控制晶體光纖生長形貌的方法
【專利摘要】一種以浮動(dòng)熔區(qū)方式控制晶體光纖形貌生長，致使其截面長成特定形貌的方法，該方法包括：以鐳射光聚焦于一晶原棒位于其同一徑向截面的二對(duì)稱加熱點(diǎn)上，且持續(xù)加熱該晶原棒，使得其端部在鐳射光作用下受熱熔融而形成一半球狀的熔區(qū)；以一籽晶沿該晶原棒的軸心線向下接觸該熔區(qū)，并沿該軸心線移動(dòng)該晶原棒朝該籽晶方向推擠，同時(shí)移動(dòng)該籽晶朝遠(yuǎn)離該晶原棒方向拉伸，以在該籽晶移動(dòng)速度大于該晶原棒移動(dòng)速度，且維持二者間穩(wěn)定速度差之下，使該熔區(qū)被拉伸形成一縮頸部；及以該籽晶持續(xù)提拉該縮頸部至長出一橢圓截面或薄體形貌的晶體光纖。
【專利說明】控制晶體光纖生長形貌的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種控制晶體光纖生長形貌的方法；特別關(guān)于一種以浮動(dòng)熔區(qū)方式控制晶體形貌生長，且在無任何導(dǎo)片與容器接觸污染下，以致使晶體光纖截面長成特定形貌的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]晶體光纖材料應(yīng)用漸廣，尤其單晶結(jié)構(gòu)材料因其晶體結(jié)構(gòu)一致，故往往都比多晶或玻璃化結(jié)構(gòu)材料的效能來的更佳，甚至部分晶體還具有優(yōu)異的光電效應(yīng)，以致近來已廣為光電產(chǎn)業(yè)所重視。
[0003]目前多以硅基單晶為太陽能晶片市場的主要材料，且依材料規(guī)格不同可區(qū)分有塊材、晶纖與薄膜。惟，大部分塊材都須經(jīng)過多次精密切割、研磨及拋光等步驟方可完成，其耗損工時(shí)且加工繁瑣；而晶纖雖可省去繁瑣的加工步驟，卻礙于晶纖多半為數(shù)百微米以下的圓柱條狀體，以致在同等體積下受光效率較為不足；另薄膜與導(dǎo)片生長晶體多以化學(xué)沉積與接觸方式于基體或?qū)仙L而成，雖可具有較大受光面而提升受光效率，但基體生長往往會(huì)誘發(fā)其他雜質(zhì)結(jié)晶，故所生成的薄膜晶體于應(yīng)用上并不佳。
[0004]基于前述的晶纖為例，由于傳統(tǒng)浮動(dòng)熔區(qū)晶纖的生長方式多僅能在晶原棒均勻受熱的情況下生成熔區(qū)，以供籽晶自該熔區(qū)拉出圓柱狀晶纖，但經(jīng)此所生長的晶纖形態(tài)始終無法具有突破性的變化；如此，針對(duì)同體積的晶纖條件下，傳統(tǒng)圓柱狀晶纖的受光面積不僅受到局限而影響其光吸收效率，且經(jīng)編織方式加工成為軟性薄體太陽能晶片后，其整體受光面積仍較低，而使其在應(yīng)用上并無法擴(kuò)及日常生活的軟性(例如:服飾、傘具、…)或呈流線形(例如:汽車、飛機(jī)、…)等物件，故傳統(tǒng)晶纖應(yīng)用于發(fā)展編織的薄體太陽能晶片的實(shí)用性顯然不佳。
[0005]有鑒于此，確實(shí)有必要發(fā)展一種有別于傳統(tǒng)的浮動(dòng)熔區(qū)晶體生長方法，以能控制晶體光纖截面長成特定的形貌(尤其是截面扁平化)，并解決如上所述各種問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明主要目的乃改善上述問題，以提供一種控制晶體光纖生長形貌的方法，其能夠控制晶體光纖截面生長成特定形貌(尤其是晶體光纖形貌扁平化)，以增加晶體受光面積，且相對(duì)提升光吸收效率者。
[0007]本發(fā)明次一目的是提供一種控制晶體光纖生長形貌的方法，其能夠?qū)⑺a(chǎn)的薄體晶體光纖，經(jīng)編織方式加工且與電路配置成軟性晶片后，適用于軟性或呈流線形的物件被覆，以相對(duì)提升太陽能晶體的效能與拓展應(yīng)用范圍。
[0008]為達(dá)到前述發(fā)明目的，本發(fā)明控制晶體光纖生長形貌的方法，包含:備制一晶原棒，且鄰近該晶原棒端部標(biāo)記有二對(duì)稱加熱點(diǎn)，該二加熱點(diǎn)位于該晶原棒的同一徑向截面；以鐳射光聚焦于該晶原棒的二對(duì)稱加熱點(diǎn)上，持續(xù)加熱該晶原棒，使得該晶原棒端部在鐳射光的作用下受熱熔融而形成一半球狀的熔區(qū)，且位于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)的熔區(qū)表面溫度遠(yuǎn)高于該熔區(qū)周邊溫度；以一籽晶沿該晶原棒的軸心線向下接觸該熔區(qū)，并沿該軸心線移動(dòng)該晶原棒朝該籽晶方向推擠，同時(shí)移動(dòng)該籽晶沿該軸心線朝遠(yuǎn)離該晶原棒方向拉伸，以在該籽晶移動(dòng)速度大于該晶原棒移動(dòng)速度，且維持二者間穩(wěn)定速度差之下，使該熔區(qū)被拉伸形成一縮頸部；及以該籽晶持續(xù)拉伸該縮頸部至長出一晶體光纖，該晶體光纖的截面形貌呈橢圓。
[0009]其中，該熔區(qū)相接該籽晶處的徑寬與該熔區(qū)相接該晶原棒處的徑寬形成一縮徑t匕，且該二者的比值小于I。
[0010]其中，該縮徑比為0.5。
[0011]其中，該縮徑比為0.35。
[0012]其中，該縮徑比為0.25。
[0013]其中，，該鐳射光為CO2鐳射光，且當(dāng)該晶原棒徑寬為100~500微米時(shí)，則該CO2鐳射光的功率為I至6瓦。
[0014]其中，該晶原棒為徑寬300~500微米且呈圓柱狀的一硅基棒。
[0015]其中，該籽晶為徑寬100~200微米的一圓棒。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1a~If是本發(fā)明的操作流程示意圖。
[0017]圖2是熔區(qū)的流場與溫度模擬示意圖。
[0018]圖3是熔區(qū)的流場與溫度模擬及晶體光纖型態(tài)變化示意圖一。
[0019]圖4是熔區(qū)的流場與溫度模擬及晶體光纖型態(tài)變化示意圖二。
[0020]【符號(hào)說明】
I晶體11加熱點(diǎn)2鐳射光
3籽晶4晶體光纖A熔區(qū)
P縮徑部Vl、V2提拉速度Dl晶體光纖直徑
D2晶原棒直徑 L軸心線。

【具體實(shí)施方式】
[0021]為讓本發(fā)明的上述及其他目的、特征及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下:
本發(fā)明控制控制晶體光纖生長形貌的方法，可以通過浮動(dòng)熔區(qū)方式適用于任意晶體光纖材料，尤其為太陽能電池所廣泛應(yīng)用的硅基材，以下就本發(fā)明較佳實(shí)施例詳述各步驟，并配合圖1a~Ie說明。
[0022]該控制晶體光纖生長形貌的方法包含以下步驟:
如圖1a所示,備制一晶原棒I,且鄰近該晶原棒I端部標(biāo)記有二對(duì)稱加熱點(diǎn)11,該二加熱點(diǎn)11位于該晶原棒I的同一徑向截面，使得該二加熱點(diǎn)11可以于同一平面上呈相互對(duì)稱；其中，該晶原棒I可以為硅基材，且該晶原棒I的型態(tài)、尺寸也可以因應(yīng)所欲成長的晶體光纖而有所差異，該晶原棒I的徑寬可以選擇為100~800微米，本實(shí)施例的晶原棒I較佳選擇為徑寬約300~500微米且呈圓柱狀的一硅基晶原棒。
[0023]接續(xù)前述步驟，再如圖1b所示，以鐳射光2聚焦于該晶原棒I的二對(duì)稱加熱點(diǎn)11上，持續(xù)加熱該晶原棒1，使得該晶原棒I端部在鐳射光2的作用下受熱熔融而形成一半球狀的熔區(qū)A ;其中，該鐳射光可以選擇為CO2鐳射光，且當(dāng)該晶原棒I徑寬為100~500微米時(shí)，該步驟所激發(fā)的CO2鐳射光2功率可以經(jīng)衰減片作用至10瓦以下，較佳為I~6瓦，以能持續(xù)穩(wěn)定供熱于該晶原棒I的該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11，使該晶原棒I端部得以熔融為原則，當(dāng)然毋須在此限制該鐳射光2的型式，本實(shí)施例僅以CO2鐳射光2供作參酌，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解。
[0024]詳言之，本實(shí)施例較佳選擇以功率為80瓦的CO2鐳射光產(chǎn)生器，經(jīng)衰片作用而降至1-6瓦，以此持續(xù)加熱該晶原棒1，并致使該CO2鐳射光2完全聚焦于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11，進(jìn)而在熱作用下產(chǎn)生該晶原棒I端部的熔融；此時(shí)，所生成的熔區(qū)A因受該CO2鐳射光2的持續(xù)供熱而維持熔融狀態(tài)，且因該CO2鐳射光2充分聚焦于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11上，以致位于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11的該熔區(qū)表面溫度遠(yuǎn)高于該熔區(qū)A周邊溫度。較佳者，該熔區(qū)A的溫度分布自該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11朝遠(yuǎn)離該二對(duì)稱加熱點(diǎn)的該熔區(qū)A外周呈遞減，且非該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11的二側(cè)表面張力將大于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11位置的表面張力，致使氣液介面與之后長晶的固液介面截面可以呈現(xiàn)橢圓。
[0025]當(dāng)該熔區(qū)A持續(xù)熔融之時(shí)，遂如圖lc，再以一籽晶3沿該晶原棒I的軸心線L向下接觸該熔區(qū)A，并隨圖1d沿該軸心線L移動(dòng)該晶原棒I朝該籽晶3方向推擠，同時(shí)沿該軸心線L移動(dòng)該籽晶3朝遠(yuǎn)離該晶原棒I方向拉伸，以在該籽晶3移動(dòng)速度Vl大于該晶原棒I移動(dòng)速度V2，且維持二者間穩(wěn)定速度差之下，使該熔區(qū)A被拉伸形成一縮頸部P (該縮頸部如圖呈酒瓶狀)，且以該籽晶3持續(xù)拉伸該縮頸部P至長出一晶體光纖4 (詳參圖le)，該晶體光纖4的截面較佳如圖1f所示呈橢圓狀；此時(shí)，該熔區(qū)A相接該籽晶3處的徑寬Dl與該熔區(qū)A相接該晶原棒I處的徑寬D2形成一縮徑比(即該晶體光纖4的平均直徑Dl:該晶原棒I的直徑D2)，且若生長的晶體光纖4較該晶原棒I為細(xì)小時(shí)，該二者的比值(D1/D2)較佳小于1，特別可以使該縮徑比(即為D1/D2)為0.5,0.35或0.25，且該縮徑比可以視所欲成形晶體光纖4的厚薄度而定，以使經(jīng)該步驟被拉伸成形的該晶體光纖4的型態(tài)可趨于扁平狀，進(jìn)而就此使該晶體光纖4形變成帶狀薄體單晶。
[0026]詳言之，承續(xù)如圖ld，由于成形該晶體光纖4的型態(tài)取決于該籽晶3的外形及其與該晶原棒I的提拉速度比(即為Vl:V2)，本實(shí)施例維持Vl > V2，以確保在該籽晶3與該晶原棒I的相對(duì)移動(dòng)過程可以拉伸長出細(xì)條狀晶體光纖4 ;并且，由于該熔區(qū)A氣液介面的表面張力與溫度成負(fù)相關(guān)，故當(dāng)該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11受該鐳射光2持續(xù)熱作用產(chǎn)生相對(duì)高溫，進(jìn)而造成其表面張力下降時(shí)，隨之在該籽晶3及該晶原棒I的拉伸過程，則使對(duì)應(yīng)該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11處的熔融晶體受到該熔區(qū)A周邊的熔融晶體擠壓而漸內(nèi)縮，特別朝圖1f所繪示的箭頭方向內(nèi)縮，而迫使該晶體光纖4呈橢圓并趨于扁平化，且于持續(xù)提拉過程成長出呈帶狀的薄體單晶晶體光纖。其中，本實(shí)施例的籽晶3較佳選擇為徑寬約100~200微米的一圓棒，且該籽晶3可以與該晶原棒I為相同娃基材所構(gòu)成的圓棒。
[0027]就此，經(jīng)本發(fā)明所生產(chǎn)的呈薄體狀的晶體光纖4，經(jīng)編織方式加工，且與電路配置成軟性晶片后，可以適用于軟性或呈流線形的物件被覆，進(jìn)而相對(duì)提升太陽能晶體的效能與拓展其應(yīng)用范圍。
[0028]基于前述步驟,本發(fā)明已經(jīng)由發(fā)表于國際SCI期刊J.CrystalGrowth的三維浮動(dòng)熔區(qū)實(shí)驗(yàn)與模擬驗(yàn)證的模式模擬，以證實(shí)經(jīng)本發(fā)明控制晶體生長的方法確實(shí)可以使所成形的晶體光纖形貌產(chǎn)生形變，且于不同縮徑比之下，觀察該晶體光纖的型態(tài)變化。
[0029]請(qǐng)閱圖2所示，其為熔區(qū)的流場與溫度模擬示意圖；其中，該晶原棒I直徑為500微米，縮徑比為0.5 (即D1/D2 = 0.5)，垂直流場強(qiáng)度以最大與最小25等分呈現(xiàn)，色標(biāo)為溫度場，矢量單位cm/sec。又圖面的A-B為二對(duì)稱加熱點(diǎn)的連線；C_D為接近晶峰的垂直于A-B的氣液邊界連線。由圖面結(jié)果可知，Ca)為熔區(qū)的溫度及流場分布，其顯示位于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)處的熔區(qū)表面具有最高溫度，且該熔區(qū)于水平方向上的溫度梯低容易于該方位誘發(fā)呈毛細(xì)型態(tài)的熱流現(xiàn)象；(b)為熔區(qū)上視圖，其顯示自該二對(duì)稱加熱點(diǎn)中央遂誘發(fā)氣液邊界產(chǎn)生熱流，且造成該熔區(qū)中央流場改變；再者，由(a-Ι)為該二對(duì)稱加熱點(diǎn)處的垂直剖面圖；(b-l)為該二對(duì)稱加熱點(diǎn)的水平頗面圖；(a-2)為垂直于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)的剖面圖；(b-2)為接近晶峰處的水平剖面圖等的結(jié)果，證實(shí)于晶峰處(即該熔區(qū)與該籽晶相接處，所謂晶體光纖成長界面)會(huì)被壓縮而使其呈現(xiàn)如圖的橢圓態(tài)樣。
[0030]基于前述圖2的熔區(qū)流場及溫度分布，本發(fā)明再以不同縮徑比模擬晶體光纖(即晶體光纖成長界面)型態(tài)變化；續(xù)如圖3，其于縮徑比為1、0.5,0.25的條件下的熔區(qū)流場與溫度模擬示意圖，其余條件均與圖2所述相同，容不贅述；又圖中插圖為俯視圖，以借助各該俯視圖觀察晶體光纖的型態(tài)變化。其中，(a-l)、(b-l)及(c-1)為輸入較高功率CO2鐳射光為模擬者，其鐳射功率約低于3瓦(本實(shí)施例為2.8瓦)，且縮徑比分別為1、0.5,0.25 ；(a-2)、(b-2)及(c-2)則為輸入較低高率CO2鐳射光為模擬者，其鐳射功率約高于2瓦(本實(shí)施例為2.1瓦)，且縮徑比分別為1、0.5,0.25。由結(jié)果可知，當(dāng)晶體光纖生長條件于低鐳射功率作用，且其縮徑比小于I的情況下，容易在晶體光纖的成長界面造成形變，以致晶體光纖形態(tài)趨于橢圓狀，并進(jìn)一步達(dá)到使該晶體光纖成長為薄體單晶樣態(tài)的功效。
[0031]再如圖4所示，其于縮徑比維持為0.5，且以不同直徑的該晶原棒I進(jìn)行的熔區(qū)流場與溫度模擬示意圖；又圖中插圖為俯視圖，以借助各該俯視圖觀察晶體光纖(即晶體光纖成長界面)型態(tài)變化。 其中，(a-l)、(b_l)為輸入較高功率鐳射光為模擬者，其0)2鐳射功率于2.6~5.8瓦(本實(shí)施例為晶原棒直徑300微米，輸入功率2.6瓦；晶原棒直徑800微米時(shí)，輸入功率則5.8瓦)；(a-2)、(b-2)為輸入較低功率CO2鐳射光為模擬者，其鐳射功率于
2.1-5.2瓦(本實(shí)施例為晶原棒直徑300微米，輸入功率2.1瓦；晶原棒直徑800微米，輸入功率則5.2瓦)，且其晶原棒直徑為800微米。由結(jié)果可知，在相同的CO2鐳射光功率照射，且基于相同徑寬比的條件模擬之下，該晶原棒I直徑較大時(shí)會(huì)造成該熔區(qū)尺寸大幅變化，以致使晶體光纖更容易產(chǎn)生形變而成長為薄體單晶的形貌。
[0032]綜上所述，本發(fā)明控制晶體光纖生長形貌的方法的主要特征在于:借助浮動(dòng)熔區(qū)方式，以由鐳射光2 (較佳為CO2鐳射光)加熱聚焦于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11，以構(gòu)成平面單點(diǎn)加熱模式，遂可以致使位于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11處的該熔區(qū)A表面相較于該熔區(qū)A周邊具有較高溫度；且隨溫度增高，位于該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11處的該熔區(qū)A表面張力遂相對(duì)變小，而在該籽晶3及該晶原棒I的持續(xù)拉伸過程，對(duì)應(yīng)該二對(duì)稱加熱點(diǎn)11處的熔融晶體便會(huì)受到該熔區(qū)A周邊的熔融晶體擠壓而漸內(nèi)縮，就此使晶體光纖成長界面的形態(tài)漸趨于橢圓狀，最終迫使長成的晶體光纖扁平化而形變?yōu)閹畋◇w的單晶態(tài)樣。如此，本發(fā)明控制晶體光纖生長形貌的方法能夠控制晶體光纖截面生長成特定形貌，以用于制作太陽能晶片，達(dá)到增加晶體受光面積且相對(duì)提升光吸收效率的功效；甚者，借助本發(fā)明控制晶體光纖生長形貌的方法所長成具特定形貌的薄體晶體光纖，更可以適用于服飾、傘具等軟性飾物，或者適用于汽車、飛機(jī)等呈流線形物件，達(dá)到相對(duì)提升晶體應(yīng)用性的功效。
[0033]只是以上所述的，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能以此限定本發(fā)明實(shí)施范圍；故，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍及創(chuàng)作說明書內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，包括: 備制一個(gè)晶原棒，且鄰近該晶原棒端部標(biāo)記有二個(gè)對(duì)稱加熱點(diǎn)，該二個(gè)加熱點(diǎn)位于該晶原棒的同一個(gè)徑向截面； 以鐳射光聚焦于該晶原棒的二個(gè)對(duì)稱加熱點(diǎn)上，持續(xù)加熱該晶原棒，使得該晶原棒端部在鐳射光的作用下受熱熔融而形成一個(gè)半球狀的熔區(qū)，且位于該二個(gè)對(duì)稱加熱點(diǎn)的熔區(qū)表面溫度遠(yuǎn)高于該熔區(qū)周邊溫度；以一個(gè)籽晶沿該晶原棒的軸心線向下接觸該熔區(qū)，并沿該軸心線移動(dòng)該晶原棒朝該籽晶方向推擠，同時(shí)沿該軸心線移動(dòng)該籽晶朝遠(yuǎn)離該晶原棒方向拉伸，以在該籽晶移動(dòng)速度大于該晶原棒移動(dòng)速度，且維持二者間穩(wěn)定速度差之下，使該熔區(qū)被拉伸形成一個(gè)縮頸部；及 以該籽晶持續(xù)拉伸該縮頸部至長出一個(gè)晶體光纖，該晶體光纖的截面形貌呈橢圓。
2.如權(quán)利要求1所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該熔區(qū)相接該籽晶處的徑寬與該熔區(qū)相接該晶原棒處的徑寬形成一個(gè)縮徑比，且該二者的比值小于I。
3.如權(quán)利要求2所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該縮徑比為0.5。
4.如權(quán)利要求2所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該縮徑比為0.35。
5.如權(quán)利要求2所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該縮徑比為0.25。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該鐳射光為CO2鐳射光，且當(dāng)該晶原棒徑寬為100~500微米時(shí)，該CO2鐳射光的功率為2-6瓦。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該晶原棒為徑寬300~500微米且呈圓柱狀的一個(gè)硅基晶原棒。
8.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的控制晶體光纖生長形貌的方法，其特征在于，該籽晶為徑寬100~200微米的一個(gè)圓棒。
【文檔編號(hào)】C30B13/30GK104073881SQ201410077083
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
【發(fā)明者】陳平夷 申請(qǐng)人:美和學(xué)校財(cái)團(tuán)法人美和科技大學(xué)