УСТРОЙСТВО И СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ РАВНОМЕРНОГО ТОНКОГО СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА СУБСТРАТЫ
METHOD AND DEVICE OF APPLYING UNIFORM THIN FLUID LAYER ONTO SUBSTRATES

Настоящее изобретение относится к устройству для нанесения равномерного тонкого слоя жидкости, в частности фосфорной кислоты, на субстраты, в частности на кремниевые элементы для фотоэлектрического применения, согласно ограничительной части пунктов 1 и 14 формулы изобретения, а также к способу нанесения равномерного тонкого слоя жидкости, в частности фосфорной кислоты, на субстраты, в частности на кремниевые элементы для фотоэлектрического применения, согласно ограничительной части пункта 18 формулы изобретения.
Для изготовления кремниевых фотоэлектрических элементов в первую очередь требуется нанести на необработанные элементы фосфорное покрытие. На первом этапе элемент смачивается фосфорной кислотой и помещается в высокотемпературную печь при температуре приблизительно 800-900°С, где фосфор из высушенной кислоты диффундирует в кремниевый субстрат. Для достижения равномерного распределения в процессе диффузии необходимо очень равномерное покрытие, и, кроме того, покрытие должно наноситься очень экономно, поскольку излишки фосфорной кислоты превращаются на элементе в «фосфорное стекло», удаление которого возможно только с помощью фтористоводородной кислоты и связано с большими трудностями.
Фосфорная кислота обычно наносится на кремниевые субстраты посредством распыления высокочастотным ультразвуковым устройством и осаждения паров фосфорной кислоты на кремниевые субстраты. Пары фосфорной кислоты переносятся из технологической камеры в сравнительно широкую трубу сброса, установленную на сравнительно большом расстоянии над кремниевыми субстратами, т.е. элементами, перемещаемыми мимо нее. Один из недостатков такого известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает однородности паров, поскольку даже слабого воздушного потока достаточно, чтобы «сдуть» пары. Предпринимались попытки улавливания капель конденсата такого типа при помощи поддона, установленного под трубой сброса, однако это создавало еще больше препятствий для равномерного распределения паров.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание устройства для нанесения равномерного тонкого слоя жидкости, в частности фосфорной кислоты, на субстраты, в частности кремниевые элементы, для фотоэлектрического применения указанного типа, которое позволяет наносить жидкость, в частности фосфорную кислоту, на указанные субстраты, в частности кремниевые элементы, значительно более равномерно в отношении площади поверхности и объема.
Для решения этой задачи предлагается устройство указанного типа для нанесения равномерного тонкого слоя жидкости, в частности фосфорной кислоты, на субстраты, в частности на кремниевые элементы для фотоэлектрического применения, имеющее признаки согласно п.1 формулы изобретения.
Средства, предложенные в настоящем изобретении, позволяют достичь образования однородных паров и равномерного переноса полученных паров жидкости от места их образования (технологической камеры) к месту нанесения, а также в процессе нанесения их на субстраты, в частности на кремниевые элементы, в по существу замкнутой циркуляционной системе. Эта однородность относится к осаждению на кремниевые субстраты, как в отношении площади поверхности, так и в отношении количества. Кроме того, пары жидкости сжимаются и дополнительно гомогенизируются благодаря сужению канала, отводящего пары жидкости, и происходящего вследствие этого противотока паров.
Конструкция отводящего канала, простая с точки зрения технологии изготовления, характеризуется признаками по п.2 формулы изобретения.
Согласно признакам по п.3 на верхней стенке проходного канала, установленного над кремниевыми субстратами, перемещаемыми под ним, поддерживается определенная температура, не позволяющая парам жидкости конденсироваться и, следовательно, образовывать капли, что также повышает однородность паров жидкости и равномерность их нанесения.
Согласно признакам по п.4 и/или 5 достигается регулируемый, равномерный и активный перенос паров жидкости от места их получения к месту их нанесения, а также в процессе нанесения. В этой связи, для того чтобы не снижать однородность паров жидкости в проходном канале и придавать парам жидкости определенную скорость течения, целесообразно использование канала (трубопровода) удаления воздуха согласно признакам п.6 формулы изобретения.
Признаки по п.7 формулы изобретения предпочтительно обеспечивают равномерное осаждение достаточного количества паров жидкости на кремниевые субстраты благодаря силе тяжести, действующей на пары жидкости, и благодаря тому, что продолжительность реакции превышает время, необходимое для перемещения.
Согласно признакам по п.8 формулы изобретения в зоне получения паров жидкости имеется отражающий элемент, преимущество которого состоит в том, что его пластиковая пленка, не разбрызгивая, улавливает жидкость и вынуждает ее стекать обратно в сосуд. Для этой цели предпочтительной является конфигурация согласно признакам по п.9 формулы изобретения.
Согласно признакам по п.10 формулы изобретения, конструкция крышки технологической камеры предпочтительна в отношении однородности паров жидкости, поскольку конденсат, собирающийся на ней, может переноситься обратно в сосуд, благодаря наклонной конструкции.
Соответственно, согласно п.11 формулы изобретения, в отводящем пары жидкости канале имеются средства, обеспечивающие удаление конденсата, образующегося на стенках отводящего канала, не допуская образования капель. С этой целью целесообразно использовать признаки по п.12 формулы изобретения, так чтобы конденсат мог отводиться в сторону по каналам.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения согласно признакам по п.13 ширина устройства этого типа может быть увеличена практически без ограничений.
В известном устройстве, описанном выше, используется высокочастотное ультразвуковое устройство, высокочастотный ультразвуковой передатчик или генератор, который не обладает стойкостью по отношению к фосфорной кислоте. Следовательно, необходимо использовать промежуточный приемник, который наполнен водой, является вакуумированным и соединенным с подающим трубопроводом. Высокочастотный ультразвуковой генератор прикрепляется к нижней стороне промежуточного приемника, а к его верхней стороне прикрепляется мембрана, в результате чего вода и мембрана осуществляют перенос звука от высокочастотного ультразвукового передатчика к ванне или сосуду с фосфорной кислотой, расположенной (расположенным) над ним. Недостатками такого решения являются громоздкость и дорогостоящая технология, частые разрывы мембраны из-за усталости, соответственно трудоемкий и требующий больших затрат времени процесс замены мембраны и характеристики демпфирования устройств переноса звука этого типа.
Чтобы избежать этих недостатков в устройстве указанного типа предусмотрены признаки по п.14 формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению как фосфорная кислота, так и ультразвук концентрируются в сопле из кварцевого стекла. Целесообразным является обеспечение признаков по п.15, так чтобы жидкость, сжимаемая в сопле из кварцевого стекла, могла стекать обратно по подающему трубопроводу.
Один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в этом отношении имеет признаки по п.16.
Признаки п.17 позволяют высокочастотному ультразвуковому устройству быть прямо соединенным с фосфорной кислотой без снижения интенсивности генерации высокочастотного ультразвука.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу нанесения равномерного тонкого слоя жидкости, в частности фосфорной кислоты, на субстраты, в частности на кремниевые элементы для фотоэлектрического применения, согласно ограничительной части пункта 18 формулы изобретения.
Как уже было сказано, известные способы демонстрируют недостаточную равномерность переноса паров жидкости и, следовательно, осаждения фосфорной кислоты.
Признаки по п.18 формулы изобретения улучшают этот аспект способа.
Согласно настоящему изобретению пары жидкости могут активно и равномерно переноситься от места получения паров жидкости к месту нанесения или осаждения слоя паров жидкости на субстраты.
Предпочтительные в этом отношении варианты осуществления настоящего изобретения отличаются признаками по п.19 и/или 20.
Краткое описание чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления настоящего изобретения.
На фиг.1 схематически представлен частичный вид сбоку в продольном сечении устройства для нанесения равномерного тонкого слоя фосфорной кислоты на кремниевые субстраты для фотоэлектрического применения согласно настоящему изобретению.
На фиг.2 представлено поперечное сечение высокочастотного ультразвукового устройства, используемого в устройстве по фиг.1, в установленном положении.
На фиг.1 представлено устройство 10 для нанесения равномерного тонкого слоя фосфорной кислоты на кремниевые субстраты или элементы 12 для фотоэлектрического применения. Для этого кремниевые субстраты 12 перемещают на транспортере 13 в направлении, обозначенном стрелкой А, и в процессе перемещения покрывают равномерным слоем фосфорной кислоты в результате прохождения кремниевых субстратов 12 через пары 15 фосфорной кислоты, полученные при помощи высокочастотного ультразвукового устройства 11 в технологической камере 14.
Согласно фиг.1 сосуд 16, содержащий фосфорную кислоту, установлен на основании технологической камеры 14, проходящем на определенную длину перпендикулярно плоскости чертежа. Сосуд 16 с фосфорной кислотой соединен трубкой 18 с резервуаром 19 с фосфорной кислотой. Предпочтительно фосфорная кислота из резервуара 19 подается в сосуд 16 по мере необходимости. Высокочастотное ультразвуковое устройство 11, более подробно описанное ниже в связи с фиг.2, соединяется с основанием 21 сосуда 16 для жидкости.
Согласно фиг.1 технологическая камера 14 ограничена правой боковой стенкой 22, противоположной левой боковой стенкой 23, крышкой 24 и торцевыми стенками, параллельными плоскости чертежа (не показаны). Технологическая камера 14, расположенная над резервуаром для жидкости 19, содержит в зоне, обращенной к левой боковой стенке 23, отводящий канал 25, направленный транспортеру 13. Крышка 24 технологической камеры 14 наклонена по диагонали от правой боковой стенки 22 и герметично прилегает к левой боковой стенке 23, которая своим продолжением 23', направленным к транспортеру 13, образует боковую стенку отводящего канала 25. Эта боковая стенка 23, 23' наклонена по диагонали к транспортеру 13 в направлении правой боковой стенки 22, так что отводящий канал 25 сужается, т.е. имеет приблизительно клиновидную форму, противоположная боковая стенка 26 которого проходит вертикально и, следовательно, параллельно правой боковой стенке 22 технологической камеры 14, расположенной выше. Эта боковая стенка 26 отводящего канала 25 ограничивает сосуд 16 для жидкости и выступает над поверхностью 20 жидкости сосуда 16 для жидкости, образуя порог 27.
В верхней части правой боковой стенки 22 технологической камеры 14 установлен отражающий элемент 28, наклоненный по диагонали вниз, т.е. к сосуду 16 для жидкости, выступающий в технологическую камеру 14 и заканчивающийся на некотором расстоянии от порога 27, образуя канал 29.
Отражающий элемент 28 имеет раму, покрытую пластиковой пленкой 30, которая, не разбрызгивая, улавливает капли фосфорной кислоты в парах 15 фосфорной кислоты, которые генерирует высокочастотное ультразвуковое устройство 11, и вынуждает капли стекать обратно в сосуд 16 для жидкости. Таким образом, через канал 29 и пластиковую пленку 30 отражающего элемента 28 во внутренний объем технологической камеры 14, расположенной за ними, проходят только пары фосфорной кислоты. Пластиковая пленка 30 отражающего элемента 28 также позволяет конденсату, собирающемуся на крышке 24 технологической камеры 14 и стекающему назад к правой боковой стенке 22, проходить сквозь нее и стекать в сосуд 16 для жидкости.
В зоне между поверхностью 20 жидкости сосуда 16 и отражающим элементом 28 имеется соединительный патрубок 31 подачи воздуха, подающий трубопровод которого содержит регулирующее устройство 32. Таким образом, образующиеся фосфорные пары выталкиваются, т.е. активно перемещаются от регулируемого трубопровода подачи воздуха 31, 32 через порог 27 к входу отводящего канала 25.
Обе части левой боковой стенки 23, 23', переходящие друг в друга, как и боковая стенка 26 отводящего канала 25 имеют пленочное покрытие 34, так что конденсат паров 15 фосфорной кислоты, который осаждается на стенках отводящего канала 25, может отводиться от этого пленочного покрытия 34 к дну без образования капель. Для этого нижние края боковых стенок 23, 23' и 26 заканчиваются над каналами 36 и 37, отводящими конденсат в сторону (не показано), т.е. в направлении, перпендикулярном плоскости чертежа.
Над транспортером 13, т.е. над верхней стороной 39 транспортера 13, на которой расположены и перемещаются в направлении, обозначенном стрелкой А, кремниевые субстраты, имеется проходной канал 40, включающий впускную зону 41 перед отводящим каналом 25 и выпускную зону 42 за отводящим каналом 25. Между впускной зоной 41 и выпускной зоной 42 проходной канал 40 открывается сверху, и отводящий канал 25 входит в эту открытую зону. На заднем конце в направлении А выпускная зона 42 канала 40 содержит резервуар 43 экстракции, в отверстии которого, обращенном к стороне 39 транспортера 13, установлена крышевидная пластиковая пленка 45, таким образом образуя резервуар с ламинарным потоком. К этому концу резервуара 43 экстракции присоединен трубопровод 46 экстракции, обращенный от пластиковой пленки 45, в котором имеется регулирующее устройство 47, содержащее отсасывающий вентилятор 48 для активного перемещения паров 15 фосфорной кислоты, вынуждающий их течь. За отсасывающим вентилятором 48 имеется трубопровод 49 возврата конденсата, который выходит в резервуар 19 для фосфорной кислоты.
Благодаря регулирующим устройствам 32 и 47 для подачи и удаления воздуха полученные пары 15 фосфорной кислоты могут перемещаться в соответствии с необходимостью от места их получения, а именно из технологической камеры 14, через отводящий канал 25, проходящий ниже технологической камеры 14 и сосуда 16 для жидкости, в канал 42 и, в конце концов, к месту нанесения покрытия на кремниевые субстраты 12. Благодаря клиновидной форме отводящего канала 25 пары фосфорной кислоты сжимаются противотоком и гомогенизируются. Из-за прямого перехода из отводящего канала 25 к относительно низко расположенному каналу 40 фосфорные пары 15 остаются однородными и сжатыми и, следовательно, полностью заполняют выпускную зону 42 канала 40. Поскольку резервуар 43 постоянно удаляет не осажденную часть паров 15 фосфорной кислоты по всей ширине выпускной зоны 42 канала 40, однородность паров фосфорной кислоты поддерживается в выпускной зоне 42. Таким образом, благодаря силе тяжести, действующей на пары фосфорной кислоты, и длительности реакции, превосходящей время, необходимое для транспортировки, фосфорная кислота осаждается на субстраты 12 равномерно и в достаточном объеме. Подача паров фосфорной кислоты точно дозируется при помощи регулировки подачи и удаления воздуха, а также при помощи регулировки мощности, подаваемой на высокочастотное ультразвуковое устройство 11. Однородное и равномерное (во времени и пространстве) воздействие паров фосфорной кислоты на кремниевые субстраты 12 достигается также благодаря тому, что скорость перемещения транспортера 13 для кремниевых субстратов соответствует скорости паров 15 фосфорной кислоты в процессе их перемещения в по существу замкнутой циркуляционной системе из технологической камеры 14 через отводящий канал 25 и канал 42 к резервуару 43, и первая предпочтительно синхронизирована с последней, т.е. равна ей.
Для равномерного однородного переноса паров 15 фосфорной кислоты по всему пути важно, чтобы размеры разгрузочного конца вертикального отводящего пары жидкости канала 25 и размеры канала 40, ограничивающего камеру для осаждения для субстратов 12, соответствовали друг другу и, предпочтительно, были равны друг другу.
Чтобы предотвратить образование конденсата паров 15 фосфорной кислоты на верхней стенке 51 канала 40 под выпускной зоной 42 канала 40, над выпускной зоной 42 имеется возвратный канал 52, основание которого образовано верхней стенкой 51. Возвратный канал 52 соединяется трубопроводом 53 с трубкой уровня заполнения 54 сосуда 16 для фосфорной кислоты в зоне входного конца выпускной зоны 42 канала 40, так чтобы подаваемая фосфорная кислота, переливающаяся из сосуда 16, могла течь над каналом 40 в направлении А перемещения. На конце возвратного канала 52 за выступом 56 присоединяется трубопровод 57, возвращающий излишки фосфорной кислоты в резервуар 19 для фосфорной кислоты.
На фиг.2 представлен фрагмент фиг.1, схематично изображающий продольный разрез высокочастотного ультразвукового устройства 11, которое используется в устройстве 10. Высокочастотное ультразвуковое устройство 11 имеет пластиковый корпус 61, входящий в отверстие 62 в основании 21 сосуда с фосфорной кислотой и прикрепленный фланцем 63 к нижней стороне основания 21 сосуда. В нижней полой части 64 корпуса, окруженной фланцем 63, установлен пьезоэлектрический элемент 65, расположенный в зоне основания 21 сосуда в качестве высокочастотного ультразвукового генератора, нижняя сторона которого содержит соединительные провода (не показаны), и верхняя сторона заполняется диском 66 из кварцевого стекла и предпочтительно приклеивается к нему. Толщина диска 66 из кварцевого стекла соответствует высокочастотной ультразвуковой частоте пьезоэлектрического элемента 65, так что ультразвук может передаваться практически без потерь. Этот узел, состоящий из пьезоэлектрического элемента 65 и диска 66 из кварцевого стекла, устанавливается в полой части 64 корпуса таким образом, чтобы герметически соединяться с нижней стороной, причем диск из кварцевого стекла устанавливается сначала на стороне, обращенной к фосфорной кислоте, в сосуде 16. Сопло 68 из кварцевого стекла своим нижним концом большего диаметра ввинчивается в верхнюю часть 67 полого корпуса, составляющую единое целое с частью 64 полого корпуса и выступающую в сосуд 16 с фосфорной кислотой. Несколько радиальных отверстий 69, расположенных по окружности, проходят через верхнюю часть 67 полого корпуса, через которую фосфорная кислота, содержащаяся в сосуде 16, может течь во внутреннее пространство сопла 68 из кварцевого стекла и также входить в контакт с диском 66 из кварцевого стекла. Сопло 68 из кварцевого стекла сужается к наконечнику 71, выступающему в технологическую камеру 14. Таким образом, конец сопла 68 из кварцевого стекла, содержащий наконечник 71, несколько выступает над поверхностью 20 жидкости фосфорной кислоты в сосуде 16. И фосфорная кислота, и звук концентрируются в сопле 68 из кварцевого стекла и из-за высокочастотной ультразвуковой энергии пьезоэлектрического элемента 65 фосфорная кислота, содержащаяся в сопле 68, разбрызгивается при помощи диска 66 над поверхностью 20 жидкости фосфорной кислоты в сосуде 16. Определенное количество паров 15 фосфорной кислоты образуется в зоне вокруг разбрызганной фосфорной кислоты. Как уже было сказано, капли фосфорной кислоты, отделяющиеся от паров фосфорной кислоты, попадают на отражающий элемент и улавливаются сосудом 16.
Фосфорная кислота, сжимающаяся в сопле 68 из кварцевого стекла с образованием паров 15 фосфорной кислоты, может стекать из сосуда 16 через радиальные отверстия 69.
Следует отметить, что устройство 10, представленное на фиг.1, может также содержать высокочастотное ультразвуковое устройство, отличающееся от высокочастотного ультразвукового устройства 11 по фиг.2.