專(zhuān)利名稱(chēng)：硅帶生長(zhǎng)枝晶厚度的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅網(wǎng)生長(zhǎng)技術(shù)。枝晶狀硅網(wǎng)襯底用于制造太陽(yáng)能電池，是從液態(tài)硅中生長(zhǎng)薄帶狀的單晶材料得到的。通常制得的帶具有大約5cm寬的薄(100微米)單晶結(jié)構(gòu)，在每個(gè)直角棱邊處充滿(mǎn)厚約700微米的單晶硅枝晶。在生長(zhǎng)過(guò)程中，中心部分實(shí)際上是被兩個(gè)在過(guò)冷熔體表面下凝固的枝晶支撐的液面張力膜。隨著晶體從熔體表面拉出，液態(tài)膜凝固成穩(wěn)定、平滑的單晶狀態(tài)。
在這個(gè)過(guò)程中溫度和溫度分布的控制是十分關(guān)鍵的，在絕對(duì)溫度1410度下要求穩(wěn)定性在0.1度級(jí)別。棱邊枝晶的厚度對(duì)溫度十分敏感，提供了一種基于這些枝晶的尺寸控制晶體溫度的便利的方法。若熔體溫度太低，網(wǎng)從單晶狀態(tài)變差；若熔體溫度太高，因熔體下面的枝晶生長(zhǎng)不充分，晶體從熔體拉開(kāi)。這些條件中的每一個(gè)都足以終止單個(gè)晶體的生長(zhǎng)。工藝的生產(chǎn)率以及獲得低成本工藝的前景十分依賴(lài)于晶體平均長(zhǎng)度。
現(xiàn)有技術(shù)中有通過(guò)使用高溫計(jì)控制熔體溫度，其基于控制高溫區(qū)的一個(gè)點(diǎn)的溫度控制器。操作人員通過(guò)觀察正在生長(zhǎng)的枝晶厚度調(diào)整回路的設(shè)定點(diǎn)。而且操作人員通過(guò)相對(duì)于高溫區(qū)而移動(dòng)感應(yīng)線圈，調(diào)整熔體的邊緣溫度對(duì)稱(chēng)性。操作人員的調(diào)整基于每?jī)蓚€(gè)棱邊枝晶的視覺(jué)上看到的厚度差異。操作人員必須連續(xù)地透過(guò)石英窗觀察大約50cm遠(yuǎn)的枝晶，并對(duì)大約0.7mm厚的枝晶棱邊作出視覺(jué)上的估測(cè)。保持連續(xù)生長(zhǎng)所必須的厚度范圍應(yīng)控制在約±0.2mm。這種人工控制方法基于操作人員的觀察，太主觀了，而且需要操作人員連續(xù)觀察晶體，需要投入大量的時(shí)間。
生成從枝晶狀硅網(wǎng)生長(zhǎng)爐的熔體中出現(xiàn)的每個(gè)枝晶的圖像并送到厚度計(jì)算單元。優(yōu)選地，把圖像多重化，使得枝晶對(duì)的每個(gè)圖像都被送到厚度計(jì)算單元。通過(guò)將每個(gè)枝晶圖像數(shù)字化處理、檢測(cè)每個(gè)枝晶圖像的枝晶棱邊、并從枝晶棱邊信息計(jì)算厚度。優(yōu)選地，將多個(gè)枝晶厚度計(jì)算結(jié)果取平均值。
計(jì)算步驟得到的結(jié)果可用于開(kāi)環(huán)模式，通過(guò)把結(jié)果顯示給操作人員，用手動(dòng)調(diào)整整個(gè)爐溫和側(cè)邊的爐溫分布。這些結(jié)果還可用于閉環(huán)模式，通過(guò)生成厚度反饋信號(hào)，把厚度反饋信號(hào)提供給第一控制回路以監(jiān)測(cè)整個(gè)爐溫；并產(chǎn)生表示兩個(gè)枝晶的厚度差的厚度差信號(hào)，用該厚度差信號(hào)控制側(cè)邊爐溫分布調(diào)整機(jī)構(gòu)。
當(dāng)以閉環(huán)模式工作時(shí)，本發(fā)明提供一種通過(guò)把晶體邊緣用作傳感器，自動(dòng)控制網(wǎng)狀晶體生長(zhǎng)爐中的熔體溫度的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可大大減少晶體生長(zhǎng)工藝中的人力投入，通過(guò)減少晶體中止的事故提高爐產(chǎn)量，由此提高晶體長(zhǎng)度。當(dāng)控制系統(tǒng)以開(kāi)環(huán)模式工作時(shí)，本發(fā)明向操作人員提供可對(duì)晶體邊緣厚度的控制更精確地人工反饋的信息。
為了更完整地理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)參考下面的結(jié)合附圖的詳細(xì)說(shuō)明。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，用軟件逼近跨過(guò)枝晶圖像的三個(gè)象素?cái)?shù)據(jù)線，對(duì)圖像執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的3×3邊緣檢測(cè)卷積處理，以檢測(cè)放大的枝晶的外邊緣。在512×512的象素陣列下，一個(gè)象素代表枝晶厚度的約25微米。計(jì)算兩個(gè)邊緣的象素間距，在單元34內(nèi)對(duì)五次連續(xù)測(cè)量值取平均值以平滑所得的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成對(duì)每個(gè)枝晶的邊緣厚度以微米表示的物理測(cè)量值。在軟件中借助于單元36的預(yù)定閾值和換算信息，對(duì)這種最后的轉(zhuǎn)換提供每微米的象素中的固定校準(zhǔn)。通過(guò)以開(kāi)環(huán)模式運(yùn)行測(cè)量系統(tǒng)，并把測(cè)得的數(shù)據(jù)與網(wǎng)中的枝晶的實(shí)際顯微尺測(cè)量值(硬件邊緣測(cè)量單元表示)比較，對(duì)每個(gè)攝像機(jī)基于每個(gè)爐子產(chǎn)生校準(zhǔn)。
該系統(tǒng)可用于開(kāi)環(huán)模式和閉環(huán)模式。在開(kāi)環(huán)模式中，系統(tǒng)借助于顯示單元28向操作人員提供連續(xù)數(shù)據(jù)，使得操作人員可基于

圖1的系統(tǒng)提供的枝晶厚度信息對(duì)整體溫度和側(cè)邊溫度分布進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜肆φ{(diào)節(jié)。在閉環(huán)模式中，以?xún)煞N方式使用兩個(gè)枝晶的測(cè)量結(jié)果。
如圖2所示，在閉環(huán)模式中，首先，在功能單元42、44中確定左枝晶和右枝晶的平均厚度，并實(shí)時(shí)地送到數(shù)字比例積分微分(PID)控制單元46。PID單元46輸出信號(hào)，更改單元50中的基本回路溫度的設(shè)定點(diǎn)。把來(lái)自單元50的更改的設(shè)定點(diǎn)提供給具有手動(dòng)模式位置和自動(dòng)模式位置的開(kāi)關(guān)51。當(dāng)以閉環(huán)模式工作時(shí)，開(kāi)關(guān)在自動(dòng)位置，在此，來(lái)自單元50的基本回路溫度的設(shè)定點(diǎn)變化與基本溫度控制回路60結(jié)合?？刂苹芈?0包括一個(gè)單色高溫計(jì)62，它向數(shù)字PID算法單元63提供代表平均系統(tǒng)溫度的反饋信號(hào)?；鶞?zhǔn)單元64提供操作人員可選的調(diào)節(jié)參數(shù)，作為系統(tǒng)參數(shù)向單元63輸入。單元63用來(lái)通過(guò)感應(yīng)加熱轉(zhuǎn)換器66來(lái)控制感應(yīng)線圈感受器加熱單元。通常，基本控制回路60用算出的基本回路溫度設(shè)定點(diǎn)和實(shí)際測(cè)得的整體爐溫度(高溫計(jì)62測(cè)得)控制平均爐溫度。這種級(jí)聯(lián)(cascade)式的控制回路允許基于枝晶厚度對(duì)平均系統(tǒng)溫度連續(xù)控制。
第二PID回路包括單元70、72、74和76，它們的作用是接受兩枝晶的厚度差作為輸入，并產(chǎn)生控制爐中的感應(yīng)線圈的側(cè)邊位置的輸出信號(hào)。用從該單元76直接接受方向和步數(shù)信息的步進(jìn)式馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)該線圈。通過(guò)以這種方式調(diào)節(jié)該線圈的側(cè)邊位置，可以控制從枝晶到枝晶的整個(gè)晶體的溫度分布。如單元72所示，該回路在枝晶之間常常有一個(gè)零偏差的設(shè)定點(diǎn)以保證正生長(zhǎng)的晶體的稱(chēng)性。
已經(jīng)對(duì)本發(fā)明制作了模型，結(jié)果表明可以有效地工作，測(cè)量精度不大于10微米，枝晶控制精度在±50微米內(nèi)。以前對(duì)50個(gè)晶體的結(jié)果表明，與不采用本發(fā)明的工藝相比，平均晶體長(zhǎng)度有40％的增長(zhǎng)。
通過(guò)消除常見(jiàn)的晶體中止源，即不充分的溫度和溫度分布的控制，本發(fā)明可以得到更長(zhǎng)的平均硅帶長(zhǎng)度。平均硅帶長(zhǎng)度越長(zhǎng)，工藝就越逼近連續(xù)硅帶生長(zhǎng)的理想目標(biāo)。連續(xù)硅帶生長(zhǎng)大大增加生產(chǎn)率且降低非生產(chǎn)性的爐子時(shí)間。而且，用本發(fā)明可以減少人力投入，大大減少每個(gè)晶體上的人力成本和硅帶制造過(guò)程中的主觀錯(cuò)誤。
盡管對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行了詳盡的說(shuō)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進(jìn)行各種變更、替換和修改。因此，上述內(nèi)容不應(yīng)理解為是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書(shū)限定。
權(quán)利要求
1.一種控制爐中硅熔體溫度的方法，該硅熔體用來(lái)制造在相對(duì)置的網(wǎng)邊緣具有一對(duì)枝晶的枝晶狀硅網(wǎng)，該方法包括下列步驟(a)產(chǎn)生從枝晶狀硅網(wǎng)生長(zhǎng)爐中的硅熔體中出現(xiàn)的每個(gè)枝晶的圖像；(b)計(jì)算每個(gè)枝晶的厚度；以及(c)使用算出的厚度調(diào)節(jié)爐溫度，把枝晶厚度保持在預(yù)定范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述產(chǎn)生步驟(a)包括產(chǎn)生每個(gè)枝晶的圖像，并把枝晶圖像多重化以提供枝晶對(duì)的交替圖像的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述計(jì)算步驟(b)包括把每個(gè)枝晶圖像數(shù)字化，檢測(cè)每個(gè)枝晶圖像的枝晶邊緣，并從枝晶邊緣信息計(jì)算厚度的步驟。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述計(jì)算步驟(b)包括將多個(gè)枝晶厚的計(jì)算結(jié)果求平均值的步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述使用步驟(c)包括向操作人員顯示上述計(jì)算步驟(b)的結(jié)果，用于手動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫度。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述使用步驟(c)包括把厚度反饋信號(hào)提供給用來(lái)保持爐溫度的控制回路的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述使用步驟(c)包括從連續(xù)的枝晶對(duì)厚度的差值產(chǎn)生平均厚度反饋信號(hào)，并把平均厚度反饋信號(hào)提供給用來(lái)保持爐溫度的控制回路的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中還包括提供枝晶厚度設(shè)定點(diǎn)，并將枝晶厚度設(shè)定點(diǎn)與平均厚度反饋信號(hào)相比較的步驟。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中上述使用步驟(c)包括產(chǎn)生表示一對(duì)枝晶間的厚度差的厚度差信號(hào)，并用該厚度差信號(hào)控制側(cè)邊爐溫度分布調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中還包括提供厚度差設(shè)定點(diǎn)信號(hào)，并把厚度差設(shè)定點(diǎn)信號(hào)與厚度差信號(hào)相比較的步驟。
全文摘要
提供在枝晶狀硅網(wǎng)生長(zhǎng)工藝中控制一對(duì)枝晶的厚度，用來(lái)提高枝晶狀硅網(wǎng)的生產(chǎn)率的方法和系統(tǒng)。用一對(duì)瞄準(zhǔn)枝晶對(duì)的攝像機(jī)形成從爐中硅熔體中出現(xiàn)的網(wǎng)中的每個(gè)枝晶的圖像。將枝晶圖像數(shù)字化，計(jì)算枝晶的平均厚度，并與設(shè)定點(diǎn)參數(shù)比較。枝晶厚度間的平均差和設(shè)定點(diǎn)參數(shù)用來(lái)控制整個(gè)爐溫，而每一對(duì)的厚度差用來(lái)控制爐中的側(cè)邊溫度分布，以使枝晶厚度在預(yù)定范圍內(nèi)。該方法可用在自動(dòng)控制爐溫和側(cè)邊溫度分布的閉環(huán)模式中，也可用在向手動(dòng)調(diào)節(jié)爐溫條件的操作人員提供可視的反饋信息的開(kāi)環(huán)模式中。
文檔編號(hào)C30B29/00GK1419612SQ99816416
公開(kāi)日2003年5月21日 申請(qǐng)日期1999年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月2日
發(fā)明者約翰·R·伊索茲, 巴里·芒紹爾 申請(qǐng)人:埃伯樂(lè)太陽(yáng)能公司