的橫截面形狀。例如，擠出設備可以專門構造用於由具有預定橫截面形狀的芯
材料形成橫截面形狀，所述預定橫截面形狀與最終的橫截面線形狀相同或不同。 在形成芯28之後，工藝形成用作上述耐火材料層30的第一塗層/層(步驟502)。
其中，第一塗層30可以包括碳化矽、鎢或者碳化矽和鎢的組合。傳統思維是使得該外表面
30應該非常光滑，以使當其在爐24內接觸熔融矽材料時會出現的成核現象最小化。期望的
是，較少的成核現象應該產生較少的晶粒，並因此產生較少的晶粒邊界。結果，與具有更多
晶粒和更多晶粒邊界的線12相比，這種線12應該是更加電學有效的。 為此，本發明人已知的一個通用的現有技術工藝使用化學氣相沉積(即，CVD)來
形成耐火材料層30。因此，這種現有技術的線應該具有更光滑的外表面，並因此產生較少的
晶粒和晶粒邊界。然而，不理想的是，這類工藝是複雜的並且使用有害的化學品。 示例性實施方案解決了這些問題。具體而言，為了避免CVD工藝(或其他類似的
工藝)中使用這類複雜的機械和有害化學品，示例性實施方案直接將耐火材料擠出到芯/
襯底28上，由此覆蓋芯28的基本上整個外(外圍)表面。然而，這與現有技術的教導是相反的，這是因為預料到的是產生比較不光滑的表面。但是，本發明人預期，這種線可以產生令人滿意的結果，即成本節省得更多並且安全風險更小。 其中，經擠出的耐火材料層30的形成還會涉及拉擠成型(pulltrusion)工藝，具有聚合物組分的耐火材料的旋壓，隨後被烘焙。結合擠出/拉擠成型的工藝可以使用碳、矽、碳化矽、氮化矽、鋁、多鋁紅柱石、二氧化矽、BN顆粒或者混合有聚合物粘合物的纖維中的至少一種組分。這還會涉及具有碳化矽、碳、矽中的至少一種的芯28和具有氧化物、多鋁紅柱石、碳和/或碳化矽中的至少一種的鞘的雙組分擠出。因此，如上所述，芯28有效地用作支撐耐火材料層30的襯底。例如，耐火材料層30可以(或可以不)與芯28大致同心。在耐火材料層30被擠出到芯28上之後，使得耐火材料層30能夠硬化/固化充足的時間量。
如以下所討論的，一些實施方案在耐火材料層30的徑向外部形成一個或多個層。這類層可以比較光滑，或者其粗糙度與該層30的粗糙度相類似。 該步驟因此形成被視為基礎線部26的部分。在該工藝中的此時，基礎線部26具有組合的熱膨脹係數，該熱膨脹係數通常優選地匹配帶狀材料的熱膨脹係數。具體而言，線12的熱膨脹特性應該足以匹配帶狀材料，使得在界面處沒有出現過多的應力。在合理的隨後帶狀晶體操縱和處理步驟中，如果線12表現出與帶狀晶體的分離，或者如果線12表現出從帶狀晶體邊緣向外或向內巻曲的趨勢，則應力被視為過多。然而，在其他實施方案中，基礎線部26的熱膨脹係數通常與帶狀材料的熱膨脹係數不匹配。 如上所述，根據應用，本發明的一些實施方案可以具有一個或多個附加層。例如，如在上述併入的代理人案巻號為3235/172的專利申請中更詳細討論的，線12可以具有非潤溼/降低潤溼的層32，以增大帶狀材料的晶粒尺寸。在該情況下，工藝進行到步驟504，該步驟504在基礎線部26上形成暴露的非潤溼/降低潤溼的層32。在對於熱膨脹係數差敏感的應用中，該層32優選地非常薄，使得它對整體線的熱膨脹係數的影響可以忽略不計。例如，降低潤溼的層32應該比耐火材料層30的厚度薄得多。 在使用該非潤溼層32的實施方案中，應該仔細控制其外表面與帶狀材料的接觸
角，以造成熔融的帶狀材料與之附著-一否則，該工藝不能夠形成帶狀晶體io。在使用熔融
聚晶矽的應用中，例如，預料到的是，在約15度至120度之間的與矽的接觸角應該產生令人滿意的結果。這類大於25度的角度可以產生更好的結果。 在其他方式之中，可以通過CVD工藝、浸塗或其他方法來形成非潤溼層32。例如，可以採用CVD塗覆的方法，通過在沉積腔室內塗布電接觸同時通過腔室進料來塗布基礎線部26—一由此基礎線部26自身受熱。可替選地，可以通過腔室感應加熱來加熱基礎線部26。 用於實現該步驟的現有技術包括 在CVD爐的端部或在重繞期間，溶膠凝膠浸蘸，用於二氧化矽或氧化鋁或碳氧化
娃， 通過從外部加熱石英並且感應加熱基礎線部26來沉積CVD非潤溼塗層， 用隨後將會被燒掉的聚合物粘合物來進行噴塗沉積， 將顆粒搖動到基礎線部26或絲束上，然後將其烘焙到基礎線部26或絲束中，以及 *用耐火漿體(例如，碳化矽/ 二氧化矽)或液體對基礎線部26進行塗覆，然後燒掉殘餘物。 線12還可以具有操縱層34，該操縱層34在耐火材料層30的徑向外部，以保持基 礎線部26的完整。為此，如果被包含的話，操縱層34對基礎線部26提供小的壓應力，由此 提高整體線12的堅固性。因此，如果基礎線部26出現裂縫，則操縱層34的壓應力應該減 小線12將破裂的可能性。其中，操縱層34可以是碳的薄層(例如，具有大致已知尺寸的線 12的厚度為1微米或2微米)。 因此，在執行步驟504之前， 一些實施方案可以形成與所產生的非潤溼層32分離 的操縱層34(例如，參見圖4B中的線2)。因此，在這種實施方案中，非潤溼層32基本上覆 蓋操縱層34。更具體而言，非潤溼層32覆蓋操縱層34的外圍表面。然而，一些實施方案可 以將非潤溼層32集成到操縱層34中。 然後，在步驟506中確定所塗覆的線12是否具有延伸穿過非潤溼層32的絲(這 類絲在本文中被稱作"須晶")。這會出現在例如絲的絲束形成芯28時。如果所塗覆的線 12具有須晶，則在步驟508中將其剃除。隨後，該工藝可以循環返回步驟504，步驟504再 塗布非潤溼層32。 可替選地，如果線12沒有須晶，則工藝進行到步驟510，步驟510向如圖2所示的 爐14提供線12。為此，一些實施方案提供用於每個帶狀晶體邊緣的單個線12，或者用於每 個帶狀晶體邊緣的多個線12 (例如，圖4B的線6和線7)。除非作相反地清楚修改(例如， 通過"單個"或"多個"的詞語)，否則在參照形成帶狀晶體10的邊界/寬度提及術語"線" 時，術語"線"通常意味著一個或多個線。 與使用以上形成線12的方法不同的是，一些實施方案將凹度加工或鑽孔成圓形 或其他另外大致凸形線12。因此，線12可以通過其他方法形成。 示例性實施方案以增大帶狀晶體頸部36的厚度的方式使在爐14中的線12被定 向。例如，圖6A至圖6C示意性示出具有線12的三個帶狀晶體10的橫截面圖，該線12具 有伸長的、大致橢圓、大致凸形橫截面形狀。為了增大頸部36的厚度，這些實施方案定向它 們各自的大致縱軸42，使得它們偏離其各自的帶狀晶體10的寬度尺寸。換言之，為了滿足 偏離，縱軸42沒有與寬度尺寸平行——而是，縱軸42和寬度尺寸相交。
更具體而言，每個線12的橫截面具有最大的尺寸，每個尺寸都示出為圖6A至圖6C 中的雙箭頭。為了進行參考，這些伸長橫截面形狀中的每個橫截面形狀的縱軸42因此被視 為與最大尺寸共線。例如，圖6A將縱軸42定向為基本上與寬度尺寸垂直，而圖6C將縱軸 42定向成與寬度尺寸形成淺角。圖6B定向在圖6A和圖6C的極端之間的縱軸42。
應該注意的是，與圖6A至圖6C中所示的取向不同的取向應該提供滿意的結果。例 如，以其從圖6B所示的角度旋轉約90度(順時針或逆時針)的方式定向縱軸42也應該增 大頸尺寸。 圖8A和圖8B示意性示出具有橫截面形狀為大致凹形的線12的兩個帶狀晶體10。 如圖所示，線12被定向，使得它們的凹度完全向著晶片寬度(g卩，在X方向上)或者完全背 離晶片寬度(即，在X方向上)定向。具體而言，凹度大致對稱地定向，例如，凹度在X軸上 方和下方形成鏡面圖像。然而，從這些方位的顯著旋轉(順時針或逆時針)會影響半月板 形狀，以妨礙適當的晶體生長。本領域技術人員可以將這種構思應用於線12，該線12具有 多個凹度或者在橫截面形狀(例如，十字形)的相對面上具有多個凹度。
8
此時，對於正在生長的每個帶狀晶體10，工藝使得兩個線12 ( —起形成最終的帶
狀晶體寬度)穿過爐14和坩鍋18，由此形成線帶狀晶體10 (步驟512)。 因此，本發明的示例性實施方案將耐火材料層30擠出到芯28上，由此避免與現有
技術的沉積技術和降低生產成本相關的問題。 雖然以上的討論公開了本發明的各種示例性實施方案，但是應該清楚的是，本領 域技術人員可以在不脫離本發明的真實範圍的情況下，對將實現本發明的這些優點進行各 種修改。
權利要求
一種製造用於線帶狀晶體的線的方法，所述方法包括提供具有外表面的襯底；將耐火材料擠出到所述襯底上，所述耐火材料基本上覆蓋所述襯底的外表面；固化所述耐火材料。
2. 如權利要求1所述的方法，其中所述襯底包括碳絲。
3. 如權利要求1所述的方法，其中所述耐火材料包括碳化矽。
4. 如權利要求l所述的方法，其中所述襯底包括絲束。
5. 如權利要求1所述的方法，還包括在所述耐火材料的徑向外部形成外部減少潤溼層。
6. 如權利要求1所述的方法，其中所述襯底和耐火材料形成大致伸長的橫截面形狀。
7. 如權利要求1所述的方法，其中所述襯底和耐火材料大致是同心的。
8. —種用於形成帶狀晶體的線，所述線包含 襯底，所述襯底具有外表面；以及經擠出的耐火材料層，所述經擠出的耐火材料層基本上覆蓋所述襯底的外表面。
9. 如權利要求8所述的線，其中所述襯底包括碳絲。
10. 如權利要求8所述的線，其中所述耐火材料包括碳化矽。
11. 如權利要求8所述的線，其中所述襯底包括絲束。
12. 如權利要求8所述的線，還包含在所述耐火材料的徑向外部的外部減少潤溼層。
13. 如權利要求8所述的線，其中所述襯底和耐火材料形成大致伸長的橫截面形狀。
14. 如權利要求8所述的線，其中所述襯底和耐火材料大致是同心的。
15. 如權利要求8所述的線，還包含在所述耐火材料的徑向外部的操縱層。
16. —種形成帶狀晶體的線，所述線包含 襯底；以及經擠出的耐火裝置，所述經擠出的耐火裝置基本上覆蓋所述襯底。
17. 如權利要求16所述的線，其中所述經擠出的耐火裝置包括耐火材料。
18. 如權利要求16所述的線，其中所述襯底包括碳絲。
19. 如權利要求16所述的線，其中所述經擠出的耐火裝置包括碳化矽。
20. 如權利要求16所述的線，其中所述襯底包括絲束。
21. 如權利要求16所述的線，還包含在所述經擠出的耐火裝置的徑向外部的外部減少 潤溼層。
全文摘要
本發明涉及一種製造用於線帶狀晶體的線的方法，該方法包括提供具有外表面的襯底；將耐火材料擠出到所述襯底上。所述耐火材料基本上覆蓋所述襯底的外表面。然後，該方法還包括固化耐火材料。
文檔編號C30B15/36GK101784701SQ200880103887
公開日2010年7月21日 申請日期2008年8月29日 優先權日2007年8月31日
發明者克裡斯汀·理查森, 勞倫斯·費爾頓 申請人:長青太陽能股份有限公司