JPH0218316A - 多結晶シリコンシートの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は太陽電池その他の光電変換素子等に用いられて
いる多結晶シリコンシートの製造方法に関する。

（従来の技術） 既に多結晶シリコンシートの製造方法としては各種のも
のが実施されており、その一つであるリボン法は第８図
のように、不活性ガス雰囲気内にあって坩堝８内に存す
る溶融シリコンｂにダイＣを浸漬起立させ、ダイＣの上
端口Ｃ°から引き出された溶融シリコンｂを、ダイＣの
外である不活性ガス雰囲気内で冷却固化させるようにし
たもので、このリボン技術では、溶融シリコンｂのメニ
スカス（表面張力）を利用してシートを形成しているた
め、均一な厚さの多結晶シリコンシートを得難く、この
結果太陽電池のデイバイスとして用いようとする際、こ
れに電極を形成しようとしても、スクリーン印刷法を適
用することが困難となってしまう欠陥がある。

また、上記の如く溶融シリコンとの濡れを活用しようと
するのがリボン技術であるため、ダイ、フィラメント、
基板など多くの消耗品を要することになるだけでなく、
濡れのよいカーボン、ＳｉＣ等を用いることから、これ
が溶融シリコンへの不純物源となってしまう。

さらに、当該リボン法によるときは、結晶の成長が、多
結晶シリコンシートの引き出し方向への成長であり、当
該結晶の成長速度はあまり大きくできず、品質および生
産能率の点からも満足すべきものとなっていない。

さらに別途別語キャスティング法（鋳造法）なるものも
実施されているが、同法ではシリコン母材を加熱して融
液となし、これを製品ウェハの寸法に応じた鋳型に流し
込み、さらに当該型の可動部分により融液を押圧成型し
て固化させるものであるが、同法によるときは、−度に
所定形状のウェハが得られ、量産性の点で望ましい結果
が期待できるものの、上記のように融液は四方から押え
つけられることになる。

このため同法では鋳型の上下面と側面が上記融液の固化
に際し、シリコン結晶粒（グレイン）の成長を抑制して
しまうこととなり、固化製品の前記各面と接する部分近
傍が、非常に細かい結晶粒となって大きな結晶粒が得ら
れず、太陽電池用シリコンウェハ等にあって望ましいと
されている大結晶粒生成の要請を満足させることができ
ないため、当該ウェハによって得られた太陽電池の光電
変換効率も２〜３％と極度に悪くなってしまう欠陥をも
っている。

そこで１本願人は既に上記難点を解消するため、前記キ
ャスティング法の利点を活用し、溶融シリコンをモール
ドノズルに供給するが、不連続でなく連続して供給する
と共に、これをモールドノズル内にて固化してしまい、
この固化シリコンシートを連続的に引き出すようにする
ことで、均一厚の多結晶シリコンシートを、不純物によ
る汚染の心配なしに量産可能とすると共に、各種の厚さ
寸法のものを容易に得られるようにし、デイバイス加工
の工程でも、厚さの均一化処理などを不要となし、歩留
りの向上をも図ろうとする方法を提案した。

その第１方法は第６図に示す如き製造装置を用いて行う
もので、同図にあってｌはアルゴン等の不活性ガスか真
空による不活性雰囲気１ａをもつ炉体で、この中にはヒ
ータ２ａ　、　２ｂによって加熱されるシリコン溶融管
３と、ヒータ４によって加熱されるモールドノズル５と
が設けられており、シリコン溶融管３内に投入のシリコ
ン母材は、前記ヒータ２ａによって溶融された後、不活
性ガス等による圧力Ｐを受けて、当該溶融シリコンＳｉ
が、順次シリコン溶融管３の供給口３ａ、そしてモール
トノスル５の注入口５ａを介して当該モールドノズル５
内へ送り込まれるようになっている。ここでモールドノ
ズル５は、ノズル下板５ｂとノズル上蓋板５ｃとからな
り、ノズル下板５ｂの上面に所定の凹溝５ｄが形成され
であることで、図示されていないビス等により両板５ｂ
　、　５ｃを重積状態にて固定することにより、所定厚
さと所定巾の鋳造路６が形成され１図中７が引出手段と
しての引張り治具を示している。

この製造装置を用いて上記第１の方法を実施するには、
石英等により形成したシリコン溶融管３中にシリコン母
材を投入しておき、これをヒータ２ａの稼動によって溶
融（１４５０℃）し、前記不活性ガスによる圧力Ｐ　　
Ｃ０，０１〜０．１　ｋｇ／ｃｒｎ’）を当該溶融シリ
コンＳｉの上面に加え、ヒータ４によって予め１３００
℃〜１４２０℃の温度に加温しであるモールドノズル５
内へ、その注入口５ａから連続的に当該溶融シリコンＳ
ｉを供給する。

これにより当該溶融シリコンＳｉはモールドノズル５内
にて固化することで固化シリコンシートＭＳｉ　となる
が、その先端は予め炉体１外に引き出され、その端末が
前記の引張り治具７に嵌着してあり、この引張り治具７
をモールドノズル５の長手方向である矢印Ａへ向は連続
的に引出すのである。

ここで、前記の凹溝５ｄを深さ０．５ｍｌ、巾を２５ｍ
ｍにて２５０ｍ■だけ固化シリコンシートを引き出した
ところ、製品である多結晶シリコンシートの厚さは０．
５■鳳、巾を２５謹ｌのものが得られたのであり。

モールドノズルの材質としては、カーボン製の本体表面
に窒化シリコンコーティングを施すか。

Ｓｉ３Ｎ＋と５ｉＯｚの混合物コーティングを施して用
いるのがよい。

ところが、上記方法の実施に際しては、溶融シリコンが
１４５０℃で溶解され、シリコン溶融管３の供給口３ａ
内で固化しないようにヒータ２ｂを臨設することも必要
であると共に、これに隣装のモールドノズル５は、その
温度をヒータ４によって、溶融シリコンよりも５０℃程
度低温となるように加熱しておかないと、当該モールド
ノズル５内での適切な固化シリコンシー）ＭＳｉの形成
ができないこととなる。

ところが上記第６図の如き製造装置による製法では、シ
リコン溶融管３を加熱するヒータ２ａ、２ｂの熱が、ど
うしてもモールドノズル５を昇温させてしまうこととな
るので、上記５０℃程度の温度差を設定すること自体困
難となり、よい製品を得ることができない。

そこで本願人は、さらに第７図に示す如き製造装置を用
いて行うことができる第２の方法を提案した。

上記第６図のものは第７図のものと同じく炉体ｌ、不活
性雰囲気１ａ、ヒータ２ａ　、　２ｂ、シリコン溶融管
３、ヒータ４、モールドノズル５、鋳造路６、引張り治
具７、断熱材８の存在が、前記のものと実質的に同一で
あり、相違している点はシリコン溶融管３の下端に開口
している下端副成ノズル３ｂが１通常これから溶融シリ
コンが自然流出しない程度に副成されており、従ってア
ルゴン等による不活性ガスによって圧力Ｐを、溶融シリ
コンＳｉに加えない限り、その流出はないよう設定され
ており、実際上この下端副成ノズル３ｂの直径は１゜２
ｍｍ程度とすればよく、図中３０はシリコン溶融管３の
上端に０リング３ｄを介して連結した圧力付加用管を示
している。

さらに相違する点は、上記のシリコン溶融管３に連設し
て、図示例では同じ太さの落流管８が下突されており、
当該落流管８の下端に開口したスリット状等による下端
連結通過ノズル８ａが、モールドノズル５の注入口５ａ
に連着されている点であり、もちろん下端副成ノズル３
ｂの直下に配設されていて、当該ノズル３ｂの流通断面
よりも大きく形成してあり、前記の断熱材８は落流管８
の外周側にあって上下方向の熱遮断が行われるよう配設
され、またヒータ２ｂは下端連結通過ノズル８ａに臨設
されている。

前掲第２の方法を上記の製造装置の利用によって実施す
るには、ヒータ２ａによってシリコン溶融管３内のシリ
コン母材を溶融（１４５０”Ｃ）　して、これにより得
られた溶融シリコンＳｉをアルゴンガス等による圧力Ｐ
　　（０，０１ｋｇ／ｃｍ’）の印加により、下端副成
ノズル３ｂから落流管ｓ内へ流下させるが、この際ヒー
タ４によってモールドノズル５の温度は１３５０℃程度
に加温しておく。

１記した下端副成ノズル３ｂから流下された溶融シリコ
ンＳｒは、落流管３に触れることなく、その管内空所８
ｂ中を落下して行き、その真下に開口の下端連結通過ノ
ズル８ａを通過して、モールドノズル５の注入口５ａか
ら鋳造路６内へ連続的に供給されることとなる。

そこで、その後は前記第１の方法につき説示した如く引
張り治具７を矢印入方向へ引いて、モールドノズル５内
にて冷却固化された固化シリコンシートＭＳｉ　を連続
して引き出すのであり、溶融シリコンＳｉの連続的供給
量と、引出し速度が適切に調整されれば、多結晶シリコ
ンシートたる製品は連続的に踏切れることなく生産され
る。

ところが、上記第１、第２何れの方法にあっても均一厚
で均−巾長の多結晶シリコンシートを引き出すためであ
るから、モールドノズル内の鋳造路にあって、溶融シリ
コンが固化する箇所は１丁度得ようとする多結晶シリコ
ンシートの寸法に合致させた均一厚、均−自長に形成し
たところ、確かに精度の高い寸法のものが得られるので
あるが、引出手段によって固化シリコンシートを引出す
る際、当該シートがモールドノズルとの摩擦抵抗によっ
て、可成りの大きな引張力により引出しなければならな
いだけでなく、引き具合が悪かったりすると、当該固化
シリコンシートが破損したり、逆に引出手段としての引
張り治具の方が損傷を受けてしまうことも生じ、このこ
とが、生産性の向上を阻害することにもなる。

（発明が解決しようとする課題） 本願は上記第１、第２の方法において、引き出される多
結晶シリコンシートの破損と引出手段の損傷を如何にし
て阻止するかの課題に解決を与えようとするもので、そ
の請求項（１）にあっては、モールドノズルの鋳造路に
あって、固化シリコンシートが固結される箇所を、先広
がりに形成することによって、製造の損傷を心配するこ
となしに製造できるようにし、その生産性を向上すると
共に、引出手段の作動に消費する労力または電力の低減
を図るのがその目的である。

次に請求項（２）では、さらに鋳造路の前段に形成され
ているＬ字状の溶融シリコン室として、その外側コーナ
部を凹弧状に曲成することにより溶融シリコンのモール
ドノズル内における流れをよくし、停滞残留による溶融
シリコン室内での固化発生などが生じないようにし、常
に円滑な連続的生産を可能にしようとするのが、その目
的である。

（課題を解決するための手段） 本願は上記の目的を達成するため、その請求項（１）で
は不活性雰囲気内にあって、シリコン母材を溶融した後
、当該溶融シリコンに圧力をかけることで、これを加温
されたモールドノズル内へ連続して送出すると共に、こ
のモールドノズルに形成された鋳造路のうち、注入口を
開口した溶融シリコン室と連続して取出口に開口する固
化シリコンシート形成溝を、上記取出口に向けその厚さ
と自長が次第に僅かだけ大となるテーパ状に形成し、当
該固化シリコンシート溝内にて上記溶融シリコンの固化
したシリコンシートを、所望引張り治具によって連続的
に引出すようにしたことを特徴とする多結晶シリコンシ
ートの製造方法を提供しようとしており、請求項（２）
では不活性雰囲気内にあって、シリコン母材を溶融した
後、当該溶融シリコンに圧力をかけることで、これを加
温されたモールドノズル内へ連続して送出すると共に、
このモールドノズルに形成された鋳造路のうち、注入口
を開口して縦設の落流部と、この落流部から横設の横行
部とによるＬ字状の溶融シリコン室に連続して、取出口
に開口する固化シリコンシート形成溝を、上記取出口に
向けその厚さと自長が次第に僅かだけ大となるテーパ状
に形成すると共に、前記溶融シリコン室の外側コーナ部
を凹弧状に曲成し、当該固化シリコンシート溝内にて上
記溶融シリコンの固化したシリコンシートを、所望引出
手段によって連続的に引出すようにしたことを特徴とす
る多結晶シリコンシートの製造方法を提示するものであ
る。

（作　　　用） 請求項（１）にあっては、シリコン溶融管内の溶融シリ
コンが圧力により流出されて、モールドノズル内へ供給
され、当該溶融シリコンが溶融シリコン室内から固化シ
リコンシート形成溝に流入して固結し、これが引出手段
により引き出されるが、上記固化シリコンシート形成溝
は、取出口に向は僅かに厚さと巾長が次第に大きく形成
されているので、引き出しに要する力が小さくてすみ、
しかもこのテーパをあまり大きくしなければ、製品であ
る多結晶シリコンシートの寸法も固化シリコンシート形
成溝の入口と上記取出口との間にあっての微小差以内に
納まる。

請求項（２）にあっては、上記請求項（１）の構成に加
えて、固化シリコンシート形成溝の前段に存する溶融シ
リコン室の外側コーナ部が、直交状ではなく凹弧状に曲
成しであるので、溶融シリコンが、この外側コーナ部に
おいて停滞残留することなく流れ、これによりここに残
留した溶融シリコンが固化してしまい、当該固形物が溶
融シリコンのモールドノズル内における流れに支障を与
えるといったこともなくなる。

（実　施　例） 本願を前掲第６図、第７図そして引出手段としての引張
り治具近傍を示した第１図とモールドノズルの注入口近
傍を示す第２図および同上モールドノズルのノズル下板
５ｂ、ノズル上蓋板５Ｃとを夫々示す第３図と第４図を
用いて詳細に説示すれば、製造装置としては前述の第６
図、第７図に明示した如きものを使用すればよく、この
際モールドノズル５としては下記のものによるのが望ま
しい。

すなわち、第３図の（ａ）　（ｂ）に示すような前記ノ
ズル下板５ｂと第４図（ａ）　（ｂ）の如きノズル上蓋
板５Ｃとを、第５図の通り上下配置として重積し、これ
らを同部材と同じカーボンによる止螺子５ｅによって第
１図、第５図のように固定したものである。

ノズル下板５ｂは横向基板５ｆの前端から直交状に起立
壁５ｇを直立させ、当該起立壁５ｇの巾方向両端部から
引張り治Ａ７側へ向けて当接突条部５ｈ　、　５ｈを突
設して、全体を第３図（ａ）の如くＬ字状に形成したも
のである。

本発明の実施には前記第６図、第７図何れの製造装置を
用いるようにしてもよいが、第１図に示した実施例では
第６図の製造装置を用いるようにしており、シリコン溶
融管３の供給口３ａは、第２図に示す如くスリット状に
形成されている。

次に前掲ノズル上蓋板５Ｃは第４図のように載置横向基
板５ｉの前端から直交状に蔵置起立壁５ｊが直立され、
当該起立壁５ｊの巾方向両端部から引張り治具７と反対
側へ向けて当接突条部５ｋ　、　５ｋが突設され、これ
また全体が第４図（ａ）のようにＬ字状に形成されてい
る。

さらに当該ノズル上蓋板５Ｃの下面側には切欠溝５１が
凹設されており、このノズル上蓋板５Ｃを前記ノズル下
板５ｂに載置し、両者の当接突条部５ｈ。

５ｈ、５ｋ　、　５ｋを当接させて前記止螺子５ｅをノ
ズル上蓋板５Ｃの挿通孔５ｍからノズル下板５ｂの締着
螺孔５ｎに螺着することでモールドノズル５が構成され
る。

このようにして組み立てられたモールドノズル５内には
、Ｌ字状の鋳造路６が形成されるが、ち該鋳造路６は注
入口５ａを開口する縦設の落流部６ａと、この落流部６
ａから横設の横行部６ｂとによるＬ字状の溶融シリコン
室６ｃと、これに連続してモールドノズル５の取出口６
ｄに開口する固化シリコンシート形成溝６８とにより貫
通状態となっている。

さらに、ここで重要なことは上記の固化シリコンシート
形成溝８ｅが均一厚、均−巾に形成されるのではなく、
取出口８ｄへ向けてその厚さと巾長が次第に大きくなる
ように、テーパが付されていることである。

このテーパは僅かだけ付するのがよく、実際上、固化シ
リコンシート形成溝６ｅの入口６ｆの厚さが０．４ｍ鵬
、巾長が２５冒ｌであるとき、取出口ｃｄの厚さは０．
５ｓ＋ｓ　、巾長は２６■ｌ程度とするのが望ましく、
もちろん図示例では、このようなテーパ付き固化シリコ
ンシート形成溝６ｅを得るためノズル蓋板５Ｃの下面に
切欠溝を形成したが、これとは反対にノズル下板５ｂの
上面に切欠溝を凹設するようにしてもよい。

本願請求項（１）の方法を上記の諸装置を用いて実施す
るには、前掲第６図と第７図の製造装置を用いた方法と
実質的に同じく、モールドノズル５の温度を１３００℃
〜１４２０℃に保って、石英製のシリコン溶融管ａ内に
て１４５０℃の溶融シリコンを得、その後アルゴンガス
を導入して、当該溶融シリコンに０．０１ｋｇ／ｃｒｎ
’　〜０．１ｋｇ／ｃｒｎ’ｃ７）圧力を加え、これよ
りモールドノズル５内へ上記の溶融シリコンを流入し、
これが固化シリコンシート形成溝６ｅで固結した固化シ
リコンシートＭＳｉを、毎秒５〜１釦層の速度で引張り
治具７により引出するのであり、これにより前記寸法の
テーパ付固化シリコンシート形成溝８ｅを用いた際、厚
さ０．４〜０．５ｍｍ　、巾長２５〜２８ｍ−の多結晶
シリコンシートである製品が得られた。

次に本願請求項（２）にあっては、第５図に示す如きモ
ールドノズル５を用いて実施することになるが、・当該
ノズル５が第１図乃至第４図によって示されているもの
と相違している点は以下の通りである。

すなわち、当該モールドノズル５の鋳造路８にあって、
溶融シリコン室６Ｃの外側コーナ部６ｇが前者では直角
状に曲設されていたものを、凹弧状に７−ルを付して曲
成するのである。

上記のモールドノズル５を用い請求項（２）と実質的に
同じ方法により多結晶シリコンシートを製造するが、外
側コーナ部８ｇの凹曲により、ここに溶融シリコンが滞
留してしまい、さらにこれが固化してしまうといった現
象が生ぜず、溶融シリコンの正常な流れが保証される。

（発明の効果） 本願請求項（１）の方法は上記のようにして実施できる
から、所望均一厚さ、巾の製品を自由に、かつ高い精度
で効率よく生産することができ。

従ってデイバイス加工も容易で歩留りが向上し、不純物
の混入しない良質のものを安価に提供し得るだけでなく
、以下の効果を発揮できるものである。

すなわち、モールドノズルを先広がりの状態として固化
シリコンシートを引き出すようにしたことから、引き出
しに大きな労力、消費電力を費すことなく、シかも引出
中に無理な力が加わって、製品が踏切れたり損傷を受け
、または引張り治具が損壊するといったこともなくなっ
て生産性を向上でき、多結晶シリコンシートとしての製
品についても充分に許容できる寸法内の製造が保証され
る。

さらに請求項（２）では、請求項（１）に加えてモール
ドノズルの外側コーナ部にアールを付したので、直交状
に曲折させた鋳造路の場合に比し、内部に不本意な固化
シリコンが滞留し、製品の引出しに支障を与えたりする
ことも解消され、さらに生産性の向上に益するところ大
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するのに用い得る製造装置の要部
を示す縦断正面説明図、第２図は第１図のＩＩ　−ＩＩ
線矢視断面図、第３図（ａ）　（ｂ）はモールドノズル
のノズル下板を示す夫々縦断正面図と下面図、第４図（
ａ）　（ｂ）は同上ノズルのノズル上蓋板を示す夫々縦
断正面図と下面図、第５図は第１図とは別側の製造装置
を示すモールドノズル近傍の縦断正面図、第６図は既往
多結晶シリコンシートの製造方、法を実施し得る製造装
置の縦断正面説明図、第７図は同上装置の改良案による
製造装置を示した縦断正面説明図、第８図は従来のリボ
ン法による多結晶シリコンシート製造装置を示す縦断正
面説明図である。 ｌａ・・・・・・不活性雰囲気 ５・ｅ・・争・モールドノズル ５ａ・・・・・・注入口 ６・・・・・・鋳造路 ６ａ・・・・・・落流部 ６ｂ・・・・・・横行部 ６ｃ・・・・・・溶融シリコン室 ６ｄ・・・・・・取出口 ６ｅ・・・・・・固化シリコンシート形成溝８ｇ・・・
・・・外側コーナ部 ７・・・・・・引張り治具 Ｓｉ・・・・・・溶融シリコン ＭＳｉ・・・・固化シリコンシート 代理人　弁理士　斎　藤　義　雄

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）不活性雰囲気内にあって、シリコン母材を溶融し
   た後、当該溶融シリコンに圧力をかけることで、これを
   加温されたモールドノズル内へ連続して送出すると共に
   、このモールドノズルに形成された鋳造路のうち、注入
   口を開口した溶融シリコン室と連続して取出口に開口す
   る固化シリコンシート形成溝を、上記取出口に向けその
   厚さと巾長が次第に僅かだけ大となるテーパ状に形成し
   、当該固化シリコンシート溝内にて上記溶融シリコンの
   固化したシリコンシートを、所望引張り治具によって連
   続的に引出すようにしたことを特徴とする多結晶シリコ
   ンシートの製造方法。
2. （２）不活性雰囲気内にあって、シリコン母材を溶融し
   た後、当該溶融シリコンに圧力をかけることで、これを
   加温されたモールドノズル内へ連続して送出すると共に
   、このモールドノズルに形成された鋳造路のうち、注入
   口を開口して縦設の落流部と、この落流部から横設の横
   行部とによるＬ字状の溶融シリコン室に連続して、取出
   口に開口する固化シリコンシート形成溝を、上記取出口
   に向けその厚さと巾長が次第に僅かだけ大となるテーパ
   状に形成すると共に、前記溶融シリコン室の外側コーナ
   部を凹弧状に曲成し、当該固化シリコンシート溝内にて
   上記溶融シリコンの固化したシリコンシートを、所望引
   出手段によって連続的に引出すようにしたことを特徴と
   する多結晶シリコンシートの製造方法。