专利名称：具有多个个体线的带状晶体端线的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及带状晶体，且更具体地，本发明还涉及用于形成线带状晶体 (string ribbon crystal)的线(string)。
背景技术：
线带状晶体例如在美国专利No. 4，689，109 (1987年提交的且命名Emanuel M.&ichS为唯一发明人)中所述的那些晶体能够形成多种电子器件的基底。例如， Marlborough,Massachusetts的Evergreen Solar公司由常规的线带状晶体形成太阳能电池。如在所述的专利中所详细描述的，常规方法通过使两个或两个以上的线穿过熔融硅而形成线带状晶体。线的组成和性质对效率具有明显的影响，且在某些情况中，对最终形成的线带状晶体的成本也具有明显的影响。
发明内容
根据本发明的一个实施例，带状晶体具有主体和在所述主体内的端线。至少一个端线具有大致凹状的横截面形状，并由至少两个个体线形成。所述的两个个体线可大致沿主体的厚度尺寸间隔开，以大致形成伸长的、凹状的横截面形状。此外，主体材料(例如硅)可以位于所述两个个体线之间。在替代实施例中， 所述的两个个体线是在物理上接触的。根据本发明的另一个实施例，带状晶体具有主体和在所述主体内的多个端线。至少一个端线是由至少一对间隔开的个体线形成。主体材料位于该对个体线之间。至少一个端线可具有大致凹状的面横截面形状。另外，所述个体线每个可大致形成伸长的横截面形状。而且，所述个体线中的至少一个可具有关于宽度尺寸大致对称的凹陷。所述至少一个端线的个体线大致沿主体的厚度尺寸间隔开。根据本发明的其他实施例，形成带状晶体的方法提供多个端线。所述端线的至少一个具有至少两个间隔开的个体线。所述方法还向坩埚中添加熔融物质，然后使端线穿过熔融物质而使得所述熔融物质在界面以上凝固，由此形成熔融物质片。所述至少一个端线具有在所述界面以上的其个体线之间的凝固的熔融物质。
参考下面马上概述的附图，通过以后的“具体实施方式
”，本领域技术人员可更全面的了解本发明各种实施例的优势。图1示意性显示了线带状晶体，该线带状晶体可由根据本发明的示例性实施例构造的线形成。图2示意性显示了用于形成线带状晶体的示例性炉。图3示意性显示了具有现有技术的线的现有技术的带状晶体的一部分的横截面图。图4A示意性显示了根据本发明示例性实施例形成的线。图4B示意性显示了根据本发明各种实施例的图4A的线沿线B-B的八个横截面图。图5显示了使用根据本发明示例性实施例构造的线形成线带状晶体的示例性方法。图6A、图6B和图6C示意性显示了使用具有伸长的横截面的线的、根据实施例的带状晶体的横截面图。图7A和图7B示意性显示了具有由多个个体线形成的端线的带状晶体的横截面图。图8A和图8B示意性显示了具有带大致凹状的横截面形状的线的带状晶体。
具体实施例方式示例性线带制造方法使用多个个体线，其用于带状晶体的每个端。例如，每个端线可由一对个体的间隔开的线形成。例如，通过形成较厚的颈部区，使得这种线的几何性质和热性质提高了晶体的性质。下面对各种实施例的细节进行讨论。图1示意性显示了根据本发明示例性实施例构造的线带状晶体10。以与其他带状晶体类似的方式，该带状晶体10在其正面和背面上具有大致矩形形状和相对大的表面积。 例如，带状晶体10可具有约3英寸的宽度和约6英寸的长度。如本领域技术人员所已知的， 长度能够较大地变化。例如，在某些已知的过程中，长度取决于炉操作者对在带状晶体10 生长时在何处切断带状晶体10的判断。另外，宽度能够根据形成带状晶体宽度边界的两个线12的间距而变化(参见图2、。因此，具体长度和宽度的说明是示例性的且不意图限制本发明的各种实施例。带状晶体10的厚度可以改变且相对于其长度和宽度尺寸而言是非常小的。例如， 线带状晶体10在其整个宽度上可具有从约60微米至约320微米的厚度。尽管具有这种变化的厚度，可认为线带状晶体10在其整个长度和/或宽度上具有平均厚度。根据应用场合，带状晶体10可由非常多种材料(通常通称为“带材料”或“晶体材料”)中的任一种材料形成。例如，当为了光电应用而进行生长时，带状晶体10可由单种元素如硅，或化合物如硅基材料(例如硅锗)形成。其他示例性带状材料可包含砷化镓或磷化铟。带材料可以为各种晶体类型中的任一种，如多种-晶质、单晶、多晶、微晶或半晶。如本领域技术人员所已知的，带状晶体10由一对线12形成(参见图2和后面的图)，所述一对线12通常嵌入/封装在带材料中。根据下述方法可清楚，该对线12可有效地形成带状晶体10的边缘；即，它们限定了带状晶体10的宽度。因此，所述线通常是指本文中的“端线”或简称为线12。此外，为了简化，带状晶体10被说明为由多晶硅带材料形成。然而，应重申，不能将多晶硅的说明用于限制全部实施例。示例性实施例在带状晶体生长炉14中生长了带状晶体10，如图2中所示。更具体地，图2示意性显示了硅带状晶体的生长炉14，其可用于形成根据本发明示例性实施例的线带状晶体10。除了别的以外，炉14具有形成密封的内部的外壳16，所述密封的内部基本不含氧气(以防止燃烧)。代替氧气，所述内部具有某一浓度的另一种气体(如氩气)或气体的组合物。除了别的以外，外壳内部还包含坩埚18和其他部件，以用于基本上同时生长四个硅带状晶体10。外壳16中的进料口 20提供了用于将硅给料引入内部坩埚18中的装置，同时可选的窗口 22使得可观察内部部件。如图所示，在外壳16内的内部平台上支承的坩埚18具有基本上平坦的顶面。坩埚18的该实施例具有伸长的形状，其具有在沿其长度并排布置的用于生长硅带状晶体10 的区域。在示例性实施例中，坩埚18由石墨形成并可承受加热至能够将硅保持在其熔点以上的温度。为了改善结果，坩埚18的长度比其宽度大得多。例如，坩埚18的长度可以为其宽度的三倍或三倍以上。当然，在某些实施例中，坩埚18不是以这种方式伸长的。例如，坩埚18可具有略方形的形状或非矩形的形状。如图2中所示和下面所详细讨论的，炉14具有多个孔以虚线示出)以用于接收线12 (即端线12)。具体地，图2的炉14具有八个线孔M以用于接收四对端线12。每对线12穿过坩埚18中的熔融硅，以形成单个带状晶体10。许多常规带状晶体生长过程形成在线附近具有薄颈部的带状晶体。更具体地，图3 示意性显示了现有技术带状晶体IOP的一部分的横截面图，带状晶体IOP具有现有技术的线12P。这种现有技术的晶体IOP具有位于带状晶体10的线12P和更宽部分38之间的薄颈部36。如果颈部36太薄，则带状晶体IOP可能非常易碎且更易于破裂，由此导致产量下降。例如，如果线12与形成带状晶体IOP的带材料(例如多晶硅)之间的热膨胀系数之差非常大，则带状晶体IOP可能更易于在颈部36处发生破裂。为了增大颈的厚度，本领域技术人员已经向带生长过程中添加了设备。例如，一种这样的方案是向炉14添加气体喷嘴(未示出)。这些气体喷嘴朝向颈部36喷射相对冷的气体流，由此使该区域内的温度降低以增大颈的厚度。其他方案涉及添加专门的弯月面成形器。不是使用这种另外的外部措施，本发明的示例性实施例以规定方式设计了线12 的横截面尺寸。然后，示例性实施例以增大生长的带状晶体10的颈部36的尺寸的方式将线12定位在晶体生长炉14内。例如，制得的具有约190微米的平均厚度的带状晶体10可具有最小厚度为约60微米的颈部36，这能够足以用于特定应用场合中。因此，这种革新降低了产量损失，由此降低了生产成本。图4A示意性显示了根据本发明示例性实施例形成的线12。尽管该图显示了大致凸状或圆形的横截面，但是应理解，其仅是示意性地且不代表任何特定的横截面形状。为此，图4B示意性显示了根据本发明的大量不同实施例的图4A的线12沿横线B-B的八种不同的可能横截面图。例如，某些形状是大致伸长的，例如线一的不规则形状、线二的矩形形状、以及线三的大致椭圆形状。无论它们是否是伸长的，可以将各种线12归类为大致凹状的或大致凸状的。如本文中所使用的，当其周界的任意一部分形成至少一个不可忽略的凹陷时，横截面形状是大致凹状的。因此，认为线一是大致凹状的，尽管其其他部分为凸状部分。相反地，当横截面形状的周界未形成不可忽略的凹陷时，认为横截面形状为大致凸状的。因此，图4B的线二和线三为大致凸状的。图4B显示了大量其他代表性的大致凹状的线形状。事实上，一些可以被认为是伸长的且凹状的。例如，线四为大致“C”形、凹状且伸长的，而线五为大致十字形、凹状的，但不是伸长的。线五的形状(十字形)不是伸长的，因为其是大致对称的一十字形的水平部分和竖直部分二者都具有相同的尺寸。根据其实际尺寸，大致“T”形的线八可认为或不认为其为伸长的。例如，如果“T”形的向下延伸的部分比其水平部分长，则可以认为线八是伸长的。在任一种情况下，认为线八为大致凹状的。在实验期间，如下所述，本发明人惊奇地发现，由多个个体线形成端线12大大提高了颈的尺寸。换言之，可由两个或两个以上的个体线形成端线12。线六和七显示了两种这样的实施例。具体地，线六显示了其中个体线12在最终的带状晶体10中物理上相互接触的一个实施例，而线七显示了其中个体线12 (在最终的带状晶体10中)相互间隔开的另一个实施例。如线七的固有显示，使用两个间隔开的、个体线的端线12包含两个个体线、以及在所述两个个体线之间的一些带主体材料(例如多晶硅)。应注意，使用多个个体线的端线12可使用两个或两个以上的个体线。例如，一些端线12可使用三个或四个线以增大其深度尺寸。另外，这些多个线的实施例的个体线可具有相同或不同的横截面形状(例如，第一椭圆形线12和另一种十字形或圆形线12)。应注意，图4B的具体形状仅为多种不同横截面线形状的实例。因此，本领域技术人员应理解，其他线形状也落在各种实施例的范围内。图5显示了形成线带状晶体10的示例性过程，所述线带状晶体10具有根据本发明示例性实施例构造的线12。为了简化，仅参考图4B的线二对该过程进行说明一因为线二是在清楚显示该方法中所说明的各种线层的所述图中唯一的线12。然而，应理解，所说明的原理适用于具有其他横截面形状的线12、或通过其他过程形成的其他线。在步骤500处，通过形成芯/衬底观开始所述方法，所述芯/衬底观充当接收耐火材料层的衬底。如具有律师代理卷号3253/172且题目为“REDUCED WETTING STRING FOR RIBBON CRYSTAL”的共同未决的美国专利申请(通过上述参考而将其并入)中所更详细描述的，能够通过常规的挤出法由碳形成芯观。然而，在其他实施例中，所述芯观可以为导线、细丝、或作为线束而卷绕在一起的多个小导电纤维。例如，后制造过程可通过已知的制造过程如氧化、碳化或渗透来形成单丝。芯28可具有期望的横截面形状。例如，如图4B中所示，线二的芯28为大致矩形。 可替代地，芯观可具有不同的横截面形状，同时耐火材料涂覆设备可具体地构造为形成期望的横截面形状。例如，挤出设备可具体地构造为形成芯材料的横截面形状，所述芯材料具有与最终的横截面线形状相同或不同的规定的横截面形状。在形成芯观之后，该过程形成第一涂层/层，其充当上述耐火材料层30 (步骤 502)。除了别的以外，第一涂层30可包含碳化硅、钨、或碳化硅和钨的组合物。另外，该第一层可以以大量常规方式如利用常规(和通常是复杂)的CVD涂布过程来形成。为了避免使用CVD过程的复杂机械和有害化学品，示例性实施例将耐火材料直接挤出在芯/衬底观上。除了别的以外，这可涉及拉拔过程、或耐火材料与聚合物组分两者的自转成形，其随后被焙烧掉。过程可使用碳、硅、碳化硅、氮化硅、铝、莫来石、二氧化硅、BN 颗粒、或与聚合物粘合剂混合且利用挤出/拉拔而连接的纤维中的至少一种组分。这还可涉及芯观和鞘的双组份挤出，所述芯观具有碳化硅、碳、硅中的至少一种，且所述鞘具有氧化物、莫来石、碳和/或碳化硅中的至少一种。因此，如上所述，芯观可有效充当用于支承耐火材料层30的衬底。该步骤由此形成基础线部分沈。应重申，基础线部分沈可由任何的非常多种材料中的一种或多种形成。这样的材料可包括石墨纤维或线束、耐火材料(如钨或碳化硅)、或其组合物。事实上，某些实施例可形成不含芯观的基础线部分26。在所述过程中的该点上，基础线部分沈具有组合的热膨胀系数，通常优选其与带材料的热膨胀系数相匹配。具体地，线12的热膨胀特性应与带材料良好地匹配，从而不会在界面处产生过度应力。如果在适当的随后的带状晶体处理和加工步骤期间线12表现出与带分离的趋势、或如果线12表现出从带状晶体边缘向外或向内卷曲的趋势，则认为应力过度。然而，在其他实施例中，基础线部分26的热膨胀系数通常不与带材料的热膨胀系数相匹配。根据应用场合，本发明的某些实施例可具有一个或多个另外的层。例如，如在具有律师代理卷号3253/172中的上述并入的专利申请中所详细描述的，线12可具有不润湿/ 减少润湿的层32以提高带材料的粒度。在此情况中，所述过程继续到步骤504，其在基础线部分沈上形成暴露的不润湿/减少润湿的层32。在对热膨胀系数之差敏感的应用中，优选该层32非常薄，从而可忽略对总体线的热膨胀系数的影响。例如，减少润湿的层32应比耐火材料层30薄得多。在使用这种不润湿层32的实施例中，应该对与其外表面的带材料的接触角进行仔细控制以使得熔融带材料粘附到外表面上，否则所述过程不能形成带状晶体10。在使用熔融多晶硅的应用中，例如，可以预期，在约15°和120°之间的与硅的接触角可获得满意的结果。大于25°的这样的角可获得更好的结果。除了其他方式以外，可通过CVD过程、浸涂法或其他方法来形成不润湿层32。例如，可通过在沉积室内施加电接触对基础线部分沈进行CVD涂布，同时通过所述室为所述基础线部分沈进料，由此对基础线部分沈自身进行加热。可替代地，通过所述室，利用感应加热对基础线部分26进行加热。用于实施该步骤的相关技术包括·在CVD炉的末端处或在重新卷绕期间对二氧化硅或氧化铝或碳氧化硅进行溶胶凝胶浸渍， 通过从外部对石英进行加热和对基础线部分沈进行感应加热而沉积CVD不润湿涂层，·具有随后将烧掉的聚合物粘合剂的喷射沉积， 在基础线部分沈或线束上摇动颗粒并且然后焙烧入基础线部分沈或线束中，以及·涂布具有耐火浆体(例如碳化硅/ 二氧化硅)或液体的基础线部分26，并且然后将残余物烧掉。
线12还可具有从耐火材料层30径向向外的处理层34，以保持基础线部分沈的整体性。为此，如果包括，则处理层34向基础线部分沈提供小的压缩应力，从而提高了总体线12的牢固性。因此，如果基础线部分沈产生了裂缝，则处理层34会减少线12发生破裂的可能性。除了别的以外，处理层34可以为碳的薄层(例如，对于具有通常已知尺寸的线 12为一微米或二微米厚)。因此，在进行步骤504之前，某些实施例可形成处理层34，所述处理层34与制造的不润湿层32分离(例如，参见图4B的线二 )。由此，在这种实施例中，不润湿的润湿层32 基本上覆盖了处理层34。更具体地，不润湿层32覆盖了处理层34的外周表面。然而，某些实施例可使得不润湿层32与处理层34形成为一体。然后，在步骤506处，确定涂布的线12是否具有延伸而通过不润湿层32的细丝 (本文中将这种细丝称作“须”)。例如，当细丝的线束形成芯观时，能够发生这种情况。如果涂布的线12具有须，则在步骤508处该过程将其刮掉。然后，过程可跳回至步骤504，重新涂布不润湿层32。可替代地，如果线12不具有须，则过程继续到步骤510，其将线12提供至炉14，如图2中所示。为此，某些实施例为每个带状晶体边缘提供单线12，或为每个带状晶体边缘提供多线12 (例如，图6B的线六和七)。当参考上述来形成带状晶体10的边界/宽度时，除非有明确表示相反的意思(例如，通过单词“单”或“多”)，否则术语“线”通常是指一个或多个线。不使用用于形成线12的上述方法，某些实施例通过机械加工或钻孔在圆形或其他另外的大致凸状的线12中提供凹陷。因此，可通过其他方法形成线12。示例性实施例以增大带状晶体颈部36的厚度的方式对炉14中的线12进行定向。 例如，图6A-6C示意性显示了具有线12的三个带状晶体10的横截面图，所述线12具有伸长、大致椭圆、大致凸状的横截面形状。为了增大颈部36的厚度，这些实施例对它们各自的大致纵轴42进行定向，从而与它们各自带状晶体10的宽度尺寸脱离。换言之，为了脱离， 纵轴方向42不与宽度尺寸平行，相反，纵轴42与宽度尺寸相交。更具体地，每个线12的横截面具有最大尺寸，在图6A-6C中将其每个显示为双头箭头。出于参考的目的，由此认为这些伸长的横截面形状中的各种形状的纵轴42与最大尺寸共线。本发明人已知的现有技术方法将该纵轴42定向成大致与带状晶体10的宽度尺寸平行。然而，与本领域中这种明确的主张相反的是，本发明人发现，以使得纵轴42与带状晶体的宽度尺寸脱离的方式对纵轴42进行定向会增大颈的尺寸。例如，图6A将纵轴42定向为基本上与宽度尺寸垂直，而图6C将纵轴42定向成与宽度尺寸形成锐角。图6B将纵轴42定向在图6A与图6C的极端之间。当与上述现有技术方法相比时，任一实施例可增大颈部36的尺寸。这种颈尺寸的增大会因此而减少破裂，由
此提高产量。应理解，除了图6A-6C中所示的那些定向以外的定向也可提供满意的结果。例如， 以使得相对于图6B中所示的角旋转约90° (顺时针或逆时针)的方式来定向纵轴42，也可增大颈的尺寸。在线12移动通过炉14时，(每个带状晶体10的)熔融的带材料形成弯月面。在试验期间，本发明人发现，升高弯月面的高度也通常会增大颈部36的厚度。为此，本发明人认识到，线横截面形状的主半径应具有特殊规定的性质。 更具体地，跨越气体与熔融材料之间的静态界面的压力差由Young-Laplace方程定义，所述方程如下
权利要求
1.一种带状晶体，包括 主体；和在所述主体内的端线，至少一个端线具有大致凹状的横截面形状，并由至少两个个体线形成。
2.如权利要求1所述的带状晶体，其中所述主体具有厚度尺寸，所述至少两个个体线大致沿所述主体的厚度尺寸间隔开，所述至少两个个体线大致形成伸长的、凹状的横截面形状。
3.如权利要求2所述的带状晶体，还包括在所述至少两个个体线之间的主体材料。
4.如权利要求1所述的带状晶体，其中所述至少两个个体线是在物理上接触的。
5.一种带状晶体，包括 主体；和在所述主体内的多个端线，至少一个端线包括一对间隔开的个体线；和在所述一对个体线之间的主体材料。
6.如权利要求5所述的带状晶体，其中所述主体材料包含硅。
7.如权利要求5所述的带状晶体，其中所述至少一个端线具有大致凹状的横截面形 状。
8.如权利要求5所述的带状晶体，其中所述个体线每一个大致形成伸长的横截面形状。
9.如权利要求5所述的带状晶体，其中所述主体形成有宽度尺寸，所述个体线中的至少一个具有关于所述宽度尺寸大致对称的凹陷。
10.如权利要求5所述的带状晶体，其中至少两个端线每一个具有一对间隔开的个体线，主体材料位于两个端线的个体线之间。
11.如权利要求5所述的带状晶体，其中所述主体具有厚度尺寸，所述至少一个端线的个体线大致沿所述主体的厚度尺寸间隔开。
12.—种形成带状晶体的方法，所述方法包括提供多个端线，所述端线中的至少一个端线包括至少两个间隔开的个体线； 向坩埚中添加熔融材料；和使所述端线穿过所述熔融材料，从而使得所述熔融材料在界面以上凝固以形成凝固材料片，所述至少一个端线在所述界面以上具有在所述端线的个体线之间的凝固的熔融材料。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述熔融材料包含硅。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述个体线每一个大致形成伸长的横截面形状。
15.如权利要求12所述的方法，其中至少两个端线每一个具有多个间隔开的个体线。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述至少两个端线每一个在界面以上具有在它们各自的个体线之间的凝固的熔融材料。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述片具有厚度尺寸，所述至少一个端线的个体线大致沿所述片的厚度尺寸间隔开。
全文摘要
带状晶体具有主体和在所述主体内的端线。至少一个端线具有大致凹状的横截面形状，并由至少两个个体线形成。
文档编号C30B29/06GK102203329SQ200980141392
公开日2011年9月28日 申请日期2009年10月14日 优先权日2008年10月16日
发明者斯科特·赖特斯玛 申请人:长青太阳能股份有限公司