專利名稱：具有多個個體線的帶狀晶體端線的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及帶狀晶體，且更具體地，本發明還涉及用于形成線帶狀晶體 (string ribbon crystal)的線(string)。
背景技術：
線帶狀晶體例如在美國專利No. 4，689，109 (1987年提交的且命名Emanuel M.&ichS為唯一發明人)中所述的那些晶體能夠形成多種電子器件的基底。例如， Marlborough,Massachusetts的Evergreen Solar公司由常規的線帶狀晶體形成太陽能電池。如在所述的專利中所詳細描述的，常規方法通過使兩個或兩個以上的線穿過熔融硅而形成線帶狀晶體。線的組成和性質對效率具有明顯的影響，且在某些情況中，對最終形成的線帶狀晶體的成本也具有明顯的影響。
發明內容
根據本發明的一個實施例，帶狀晶體具有主體和在所述主體內的端線。至少一個端線具有大致凹狀的橫截面形狀，并由至少兩個個體線形成。所述的兩個個體線可大致沿主體的厚度尺寸間隔開，以大致形成伸長的、凹狀的橫截面形狀。此外，主體材料(例如硅)可以位于所述兩個個體線之間。在替代實施例中， 所述的兩個個體線是在物理上接觸的。根據本發明的另一個實施例，帶狀晶體具有主體和在所述主體內的多個端線。至少一個端線是由至少一對間隔開的個體線形成。主體材料位于該對個體線之間。至少一個端線可具有大致凹狀的面橫截面形狀。另外，所述個體線每個可大致形成伸長的橫截面形狀。而且，所述個體線中的至少一個可具有關于寬度尺寸大致對稱的凹陷。所述至少一個端線的個體線大致沿主體的厚度尺寸間隔開。根據本發明的其他實施例，形成帶狀晶體的方法提供多個端線。所述端線的至少一個具有至少兩個間隔開的個體線。所述方法還向坩堝中添加熔融物質，然后使端線穿過熔融物質而使得所述熔融物質在界面以上凝固，由此形成熔融物質片。所述至少一個端線具有在所述界面以上的其個體線之間的凝固的熔融物質。
參考下面馬上概述的附圖，通過以后的“具體實施方式
”，本領域技術人員可更全面的了解本發明各種實施例的優勢。圖1示意性顯示了線帶狀晶體，該線帶狀晶體可由根據本發明的示例性實施例構造的線形成。圖2示意性顯示了用于形成線帶狀晶體的示例性爐。圖3示意性顯示了具有現有技術的線的現有技術的帶狀晶體的一部分的橫截面圖。圖4A示意性顯示了根據本發明示例性實施例形成的線。圖4B示意性顯示了根據本發明各種實施例的圖4A的線沿線B-B的八個橫截面圖。圖5顯示了使用根據本發明示例性實施例構造的線形成線帶狀晶體的示例性方法。圖6A、圖6B和圖6C示意性顯示了使用具有伸長的橫截面的線的、根據實施例的帶狀晶體的橫截面圖。圖7A和圖7B示意性顯示了具有由多個個體線形成的端線的帶狀晶體的橫截面圖。圖8A和圖8B示意性顯示了具有帶大致凹狀的橫截面形狀的線的帶狀晶體。
具體實施例方式示例性線帶制造方法使用多個個體線，其用于帶狀晶體的每個端。例如，每個端線可由一對個體的間隔開的線形成。例如，通過形成較厚的頸部區，使得這種線的幾何性質和熱性質提高了晶體的性質。下面對各種實施例的細節進行討論。圖1示意性顯示了根據本發明示例性實施例構造的線帶狀晶體10。以與其他帶狀晶體類似的方式，該帶狀晶體10在其正面和背面上具有大致矩形形狀和相對大的表面積。 例如，帶狀晶體10可具有約3英寸的寬度和約6英寸的長度。如本領域技術人員所已知的， 長度能夠較大地變化。例如，在某些已知的過程中，長度取決于爐操作者對在帶狀晶體10 生長時在何處切斷帶狀晶體10的判斷。另外，寬度能夠根據形成帶狀晶體寬度邊界的兩個線12的間距而變化(參見圖2、。因此，具體長度和寬度的說明是示例性的且不意圖限制本發明的各種實施例。帶狀晶體10的厚度可以改變且相對于其長度和寬度尺寸而言是非常小的。例如， 線帶狀晶體10在其整個寬度上可具有從約60微米至約320微米的厚度。盡管具有這種變化的厚度，可認為線帶狀晶體10在其整個長度和/或寬度上具有平均厚度。根據應用場合，帶狀晶體10可由非常多種材料(通常通稱為“帶材料”或“晶體材料”)中的任一種材料形成。例如，當為了光電應用而進行生長時，帶狀晶體10可由單種元素如硅，或化合物如硅基材料(例如硅鍺)形成。其他示例性帶狀材料可包含砷化鎵或磷化銦。帶材料可以為各種晶體類型中的任一種，如多種-晶質、單晶、多晶、微晶或半晶。如本領域技術人員所已知的，帶狀晶體10由一對線12形成(參見圖2和后面的圖)，所述一對線12通常嵌入/封裝在帶材料中。根據下述方法可清楚，該對線12可有效地形成帶狀晶體10的邊緣；即，它們限定了帶狀晶體10的寬度。因此，所述線通常是指本文中的“端線”或簡稱為線12。此外，為了簡化，帶狀晶體10被說明為由多晶硅帶材料形成。然而，應重申，不能將多晶硅的說明用于限制全部實施例。示例性實施例在帶狀晶體生長爐14中生長了帶狀晶體10，如圖2中所示。更具體地，圖2示意性顯示了硅帶狀晶體的生長爐14，其可用于形成根據本發明示例性實施例的線帶狀晶體10。除了別的以外，爐14具有形成密封的內部的外殼16，所述密封的內部基本不含氧氣(以防止燃燒)。代替氧氣，所述內部具有某一濃度的另一種氣體(如氬氣)或氣體的組合物。除了別的以外，外殼內部還包含坩堝18和其他部件，以用于基本上同時生長四個硅帶狀晶體10。外殼16中的進料口 20提供了用于將硅給料引入內部坩堝18中的裝置，同時可選的窗口 22使得可觀察內部部件。如圖所示，在外殼16內的內部平臺上支承的坩堝18具有基本上平坦的頂面。坩堝18的該實施例具有伸長的形狀，其具有在沿其長度并排布置的用于生長硅帶狀晶體10 的區域。在示例性實施例中，坩堝18由石墨形成并可承受加熱至能夠將硅保持在其熔點以上的溫度。為了改善結果，坩堝18的長度比其寬度大得多。例如，坩堝18的長度可以為其寬度的三倍或三倍以上。當然，在某些實施例中，坩堝18不是以這種方式伸長的。例如，坩堝18可具有略方形的形狀或非矩形的形狀。如圖2中所示和下面所詳細討論的，爐14具有多個孔以虛線示出)以用于接收線12 (即端線12)。具體地，圖2的爐14具有八個線孔M以用于接收四對端線12。每對線12穿過坩堝18中的熔融硅，以形成單個帶狀晶體10。許多常規帶狀晶體生長過程形成在線附近具有薄頸部的帶狀晶體。更具體地，圖3 示意性顯示了現有技術帶狀晶體IOP的一部分的橫截面圖，帶狀晶體IOP具有現有技術的線12P。這種現有技術的晶體IOP具有位于帶狀晶體10的線12P和更寬部分38之間的薄頸部36。如果頸部36太薄，則帶狀晶體IOP可能非常易碎且更易于破裂，由此導致產量下降。例如，如果線12與形成帶狀晶體IOP的帶材料(例如多晶硅)之間的熱膨脹系數之差非常大，則帶狀晶體IOP可能更易于在頸部36處發生破裂。為了增大頸的厚度，本領域技術人員已經向帶生長過程中添加了設備。例如，一種這樣的方案是向爐14添加氣體噴嘴(未示出)。這些氣體噴嘴朝向頸部36噴射相對冷的氣體流，由此使該區域內的溫度降低以增大頸的厚度。其他方案涉及添加專門的彎月面成形器。不是使用這種另外的外部措施，本發明的示例性實施例以規定方式設計了線12 的橫截面尺寸。然后，示例性實施例以增大生長的帶狀晶體10的頸部36的尺寸的方式將線12定位在晶體生長爐14內。例如，制得的具有約190微米的平均厚度的帶狀晶體10可具有最小厚度為約60微米的頸部36，這能夠足以用于特定應用場合中。因此，這種革新降低了產量損失，由此降低了生產成本。圖4A示意性顯示了根據本發明示例性實施例形成的線12。盡管該圖顯示了大致凸狀或圓形的橫截面，但是應理解，其僅是示意性地且不代表任何特定的橫截面形狀。為此，圖4B示意性顯示了根據本發明的大量不同實施例的圖4A的線12沿橫線B-B的八種不同的可能橫截面圖。例如，某些形狀是大致伸長的，例如線一的不規則形狀、線二的矩形形狀、以及線三的大致橢圓形狀。無論它們是否是伸長的，可以將各種線12歸類為大致凹狀的或大致凸狀的。如本文中所使用的，當其周界的任意一部分形成至少一個不可忽略的凹陷時，橫截面形狀是大致凹狀的。因此，認為線一是大致凹狀的，盡管其其他部分為凸狀部分。相反地，當橫截面形狀的周界未形成不可忽略的凹陷時，認為橫截面形狀為大致凸狀的。因此，圖4B的線二和線三為大致凸狀的。圖4B顯示了大量其他代表性的大致凹狀的線形狀。事實上，一些可以被認為是伸長的且凹狀的。例如，線四為大致“C”形、凹狀且伸長的，而線五為大致十字形、凹狀的，但不是伸長的。線五的形狀(十字形)不是伸長的，因為其是大致對稱的一十字形的水平部分和豎直部分二者都具有相同的尺寸。根據其實際尺寸，大致“T”形的線八可認為或不認為其為伸長的。例如，如果“T”形的向下延伸的部分比其水平部分長，則可以認為線八是伸長的。在任一種情況下，認為線八為大致凹狀的。在實驗期間，如下所述，本發明人驚奇地發現，由多個個體線形成端線12大大提高了頸的尺寸。換言之，可由兩個或兩個以上的個體線形成端線12。線六和七顯示了兩種這樣的實施例。具體地，線六顯示了其中個體線12在最終的帶狀晶體10中物理上相互接觸的一個實施例，而線七顯示了其中個體線12 (在最終的帶狀晶體10中)相互間隔開的另一個實施例。如線七的固有顯示，使用兩個間隔開的、個體線的端線12包含兩個個體線、以及在所述兩個個體線之間的一些帶主體材料(例如多晶硅)。應注意，使用多個個體線的端線12可使用兩個或兩個以上的個體線。例如，一些端線12可使用三個或四個線以增大其深度尺寸。另外，這些多個線的實施例的個體線可具有相同或不同的橫截面形狀(例如，第一橢圓形線12和另一種十字形或圓形線12)。應注意，圖4B的具體形狀僅為多種不同橫截面線形狀的實例。因此，本領域技術人員應理解，其他線形狀也落在各種實施例的范圍內。圖5顯示了形成線帶狀晶體10的示例性過程，所述線帶狀晶體10具有根據本發明示例性實施例構造的線12。為了簡化，僅參考圖4B的線二對該過程進行說明一因為線二是在清楚顯示該方法中所說明的各種線層的所述圖中唯一的線12。然而，應理解，所說明的原理適用于具有其他橫截面形狀的線12、或通過其他過程形成的其他線。在步驟500處，通過形成芯/襯底觀開始所述方法，所述芯/襯底觀充當接收耐火材料層的襯底。如具有律師代理卷號3253/172且題目為“REDUCED WETTING STRING FOR RIBBON CRYSTAL”的共同未決的美國專利申請(通過上述參考而將其并入)中所更詳細描述的，能夠通過常規的擠出法由碳形成芯觀。然而，在其他實施例中，所述芯觀可以為導線、細絲、或作為線束而卷繞在一起的多個小導電纖維。例如，后制造過程可通過已知的制造過程如氧化、碳化或滲透來形成單絲。芯28可具有期望的橫截面形狀。例如，如圖4B中所示，線二的芯28為大致矩形。 可替代地，芯觀可具有不同的橫截面形狀，同時耐火材料涂覆設備可具體地構造為形成期望的橫截面形狀。例如，擠出設備可具體地構造為形成芯材料的橫截面形狀，所述芯材料具有與最終的橫截面線形狀相同或不同的規定的橫截面形狀。在形成芯觀之后，該過程形成第一涂層/層，其充當上述耐火材料層30 (步驟 502)。除了別的以外，第一涂層30可包含碳化硅、鎢、或碳化硅和鎢的組合物。另外，該第一層可以以大量常規方式如利用常規(和通常是復雜)的CVD涂布過程來形成。為了避免使用CVD過程的復雜機械和有害化學品，示例性實施例將耐火材料直接擠出在芯/襯底觀上。除了別的以外，這可涉及拉拔過程、或耐火材料與聚合物組分兩者的自轉成形，其隨后被焙燒掉。過程可使用碳、硅、碳化硅、氮化硅、鋁、莫來石、二氧化硅、BN 顆粒、或與聚合物粘合劑混合且利用擠出/拉拔而連接的纖維中的至少一種組分。這還可涉及芯觀和鞘的雙組份擠出，所述芯觀具有碳化硅、碳、硅中的至少一種，且所述鞘具有氧化物、莫來石、碳和/或碳化硅中的至少一種。因此，如上所述，芯觀可有效充當用于支承耐火材料層30的襯底。該步驟由此形成基礎線部分沈。應重申，基礎線部分沈可由任何的非常多種材料中的一種或多種形成。這樣的材料可包括石墨纖維或線束、耐火材料(如鎢或碳化硅)、或其組合物。事實上，某些實施例可形成不含芯觀的基礎線部分26。在所述過程中的該點上，基礎線部分沈具有組合的熱膨脹系數，通常優選其與帶材料的熱膨脹系數相匹配。具體地，線12的熱膨脹特性應與帶材料良好地匹配，從而不會在界面處產生過度應力。如果在適當的隨后的帶狀晶體處理和加工步驟期間線12表現出與帶分離的趨勢、或如果線12表現出從帶狀晶體邊緣向外或向內卷曲的趨勢，則認為應力過度。然而，在其他實施例中，基礎線部分26的熱膨脹系數通常不與帶材料的熱膨脹系數相匹配。根據應用場合，本發明的某些實施例可具有一個或多個另外的層。例如，如在具有律師代理卷號3253/172中的上述并入的專利申請中所詳細描述的，線12可具有不潤濕/ 減少潤濕的層32以提高帶材料的粒度。在此情況中，所述過程繼續到步驟504，其在基礎線部分沈上形成暴露的不潤濕/減少潤濕的層32。在對熱膨脹系數之差敏感的應用中，優選該層32非常薄，從而可忽略對總體線的熱膨脹系數的影響。例如，減少潤濕的層32應比耐火材料層30薄得多。在使用這種不潤濕層32的實施例中，應該對與其外表面的帶材料的接觸角進行仔細控制以使得熔融帶材料粘附到外表面上，否則所述過程不能形成帶狀晶體10。在使用熔融多晶硅的應用中，例如，可以預期，在約15°和120°之間的與硅的接觸角可獲得滿意的結果。大于25°的這樣的角可獲得更好的結果。除了其他方式以外，可通過CVD過程、浸涂法或其他方法來形成不潤濕層32。例如，可通過在沉積室內施加電接觸對基礎線部分沈進行CVD涂布，同時通過所述室為所述基礎線部分沈進料，由此對基礎線部分沈自身進行加熱。可替代地，通過所述室，利用感應加熱對基礎線部分26進行加熱。用于實施該步驟的相關技術包括·在CVD爐的末端處或在重新卷繞期間對二氧化硅或氧化鋁或碳氧化硅進行溶膠凝膠浸漬， 通過從外部對石英進行加熱和對基礎線部分沈進行感應加熱而沉積CVD不潤濕涂層，·具有隨后將燒掉的聚合物粘合劑的噴射沉積， 在基礎線部分沈或線束上搖動顆粒并且然后焙燒入基礎線部分沈或線束中，以及·涂布具有耐火漿體(例如碳化硅/ 二氧化硅)或液體的基礎線部分26，并且然后將殘余物燒掉。
線12還可具有從耐火材料層30徑向向外的處理層34，以保持基礎線部分沈的整體性。為此，如果包括，則處理層34向基礎線部分沈提供小的壓縮應力，從而提高了總體線12的牢固性。因此，如果基礎線部分沈產生了裂縫，則處理層34會減少線12發生破裂的可能性。除了別的以外，處理層34可以為碳的薄層(例如，對于具有通常已知尺寸的線 12為一微米或二微米厚)。因此，在進行步驟504之前，某些實施例可形成處理層34，所述處理層34與制造的不潤濕層32分離(例如，參見圖4B的線二 )。由此，在這種實施例中，不潤濕的潤濕層32 基本上覆蓋了處理層34。更具體地，不潤濕層32覆蓋了處理層34的外周表面。然而，某些實施例可使得不潤濕層32與處理層34形成為一體。然后，在步驟506處，確定涂布的線12是否具有延伸而通過不潤濕層32的細絲 (本文中將這種細絲稱作“須”)。例如，當細絲的線束形成芯觀時，能夠發生這種情況。如果涂布的線12具有須，則在步驟508處該過程將其刮掉。然后，過程可跳回至步驟504，重新涂布不潤濕層32。可替代地，如果線12不具有須，則過程繼續到步驟510，其將線12提供至爐14，如圖2中所示。為此，某些實施例為每個帶狀晶體邊緣提供單線12，或為每個帶狀晶體邊緣提供多線12 (例如，圖6B的線六和七)。當參考上述來形成帶狀晶體10的邊界/寬度時，除非有明確表示相反的意思(例如，通過單詞“單”或“多”)，否則術語“線”通常是指一個或多個線。不使用用于形成線12的上述方法，某些實施例通過機械加工或鉆孔在圓形或其他另外的大致凸狀的線12中提供凹陷。因此，可通過其他方法形成線12。示例性實施例以增大帶狀晶體頸部36的厚度的方式對爐14中的線12進行定向。 例如，圖6A-6C示意性顯示了具有線12的三個帶狀晶體10的橫截面圖，所述線12具有伸長、大致橢圓、大致凸狀的橫截面形狀。為了增大頸部36的厚度，這些實施例對它們各自的大致縱軸42進行定向，從而與它們各自帶狀晶體10的寬度尺寸脫離。換言之，為了脫離， 縱軸方向42不與寬度尺寸平行，相反，縱軸42與寬度尺寸相交。更具體地，每個線12的橫截面具有最大尺寸，在圖6A-6C中將其每個顯示為雙頭箭頭。出于參考的目的，由此認為這些伸長的橫截面形狀中的各種形狀的縱軸42與最大尺寸共線。本發明人已知的現有技術方法將該縱軸42定向成大致與帶狀晶體10的寬度尺寸平行。然而，與本領域中這種明確的主張相反的是，本發明人發現，以使得縱軸42與帶狀晶體的寬度尺寸脫離的方式對縱軸42進行定向會增大頸的尺寸。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銳角。圖6B將縱軸42定向在圖6A與圖6C的極端之間。當與上述現有技術方法相比時，任一實施例可增大頸部36的尺寸。這種頸尺寸的增大會因此而減少破裂，由
此提高產量。應理解，除了圖6A-6C中所示的那些定向以外的定向也可提供滿意的結果。例如， 以使得相對于圖6B中所示的角旋轉約90° (順時針或逆時針)的方式來定向縱軸42，也可增大頸的尺寸。在線12移動通過爐14時，(每個帶狀晶體10的)熔融的帶材料形成彎月面。在試驗期間，本發明人發現，升高彎月面的高度也通常會增大頸部36的厚度。為此，本發明人認識到，線橫截面形狀的主半徑應具有特殊規定的性質。 更具體地，跨越氣體與熔融材料之間的靜態界面的壓力差由Young-Laplace方程定義，所述方程如下
權利要求
1.一種帶狀晶體，包括 主體；和在所述主體內的端線，至少一個端線具有大致凹狀的橫截面形狀，并由至少兩個個體線形成。
2.如權利要求1所述的帶狀晶體，其中所述主體具有厚度尺寸，所述至少兩個個體線大致沿所述主體的厚度尺寸間隔開，所述至少兩個個體線大致形成伸長的、凹狀的橫截面形狀。
3.如權利要求2所述的帶狀晶體，還包括在所述至少兩個個體線之間的主體材料。
4.如權利要求1所述的帶狀晶體，其中所述至少兩個個體線是在物理上接觸的。
5.一種帶狀晶體，包括 主體；和在所述主體內的多個端線，至少一個端線包括一對間隔開的個體線；和在所述一對個體線之間的主體材料。
6.如權利要求5所述的帶狀晶體，其中所述主體材料包含硅。
7.如權利要求5所述的帶狀晶體，其中所述至少一個端線具有大致凹狀的橫截面形 狀。
8.如權利要求5所述的帶狀晶體，其中所述個體線每一個大致形成伸長的橫截面形狀。
9.如權利要求5所述的帶狀晶體，其中所述主體形成有寬度尺寸，所述個體線中的至少一個具有關于所述寬度尺寸大致對稱的凹陷。
10.如權利要求5所述的帶狀晶體，其中至少兩個端線每一個具有一對間隔開的個體線，主體材料位于兩個端線的個體線之間。
11.如權利要求5所述的帶狀晶體，其中所述主體具有厚度尺寸，所述至少一個端線的個體線大致沿所述主體的厚度尺寸間隔開。
12.—種形成帶狀晶體的方法，所述方法包括提供多個端線，所述端線中的至少一個端線包括至少兩個間隔開的個體線； 向坩堝中添加熔融材料；和使所述端線穿過所述熔融材料，從而使得所述熔融材料在界面以上凝固以形成凝固材料片，所述至少一個端線在所述界面以上具有在所述端線的個體線之間的凝固的熔融材料。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述熔融材料包含硅。
14.如權利要求12所述的方法，其中所述個體線每一個大致形成伸長的橫截面形狀。
15.如權利要求12所述的方法，其中至少兩個端線每一個具有多個間隔開的個體線。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述至少兩個端線每一個在界面以上具有在它們各自的個體線之間的凝固的熔融材料。
17.如權利要求12所述的方法，其中所述片具有厚度尺寸，所述至少一個端線的個體線大致沿所述片的厚度尺寸間隔開。
全文摘要
帶狀晶體具有主體和在所述主體內的端線。至少一個端線具有大致凹狀的橫截面形狀，并由至少兩個個體線形成。
文檔編號C30B29/06GK102203329SQ200980141392
公開日2011年9月28日 申請日期2009年10月14日 優先權日2008年10月16日
發明者斯科特·賴特斯瑪 申請人:長青太陽能股份有限公司