APARATO PARA EL DESARROLLO DE UN CRISTAL POR EFG.

Aparato para desarrollar un cuerpo cristalino tubular (88) de un material seleccionado por el Proceso EFG,

comprendiendo el aparato: un crisol (20A) que tiene una pared inferior (34), una pared lateral exterior (32), y una pared lateral interior (36) que definen un espacio interior para contener un suministro líquido de dicho material seleccionado, y una matriz capilar (19) formada integral con dicha pared lateral exterior (32); comprendiendo dicha matriz (19): (a) medios de punta (100) en el extremo superior de dicha pared lateral exterior (32), para uso para soportar una interfaz de desarrollo de líquido/sólido y para controlar la configuración de dicho cuerpo cristalino (88), comprendiendo dichos medios de punta (100) una superficie extrema superior (102) y superficies exteriores interior y exterior (104, 106) que cortan a dicha superficie extrema superior, y (b) medios de transporte en dicha pared lateral exterior (32) para transportar dicho material seleccionado en forma líquida, por acción capilar, desde dicho crisol a dichos medios de punta (100), de modo que dicha superficie extrema superior (102) esté constantemente humedecida con dicha masa fundida (38) durante el desarrollo de dicho cuerpo cristalino (88); definiendo dicha pared lateral interior (36) una abertura y teniendo dicha pared inferior una superficie inferior y una parte de cuello anular (124) que se proyecta por debajo del nivel de dicha superficie inferior; y un susceptor que soporta a dicho crisol (20A), teniendo dicho susceptor (40A) una superficie superior que es de sustancialmente igual extensión que la de dicha superficie inferior de dicha pared inferior, teniendo también dicho susceptor (40A) un orificio central (46) que está alineado con dicha abertura, estando dicho orificio central (46) escariado por su extremo superior para así definir un hombro que tiene un diámetro exterior mayor que el diámetro de dicho orificio, extendiéndose dicha parte de cuello de dicha pared inferior dentro de dicho escariado en relación de enfrentamiento con dicho hombro

Este invento se ha desarrollado bajo el Subcontrato Número ZAF-6-14271-13, el cual es un subcontrato bajo el Contrato Principal de EE.UU. Número DE-AC36-83CH10093. 5

Campo del Invento

Este invento se refiere a un aparato para desarrollar cuerpos cristalinos a partir de una masa fundida por el proceso 10 "Edge-defined Film-fed Growth" (EFG), y más en particular a un conjunto mejorado de matriz/susceptor para uso en el desarrollo por el proceso EFG de cuerpos cristalinos huecos.

Por el proceso EFG se desarrollan cuerpos cristalinos tubulares, por ejemplo, cuerpos huecos de sección transversal 15 redonda o poligonal, en una semilla de una película líquida de un material de alimentación seleccionado, el cual es transportado por acción capilar desde una masa fundida contenida en un crisol a través de uno o más capilares en una matriz a la superficie extrema superior de la matriz. Las matrices para el 20 EFG comprenden típicamente una superficie extrema superior, superficies laterales interior y exterior, las cuales cortan a la superficie extrema superior, y al menos un capilar, es decir, un paso de proporciones capilares, que tiene un extremo superior que termina en la superficie extrema superior de la matriz y un 25 extremo inferior que comunica con la masa fundida en el crisol. La forma del cuerpo cristalino se determina mediante la configuración externa o de borde de la superficie extrema superior de la matriz. Los cuerpos huecos de forma poligonal de silicio, por ejemplo, de "nonágonos" o de "octógonos", 30 desarrollados por el proceso EFG se subdividen en sus esquinas en una pluralidad de sustratos planos que se usan para formar células solares fotovoltaicas. Los primeros diseños de troqueles para EFG para desarrollar octógonos de silicio se han expuesto como ejemplos en las Patentes de EE.UU. Números 4.230.674 35

concedida a A.S. Taylor y otros, y 4.647.437 concedida a R.W. Storment y otros.

El uso del proceso EFG es complicado, por el hecho de que tienden a producirse variaciones de temperatura alrededor de la circunferencia de una matriz para EFG cuando se usa la matriz 5 para desarrollar cuerpos cristalinos. Las variaciones en la simetría térmica alrededor de la circunferencia de la matriz pueden originar cambios locales de grosor del cuerpo cristalino que se desarrolla. Tales variaciones de grosor pueden ser lo suficientemente severas como para hacer que el cuerpo cristalino 10 sea más susceptible a la fractura, reduciéndose con ello el número de células solares que pueden ser producidas a partir del cuerpo cristalino poligonal hueco, por cuanto los sustratos más delgados cortados del cuerpo cristalino tienden a estar expuestos a roturas. Las variaciones significativas de 15 temperatura alrededor de la circunferencia de la matriz hacen también que sea difícil mantener el desarrollo, lo que da por resultado la ruptura de los meniscos de líquido que se extienden entre la matriz y el cuerpo de cristal que se desarrolla. Cuando se rompen los meniscos, es decir, cuando se termina la interfaz 20 de desarrollo de líquido/sólido, el silicio líquido tiende a salpicar o a rebosar sobre las superficies interior y/o exterior de la matriz, lo que da por resultado la formación de depósitos locales de carburo de silicio (SiC) en la superficie de la matriz, que afectan perjudicialmente a la emisividad y a la 25 conductividad térmica de la matriz, haciendo que la distribución de la temperatura alrededor de la matriz se haga todavía menos uniforme. Eventualmente, los depósitos se hacen lo suficientemente importantes como para hacer que la matriz no sea adecuada para posterior uso. La pérdida prematura de una matriz 30 aumenta los costes de producción de cuerpos huecos por el proceso EFG.

El diseño de matriz de punta húmeda expuesto en la Patente de EE.UU. Número 5.037.622, concedida a Harvey y otros, supuso una mejora sobre los diseños de matriz anteriores, al reducir 35 las variaciones en la simetría térmica alrededor de la

circunferencia de la matriz, mejorando con ello la calidad de los cuerpos desarrollados y reduciendo la tasa de ocurrencia de roturas de los meniscos. Sin embargo, incluso con matrices que realizan el diseño de Harvey y otros, hay una tendencia a que el silicio fundido solidifique cerca de la región de cubo central 5 en la zona caliente durante el desarrollo del cristal. El silicio solidificado crece hacia fuera del centro de la región del cubo y forma una pieza sólida "de forma de seta", que finalmente es lo suficientemente grande como para bloquear la reposición de la masa fundida. Tal solidificación cerca del 10 centro de la región del cubo afecta también a la uniformidad del cuerpo cristalino que se desarrolla, e interrumpe el desarrollo. También, las fluctuaciones en la temperatura pueden dar por resultado que una parte de la pieza de forma de seta se rompa y caiga dentro de la masa fundida, haciendo que el crisol rebose e 15 inunde la matriz. Además, el enfriamiento del aparato al final de una carrera de desarrollo va frecuentemente acompañado por la fractura del susceptor sobre el cual está soportado el crisol, exigiendo su sustitución. La sustitución de un susceptor fracturado es costosa, en particular por lo que se refiere a la 20 producción que se pierde.

Objetos y Sumario del Invento

Un objeto del presente invento es proporcionar un conjunto 25 de matriz/crisol/susceptor para EFG, mejorado, para desarrollar cuerpos huecos que impidan sustancialmente o minimicen la solidificación no deseada del material de la masa fundida cerca de la región central de la matriz.

Otro objeto del presente invento es proporcionar un 30 conjunto de matriz/susceptor/crisol para EFG, mejorado, que está diseñado para evitar daños al susceptor que está bajo la matriz durante el enfriamiento del aparato para el desarrollo del cristal.

Otro objeto es el de reducir la humectación entre el silicio fundido y ciertos componentes asociados con la región de cubo central del conjunto de matriz/crisol para EFG.

Otro objeto del invento es reducir las variaciones de temperatura resultantes de la solidificación del silicio sobre 5 miembros asociados con la matriz para EFG.

Todavía otro objeto del invento es proporcionar un método nuevo y mejorado de desarrollo de un cuerpo cristalino tubular a partir de un charco de masa fundida.

Los anteriores y otros objetos de este invento se logran 10 mediante la modificación de los conjuntos de matriz/susceptor para EFG del tipo descrito por Harvey y otros en la Patente de EE.UU. Número 5.037.622, para así reducir los puntos fríos en la región central y evitar con ello sustancialmente que el silicio fundido solidifique sobre la superficie de la matriz, o de los 15 miembros asociados con la matriz. Tal solidificación del silicio no es deseable, ya que tiende a impedir el proceso de desarrollo y/o a ser causa de la producción de cuerpos tubulares de mala calidad.

El objetivo de este invento es rediseñar la matriz para EFG 20 y el susceptor para eliminar los problemas de seta durante el desarrollo del cristal, y para evitar que la matriz agriete los susceptores reutilizables durante el enfriamiento.

Breve Descripción de los Dibujos 25

Para una mejor comprensión de la naturaleza y los objetos del presente invento, deberá hacerse referencia a la descripción detallada que sigue, considerada en relación con los dibujos que se acompañan, en los que: 30

La figura 1 es una vista en alzado frontal, parcialmente en sección transversal, de un aparato de horno para desarrollo de cristal por EFG, convencional, en la que se muestra un conjunto de matriz de crisol/capilar del tipo usado antes del presente invento; 35

La figura 2 es una vista en corte transversal a una escala mayor de un conjunto de crisol/matriz que realiza el invento;

La figura 3 es una vista fragmentaria ampliada del conjunto de crisol/matriz de la figura 2;

La figura 4 es una vista en corte, en alzado, de un 5 susceptor hecho de acuerdo con el presente invento, que se usa para soportar y comunicar calor al conjunto de crisol/matriz de las fs 2 y 3;

La figura 5 es una vista en planta del mismo susceptor; y

La figura 6 es una vista fragmentaria que ilustra la 10 relación de acoplamiento de la unidad de crisol/matriz y el susceptor,...

Reivindicaciones

1. Aparato para desarrollar un cuerpo cristalino tubular (88) de un material seleccionado por el Proceso EFG, comprendiendo el aparato: 5

un crisol (20A) que tiene una pared inferior (34), una pared lateral exterior (32), y una pared lateral interior (36) que definen un espacio interior para contener un suministro líquido de dicho material seleccionado, y una matriz capilar (19) formada integral con dicha pared lateral exterior (32); 10

comprendiendo dicha matriz (19): (a) medios de punta (100) en el extremo superior de dicha pared lateral exterior (32), para uso para soportar una interfaz de desarrollo de líquido/sólido y para controlar la configuración de dicho cuerpo cristalino (88), comprendiendo dichos medios de punta (100) una 15 superficie extrema superior (102) y superficies exteriores interior y exterior (104, 106) que cortan a dicha superficie extrema superior, y (b) medios de transporte en dicha pared lateral exterior (32) para transportar dicho material seleccionado en forma líquida, por acción capilar, desde dicho 20 crisol a dichos medios de punta (100), de modo que dicha superficie extrema superior (102) esté constantemente humedecida con dicha masa fundida (38) durante el desarrollo de dicho cuerpo cristalino (88);

definiendo dicha pared lateral interior (36) una abertura y 25 teniendo dicha pared inferior una superficie inferior y una parte de cuello anular (124) que se proyecta por debajo del nivel de dicha superficie inferior; y

un susceptor que soporta a dicho crisol (20A), teniendo dicho susceptor (40A) una superficie superior que es de 30 sustancialmente igual extensión que la de dicha superficie inferior de dicha pared inferior, teniendo también dicho susceptor (40A) un orificio central (46) que está alineado con dicha abertura, estando dicho orificio central (46) escariado por su extremo superior para así definir un hombro que tiene un 35 diámetro exterior mayor que el diámetro de dicho orificio,

extendiéndose dicha parte de cuello de dicha pared inferior dentro de dicho escariado en relación de enfrentamiento con dicho hombro.

2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha 5 parte de cuello (124) descansa sobre dicho hombro.

3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye además una estría anular en la superficie superior de dicha pared lateral interior, un aro hecho de cuarzo montado en dicha 10 estría y que se extiende hacia arriba hacia fuera de dicha pared lateral interior (36), y un miembro distribuidor de alimentación (66) montado en dicho aro en relación de concéntrico con dicha pared lateral interior (36) y dicha abertura.

15

4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3, que incluye además una tubería de alimentación (54) que se extiende a través de dicho orificio, de dicha abertura y de dicho miembro distribuidor de la alimentación (66).

20

5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

un recinto de horno (24);

situado dicho susceptor de calor (40A) dentro de dicho recinto, teniendo dicho susceptor (40A) un orificio a su través;

dicho conjunto de crisol/matriz capilar (20A) soportado por 25 dicho susceptor de calor (40A) dentro de dicho recinto (24), teniendo dicho conjunto dicha pared inferior (34), dicha pared lateral exterior (32) y dicha pared lateral interior (36) que definen una abertura que está alineada con dicho orificio del susceptor un crisol que rodea a dicha abertura para contener un 30 suministro de líquido de dicho material seleccionado, formada dicha matriz capilar (19) integral con dicha pared lateral exterior (32), teniendo dicha matriz (19) una punta (100) para soportar una interfaz de desarrollo de líquido/sólido y para controlar la configuración de la sección transversal del cuerpo 35 cristalino desarrollado (88), y dichos medios de transporte en

dicha pared lateral exterior (32), para transportar dicho material, seleccionado en forma líquida por acción capilar, desde dicho crisol a dicha punta de la matriz (100):

extendiéndose dicho tubo de alimentacion (54) hacia arriba a través de dicho orificio del susceptor y de dicha abertura 5 para uso para inyectar una corriente de gas que lleva partículas sólidas de dichos materiales seleccionados al interior del espacio por encima de dicho conjunto de crisol/matriz (20A);

un aro distanciador de cuarzo (60A) soportado sobre dicha pared lateral interior (36) en relación de circundante con 10 dicho tubo de alimentación (54);

un miembro deflector situado encima del extremo superior de dicho tubo de alimentación (54) en posición para interceptar las partículas sólidas de dicho material seleccionado y desviarlas hacia abajo, hacia dicho crisol (20A); y 15

un miembro distribuidor (66) soportado por dicho aro distanciador (60A) en relación de circundante con el extremo superior de dicho tubo de alimentación (54), estando el miembro distribuidor (66) conformado y situado de modo que intercepta las partículas sólidas de dicho material seleccionado que sean 20 desviadas hacia abajo por dicho miembro deflector (82) y las dirige al interior del crisol, para reponer así dicha masa fundida (38) de dicho material seleccionado en dicho crisol.

6. Aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho 25 material seleccionado es silicio.

7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicha pared inferior (34) tiene una superficie inferior, y además en el que dicho conjunto de crisol/matriz (20A) tiene dicha parte 30 de cuello anular (124) que se proyecta por debajo del nivel de dicha superficie inferior de dicha pared inferior (34) en relación de circundante con dicha abertura, y dicho orificio del susceptor esta escariado por su extremo superior para así definir dicho hombro que tiene dicho diámetro exterior mayor que 35 el diámetro de dicho orificio (46), extendiéndose dicha parte de

cuello (124) de dicha pared inferior dentro de dicho escariado en relación de enfrentada con dicho hombro.

8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en el que dicha parte de cuello (124) se aplica a dicho hombro. 5

9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:

dicho crisol (20A) para contener dicha masa fundida (38) de dicho material seleccionado, siendo dicho crisol (20A) anular para así definir una abertura central; 10

medios de desarrollo para desarrollar dicho cuerpo cristalino tubular (88) de dicho material seccionado a partir de dicha masa fundida (38); comprendiendo dichos medios para desarrollar (1.) un portador de semilla (90) para soportar una semilla sobre la cual se desarrolla dicho cuerpo cristalino (88) 15 y (2.) medios de tirar (92) para tirar de dicho cuerpo cristalino tubular (88) y de dicho portador de semilla (90) hacía fuera de dicho crisol (20A);

medios de formación formados integrales con dicho crisol, que comprenden dichos medios de punta (100) para soportar una 20 película de dicho material seleccionado de la cual se desarrolla dicho cuerpo tubular hueco (88) y para determinar la configuración de la sección transversal de dicho cuerpo cristalino (88), comprendiendo dichos medios de punta (100) dicha superficie extrema superior (102) y dichas superficies 25 exteriores interior y exterior (104, 106) que cortan a dicha superficie extrema superior (102), medios capilares (19) para transportar dicho material seleccionado, en estado de fundido, por acción capilar, desde dicho crisol (20A) a dicha superficie extrema superior (102), y medios de paso (120) para transportar 30 dicho material seleccionado, en estado de fundido, desde dicho crisol (20A) a dichas superficies exteriores interior y exterior (104, 106) de modo que dichas superficies exteriores interior y exterior (104, 106), de modo que dichas superficies exteriores interior y exterior (104, 106) sean humedecidas con dicho 35

material seleccionado durante el desarrollo de dicho cuerpo cristalino (88);

soportando dicho susceptor de calor (40A) a dicho crisol (20A), teniendo dicho susceptor (40A) un orificio a su través en alineación con dicha abertura, 5

medios eléctricos para calentar dicho susceptor (40A);

un tubo de alimentación (54) para inyectar partículas sólidas de dicho material seleccionado en el espacio por encima de dicho crisol (20A), extendiéndose dicho tubo (54) a través de dicho orificio y de dicha abertura, con el extremo superior de 10 dicho tubo terminando por encima de dicha pared lateral interior (36);

un deflector situado encima de dicho extremo superior de dicho tubo (54) en posición para interceptar dichas partículas y desviarlas hacia abajo, hacia dicho crisol; 15

un aro distanciador de cuarzo (60A) montado en dicha pared lateral interior (36); y

un miembro distribuidor (66) que rodea a dicho tubo de alimentación (54) por debajo de dicho deflector, en posición para dirigir las partículas que caen de dicho material 20 seleccionado al interior de dicho crisol.

10. Aparato de acuerdo con la reivindicación 9, en el que dicho crisol (20A) tiene una parte de cuello anular que cuelga (124) que rodea a dicha abertura y dicho susceptor tiene un rebajo 25 (126) que rodea a dicho orificio para recibir a dicha parte de cuello (124).