JPH0154320B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は帯状シリコン結晶製造装置の改良に関
する。

［発明の技術的背景］ 近来、太陽光発電コストの減少のための一環と
して太陽電池用シリコン基板の価格低下が望まれ
ており、帯状シリコン結晶は、インゴツト結晶を
切断・加工する際に生じるような材料損失がな
く、加工費も安いことから有望視されている。

本発明者らは、結晶成長が容易で長時間、安定
に成長を継続できる新規な帯状シリコン結晶製造
装置を提案した（特願昭58−53534号など）。第５
図は上記帯状シリコン結晶製造装置の概略構成図
である。図中１１はグラフアイト製のルツボであ
り、このルツボ１１内にはシリコン融液１２が収
容されている。ルツボ１１の上方には結晶成長用
ダイ１３ａ，１３ｂがそれぞれ設置されている。
ダイ１３ａ，１３ｂはルツボ１１の外部に設けら
れた固定部１４ａ，１４ｂにそれぞれ取り付けら
れている。また、ルツボ１１の底面下部にはルツ
ボ１１を加熱するヒータ（図示せず）が設けら
れ、これとは別にダイ１３ａ，１３ｂをそれぞれ
独立に加熱するヒータ１５ａ，１５ｂが上記固定
部１４ａ，１４ｂに設けられている。

図中１６はヒータ１５ａ，１５ｂの側部からの
熱放射によりルツボ温度が乱されないようにする
ための熱シールドである。また、以上述べた全て
の構成要素はアルゴンガスを充満させた金属容器
（図示せず）の中に収納されており、さらに該容
器の上方には帯状シリコン結晶を上方に引上げる
ための引上げ駆動部（図示せず）が配設される。

第６図は上記装置による帯状シリコン結晶成長
の概念図である。結晶成長用ダイ１３ａ，１３ｂ
の間隔よりやや幅のせまい種結晶１７をシリコン
融液１２に接触させると種結晶１７付近のシリコ
ン融液が持上げられ図中ハツチングで示したメニ
スカス１８が形成され、固液界面１９は凹形とな
る。種結晶１７を引上げるとその下に結晶成長用
ダイ１３ａ，１３ｂの間隔で規定された幅をもつ
帯状シリコン結晶２０が成長する。メニスカス１
８の高さ（シリコン融液１２の自由液面から固液
界面１９の底部まで）は約７〜８mm、ダイ１３
ａ，１３ｂと種結晶１７の側部との間のメニスカ
ス１８の幅は約１mmである。

上述の帯状シリコン結晶製造装置によれば、メ
ニスカス１８の高さ、及びダイ１３ａ，１３ｂと
固液界面１９との距離が大きいため（例えば
Edge−defined Film−fed Growth法（EFG法）
においては、キヤピラリダイ頂上のメニスカス高
さは0.25mm程度）多少の温度変動が生じても結晶
成長用ダイ１３ａ，１３ｂと帯状シリコン結晶２
０が固着したり、帯状シリコン結晶２０がメニス
カス１８と離れ結晶が切れたりすることが少な
く、安定に長時間成長が継続できることが特徴で
ある。

［背景技術の問題点］ しかしながら、第５図に示した帯状シリコン結
晶製造装置においても、なんらかの原因によりシ
リコン融液温度が変動すると、結晶切れや固着が
生じるという問題点があつた。即ち、液温の上昇
で結晶切れが、液温の下降で固着がそれぞれ起こ
り、結晶成長が中断してしまうのである。第７図
ａ，ｂはそれぞれ左側のダイ１３ａにおいて結晶
切れが生じかけた時、生じた直後を模式的に表わ
した図、第８図ａ，ｂは同様に固着が生じかけた
時、生じた直後を模式的に表わした図である。注
目すべき点は、ダイ１３ａと結晶２０との間のメ
ニスカス１８の幅または高さが微妙に変化する点
である。

これらの中断現象を物理的に説明すると次のよ
うになる。自由融液面より帯状シリコン結晶を引
上げる場合メニスカス１８の高さは通常７〜８mm
となる。固液界面はシリコン融液（1420℃）の等
温線（等温面）と考えることができ、この高さは
液温影響を受け、高温の場合高く、低温では低く
なるが、表面張力に関するラプラスの差圧方程式
を解くと上記の７〜８mmのメニスカス高となる。
帯状結晶の本製造方法において固液界面１９が凹
形になつているのは左右のダイ１３ａ，１３ｂを
加熱しているため等温線が凹形となるためであ
り、同時に、ダイ１３ａ，１３ｂと結晶２０との
間で毛細管現象の効果があり、融液は７〜８mmよ
り高くまで上がる。さて、結晶左側のダイ１３ａ
付近で温度上昇が生じた場合、第７図ａの如く、
左側ダイ１３ａ近くの固液界面１９（すなわち
1420℃の等温線）が図の右側による。引上げを続
けると結晶２０の幅が狭くなり左側ダイ１３ａと
結晶２０の距離が大きくなる。このため上述した
毛細管効果が小さくなり、左側ダイ１３ａの部分
にはもはや融液が張られず同図ｂのように結晶切
れとなる。これとは逆に左側ダイ１３ａ付近で温
度が下がると、第８図ａの如く左側ダイ１３ａ近
くの固液界面１９が図の左側による。ダイ１３ａ
の温度が1420℃以下にならなければ結晶幅がやや
広くなるだけで結晶成長は継続するが、温度が下
がりすぎると同図ｂのようにダイ１３ａと結晶２
０が固着する。ただしダイの鉛直方向の温度は下
方で高くなつているため、固着現象は結晶切れに
比べれば発生率が低い。

このような中断現象を防ぐには従来次のような
手法によつていた。つまり、結晶切れが起こりそ
うな場合、ヒータ入力を減少せしめルツボ温度も
しくはダイ１３ａ，１３ｂの温度を下げるか、あ
るいは引上げ速度を遅くすることにより中断現象
を避け、ダイと結晶が固着しそうな場合、逆にル
ツボ温度もしくはダイ温度を上げるか、あるいは
引上げ速度を速くして固着を防いだ。ところがル
ツボやダイの温度の増減は、系の熱容量の関係で
応答に時間がかかり、中断現象にまにあわないこ
とがままあり、一方引上げ速度の加減は結晶の厚
さに温度による以上に大きな影響を与えるという
不利な点であつた。また他にダイ１３ａ，１３ｂ
を左右に移動させ、両ダイの間隔を変えるという
手段により中断現象を防ぐこともある程度可能で
あるが、移動させる距離が微妙で、例えば固着現
象を防ごうとしてダイ間隔を広げると逆に結晶切
れが生じるなど熟練を要する方法である。

上述した中断現象は、±３℃程度の温度変動に
より生じるもので、EFG法において同様の現象
が±１℃以内の温度変動によつても生じるのに比
べればまだ欠点としては小さいが、結晶の連続成
長、ひいてはシリコン基板の低コスト化に向けて
は克服すべき点であつた。

［発明の目的］ 本発明は上述の問題点に鑑みて成されたもので
あり、本発明の目的は、帯状シリコン結晶成長の
際に生じ得る温度変動の許容幅を大きくでき、従
つて、結晶成長の長時間安定化及び製造コストの
低減化をはかり得る帯状シリコン結晶製造装置を
提供することにある。

［発明の概要］ 上記目的を達成し得る本発明の骨子は、前述し
た１対の結晶成長用ダイの相対するそれぞれの面
を鉛直方向に対し傾斜させることにある。

すなわち、本発明は、ルツボ内に収容されたシ
リコン融液に種結晶を接触させ、この種結晶を引
上げることにより帯状シリコン結晶を成長せしめ
る装置において、成長すべき帯状シリコン結晶の
幅方向両端部の外側に、該端部と対向するよう配
置された一対の結晶成長用ダイと、これらのダイ
を加熱する手段とを具備し、上記一対の結晶成長
用ダイが成長すべき帯状シリコン結晶の端部に対
応する上記一対の結晶成長用ダイの相対するそれ
ぞれの面が鉛直方向に対し傾斜して成ることを特
徴とする。

［発明の実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示す模式図であ
る。グラフアイト製ルツボ１１にシリコン融液１
２が収容されており、ルツボ１１の上方には結晶
成長用ダイ１３ａ，１３ｂが10cmの間隔でそれぞ
れ設置されている。その他、ルツボ加熱用ヒータ
（図示せず）、ダイを加熱するヒータ（図示せず）
などの構成や、成長装置の全体的な構成は第５図
の説明において述べたものと同様である。第１図
における本発明の特徴はダイ１３ａ，１３ｂがそ
れぞれ鉛直方向に対して傾斜して設置された点で
あり、本実施例では、鉛直方向に対してそれぞれ
5゜の傾斜で１対のダイ１３ａ，１３ｂが上方で広
く、下方で狭くなるように設置されている。また
これらのダイ１３ａ，１３ｂはそれぞれ上下、左
右方向に移動できるようにしてある。

上記装置により帯状シリコン結晶を製造した場
合の安定性について第２図を参考にして述べる。
第２図ａは定常的に結晶成長がなされている場合
であり、第５図に示した場合と同様である。同図
ｂは結晶の左側ダイ１３ａの付近でなんらかの要
因により温度上昇が生じた場合であり、第６図で
説明したように固液界面１９がダイ１３ａから遠
ざかり図の右側の方へ移り、結晶成長を続けると
結晶幅が狭くなる。従来の装置では前述した如く
このままでは左側ダイ１３ａと結晶２０との間隔
が広くなりこの間にもはや融液が張られなくなり
結晶切れが生じたのであるが、本発明の装置によ
ればダイ１３ａが傾斜しているため結晶幅が狭く
なつても同図ｃのように左側ダイ１３ａ側の融液
がやや低くなつたところで再び安定した固液界面
１９を形成することができ、結晶切れは起こらず
成長を継続することができる。この際、ヒータの
加熱量を変化させたり、ダイを移動させる必要が
なく、極めて成長が容易になつた。

このように本実施例の装置によれば、結晶幅の
変動が±0.4mmとはなるものの原料シリコンの連
続供給を行いながらの結晶成長の継続時間が従来
の装置によつた場合、平均３時間であつたものが
10時間以上にのびた。

ところで上述の如き一対の結晶成長用ダイを上
方で広く、下方で狭くなるように傾斜させた場合
は結晶とダイの固着現象にとつては従来装置より
有利というわけではなかつた。固着現象防止に大
きな効果を持つ装置は以下の如くである。即ち、
第３図が実施例の模式図で、改良点は結晶成長用
ダイ１３ａ，１３ｂを上方で狭く、下方で広くな
るように傾斜させたことである。傾斜角度は鉛直
方向に対し5゜である。同図ａは定常的に結晶が成
長している場合である。また、同図ｂは結晶の左
側ダイ１３ａの付近でなんらかの原因により温度
低下が生じた場合であり、第８図で説明したよう
に固液界面１９がダイ１３ａに近付き結晶成長を
続けると結晶幅が広くなる。従来の装置では結晶
成長用ダイ１３ａと結晶２０とがこのまま固着す
るのであるが、本発明の装置によれば、ダイ１３
ａが傾斜しているため、結晶幅が広くなつても同
図ｃのようにダイ１３ａ側の融液面がやや高くな
つたところで、再び安定した固液界面１９を形成
することができ、固着することなく成長を継続で
きる。ところで、本実施例の構成では、固着は起
こらずとも幅の広くなつた結晶がダイ１３ａ，１
３ｂ上方を通過しないのではないかという危惧が
あつた。しかしながら、例えば結晶左側で幅が拡
がり、左側ダイ１３ａの上方で結晶とダイとが接
触しても、固体同志の結晶とダイとが固着するこ
とはもちろん無く、結晶が右方向に振られるだけ
で成長を継続することができた。結晶の幅がダイ
１３ａ，１３ｂ上端の幅より広くなつた場合に
は、従来装置のようにダイ１３ａ，１３ｂの間隔
を広げればよい。さらに、本実施例の装置によれ
ば、固着現象がおきにくいことからシリコン融液
の温度を低く設定できるので、成長速度を向上さ
せることができるという効果もある。

発明者はさらに、結晶切れ、固着両者の防止に
効果がある帯状結晶成長装置を考え実施した。

即ち、第４図がその装置により結晶成長を行つ
ている模式図で、改良点は結晶成長用ダイ１３
ａ，１３ｂが中央部で狭く、かつ、上方部及び下
方部で広くなつているところである。この実施例
では、ダイ１３ａ，１３ｂの傾斜は上方、下方と
も鉛直方向に対して5゜とし、中央部には曲率をも
たせた。同図ａは定常的に結晶が成長している場
合であり、固液界面１９の底部がダイ１３ａ，１
３ｂの鉛直方向のほぼ中央部にくるように系を調
整した。即ち、成長中に連続供給する原料シリコ
ンの量を成長した結晶の量と同じくなるように設
定し、シリコン融液面を一定に保つた。同図ｂ
は、左側ダイ１３ａの近くでは温度上昇が生じた
場合の図であり、この場合は、前述の実施例と全
く同一の効果により結晶成長は継続する。また同
図ｃは左側ダイ１３ａの近くで温度下降が起こつ
た場合であるが、結晶２０とダイ１３ａとの間隔
が下方に広がつているため、固着は生じにくい。

この第３の実施例で説明した装置により成長継
続時間は更に長くなり24時間成長を続けても中断
現象は生じなかつた。

なお、前述の実施例ではダイの傾斜角を鉛直方
向に対して5゜としたが、傾斜角はこれに限定され
るものではない。また本発明では、成長中断現象
を防止する為、従来技術と同様のダイを移動させ
るという操作を併用することもできる。その他本
発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまに変形し
て実施することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明による帯状シリコン
結晶製造装置を用いれば結晶成長中の温度変動の
許容範囲が従来の装置による場合より広くなり、
結晶成長の中断現象の発生率が極めて低くなるた
め、成長継続時間が向上するという効果がある。
また同時に従来装置で必要であつた成長中断現象
を防止するための熟練を要する操作が、不要もし
くは簡単になり成長技術が容易になるという利点
もある。

一方、本発明の特に第２の実施例に示した装置
によればルツボに収容したシリコン融液の温度を
下げても固着減少が生じにくく、融液温度を下げ
られる分だけ成長速度が向上するという効果があ
る。

また、本発明の装置は、結晶成長用ダイの間隔
を成長中にも変更でき結晶の幅を任意に変えられ
るのであるが本発明によるダイ形状を用いればこ
の操作が容易になるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す模式図、第２
図は本発明の一実施例による結晶成長の様子を説
明する模式図、第３図及び第４図は本発明の他の
実施例を示す模式図、第５図は従来の帯状シリコ
ン結晶製造装置の概略構成図、第６図は従来の装
置による結晶成長の概念図、第７図及び第８図は
従来の装置における結晶成長の中断現象を説明す
る模式図である。 １１……ルツボ、１２……シリコン融液、１３
ａ，１３ｂ……結晶成長用ダイ、１４ａ，１４ｂ
……固定部、１５ａ，１５ｂ……ダイ加熱用ヒー
タ、１６……熱シールド、１７……種結晶、１８
……メニスカス、１９……固液界面、２０……帯
状シリコン結晶。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶
   を接触させ、この種結晶を引上げることにより帯
   状シリコン結晶を成長せしめる装置において、成
   長すべき帯状シリコン結晶の幅方向両端部の外側
   に、該端部と対向するよう配置された一対の結晶
   成長用ダイと、これらのダイを加熱する手段とを
   具備し、上記一対の結晶成長用ダイが成長すべき
   帯状シリコン結晶の端部に対応する上記一対の結
   晶成長用ダイの相対するそれぞれの面が鉛直方向
   に対し傾斜をして成ることを特徴とする帯状シリ
   コン結晶製造装置。 ２ 成長すべき帯状シリコン結晶の端部に対応す
   る上記一対の結晶成長用ダイの相対するそれぞれ
   の面は、それら面の間隔が上方で広く、下方で狭
   くなるように、傾斜して成ることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の帯状シリコン結晶製造
   装置。 ３ 成長すべき帯状シリコン結晶の端部に対応す
   る上記一対の結晶成長用ダイの相対するそれぞれ
   の面は、それら面の間隔が上方で狭く、下方で広
   くなるように、傾斜して成ることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の帯状シリコン結晶製造
   装置。 ４ 成長すべき帯状シリコン結晶の端部に対応す
   る上記一対の結晶成長用ダイの相対するそれぞれ
   の面は、それら面の間隔が中央部で狭く、上方部
   及び下方部で広くなるように傾斜して成ることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の帯状シリ
   コン結晶製造装置。 ５ 前記各ダイを加熱する手段は、前記ルツボ内
   のシリコンを加熱する加熱機構とは別の加熱機構
   により上記ダイを加熱するものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の帯状シリコン
   結晶製造装置。 ６ 前記一対の結晶成長用ダイがそれぞれ独立に
   上下方向及び左右方向に移動自在に設けられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   帯状シリコン結晶製造装置。