JPH0479970B2 - - Google Patents

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７図のように、不活性ガス雰囲気内に
あつて坩堝ａ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
つ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、
フイラメント、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
純物源となつてしまう欠陥がある。

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
きものとなつていない。

さらに別途所謂キヤステイング法（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、これを製品ウエハの寸
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、一度に所定形状のウ
エハが得られ、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（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
なつて大きな結晶粒が得られず、太陽電池用シリ
コンウエハ等にあつ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、当該ウエハによつて得られた太陽電池の光電
変換効率も２〜３％と極度に悪くなつてしまう欠
陥をもつている。

そこで、本願人は既に上記難点を解消するた
め、前記キヤステイ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
ノズル内にて固化させてしまい、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。

これは第５図に示す如き製造装置を用いて行う
もので、同図にあつて１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によつて加熱される
シリコン溶融管３と、ヒータ４によつて加熱され
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によつて溶融された後、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、そしてモールド
ノズル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つている。

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が形成されてあることで、
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、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
の稼動によつて溶融（1450℃）し、前記不活性ガ
スによる圧力ｐ（0.01〜0.1Kg／cm²）を当該溶融シ
リコンSiの上面に加え、ヒータ４によつて予め
1300℃〜1420℃の温度に加温してあるモールドノ
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Si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へ向け連続的に引出すのであ
る。

ここで、前記の凹溝５ｄを深さ0.5mm、巾を25
mmにて250mm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0.5mm、巾25mm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
体表面に窒化表面シリコンコーテイングを施す
か、Si₃N₄とSiO₂の混合物コーテイングを施して
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によつ
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トMSiの形成ができ
ないこととなる。

ところが上記第５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、上記のような難点を解消するため、第
６図に示す如き製造装置を用いることも試行し
た。

当該装置は、前記した供給口３ａを長く下位ま
で延出させ長尺供給口３ｂとなし、ヒータ２ａの
直下に段熱材８を配設したものであるが、このよ
うな手段をとることでヒータ２ａによるモールド
ノズル５の加熱は回避されるものの、長尺供給口
３ｂ内の溶融シリコンSiが冷却され固化してしま
という現象が発生することとなる。

このため、さらに上記方法の欠陥を解消するた
め、本願人は前記のように、シリコン溶融管から
圧力により流下される溶融シリコンを前記の如く
長尺供給口を介してモールドノズルに供給するの
ではなく、上記シリコン溶融管に連続させて下突
した落流管中を、これに触れることなく上記の溶
融シリコンを落下により通過させ、これをモール
ドノズル内へ供給するように改良することで、シ
リコン溶融管を加熱するヒータとモールドノズル
とを十分に離間させ得るようになし、しかも落下
する溶融シリコンが外部からの熱影響を可及的に
受けないようにし、これにより落流途上の団結が
生じないようにして、供給された溶融シリコンと
モールドノズルとが、所要温度差を確実に保有し
得るようにして試行されたものである。

すなわち、上記方法を実施するための方法とし
ては、第３図に示す如き製造方法を用いて実施す
ることができるのであり、当該装置として前記第
５図と相違している点は以下の通りである。

すなわち、シリコン溶融管３の下端に開口して
いる下端細成ノズル３ｃが、通常これから溶融シ
リコンが自然流出しない程度に細成されており、
従つてアルゴン等による不活性ガスによつて圧力
ｐを、溶融シリコンSiに加えない限り、その流出
はないように設定されており、実際上この下端細
成ノズル３ｃの直径は1.2mm程度とすればよく、
図中３ｄはシリコン溶融管３の上端にＯリング３
ｅを介して連結した圧力付加用管を示している。

さらに違う点は、上記のシリコン溶融管３に連
設して、図示のものは同じ太さの落流管９が下突
されており、当該落流管９の下端に開口した下端
連結通過ノズル９ａ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、この下端連結
通過ノズル９ａとして図示されているものは、第
４図ｂに示す通りスリツト状に開口され、もちろ
ん下端細成ノズル３ｃの直下に配設されていて、
当該ノズル３ｃ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９の外周側にあつ
て上下方向の熱遮断が行われるように配設され、
またヒータ２ｂは下端連結通過ノズル９ａに臨設
されている。

そこで上記製造装置を用いた方法とは、ヒータ
２ａによつてシリコン溶融管３内のシリコン母材
を溶融（1450℃）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（0.01
Kg／cm²）の印加により、下端細成ノズル３ｃから
落流管９内へ流下させるが、この際ヒータ４によ
つてモールドノズル５の温度は1350℃程度に加温
しておく。

上記した下端細成ノズル３ｃから流下された溶
融シリコンSiは、落流管９に触れることなく、そ
の管内空所９ｂ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９ａ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、その後は前記方法につき説示した如く
引張り治具７を矢印Ａ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、引出速度が適切に調整され
れば、多結晶シリコンシートである製品は連続的
に跡切れることなく生産される。

因に前記の如く0.01Kg／cm²の圧力ｐをかけたこ
とで、モールドノズルの凹溝５ｄの深さ0.5mm、
巾25mmとしたとき、約10秒で50〜100mmの引出速
度にて多結晶シリコンシートを引張ることができ
た。

上記方法によるときは、もちろんそれなりの改
善された結果が得られることになるが、この場合
も次の如き問題が生じ得る。

すなわち前記のようにシリコン溶融管３内の溶
融シリコンSiに圧力ｐをかけるが、この場合実際
上モールドノズル５の注入口５ａに落流管９の下
端連結通過ノズル９ａを嵌合することで、完全に
密封状態を確保し圧気の漏出がないようにするこ
とが難事となる。

このため、上記不活性ガスの漏出を見越して圧
力ｐを大きくすると、シリコン溶融管３内の溶融
シリコンSiが、不本意に多量落流してしまうこと
となり、前記の如き整合された連続的生産を行い
にくくなつてしまう。

また、上記モールドノズル５の鋳造路６を薄く
すればするほど、溶融シリコンSiの進入が困難と
なつてくるため、ある程度以上に薄い多結晶シリ
コンシートを製造しようとするときは、最早前記
圧力ｐの制御では実現不可能となる。

《発明が解決しようとする課題》 本発明は上記の諸方法がもつ欠陥を解消しよう
とするもので、シリコン溶融管からの圧力は、そ
の溶融シリコンを落流させることにのみ用いるよ
うにし、このことで溶融シリコンを落流管中に、
これと触れることなく落下させ、この溶融シリコ
ンがモールドノズルに供給されたならば、当該溶
融シリコンに別途モールドノズルに設けられた圧
気供給路からの不活性ガスにより圧力を印加する
ように改良することで、シリコン溶融管を加熱す
るヒータとモールドノズルとを十分に離間させ得
るようになし、しかも落下する溶融シリコンが外
部からの熱影響を可及的に受けないようにし、こ
れにより落流途上の固結が生じないようにして、
供給される溶融シリコンとモールドノズルとが、
所要の温度差を確実に保有し得るようにするの
が、第１の目的である。

そして本発明では溶融シリコンに対する圧力の
印加を、シリコン溶融管とモールドノズルの夫々
に分離して行うことで、引張り治具による連続的
製品の生産が熟練を要することなく格別の圧力調
整で容易になし得るようにすると共に、極めて薄
い多結晶シリコンシートをも製造できるようにす
るのが、第２の目的である。

《課題を解決するための手段》 本発明は上記の目的を達成するため、不活性雰
囲気内にあつて、シリコン溶融管内のシリコン母
材を溶融した後、当該溶融シリコンに圧力をかけ
て、上記シリコン溶融管の下端細成ノズルより、
当該圧力に見合つた溶融シリコンを押出落流さ
せ、当該落流溶融シリコンを、前記シリコン溶融
管の下位に連設された落流管の管内空所へ落下さ
せた後、同上落流溶融シリコンが上記落流管の下
端連結通過ノズルを通過して、さらにこの下端連
結通過ノズルに連着されているモールドノズル内
の鋳造路へ送出すると共に、当該モールドノズル
に設けた不活性ガスの圧気供給路を介して、当該
鋳造路内の溶融シリコンに圧力を印加し、このモ
ールドノズル内にて当該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つて連続
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するもの
である。

《作用》 不活性雰囲気内で圧力を受けたシリコン溶融管
内の溶融シリコンは、当該圧力に対応した量だ
け、その下端細成ノズルから落流管内に流下さ
れ、この落流溶融シリコンは落流管に触れること
なく、従つて外部の温度により実質的に冷却され
ない状態で落下した後、落流管の下端連結通過ノ
ズルを介して、モールドノズル内に連続的に供給
され、この際このモールドノズルの鋳造路内にお
ける溶融シリコンにも、直接圧気が印加されるこ
とから、当該溶融シリコンは円滑に、かつ確実に
鋳造路内へ進入し、当該鋳造路が薄い場合にも進
入が保証されると共に、引張り治具の引出速度
を、この圧気による圧力と整合させれば、前記の
シリコン溶融管内の溶融シリコンに加えられる圧
力とは無関係に正常な多結晶シリコンの引出が可
能となる。

《実施例》 本発明を第１図の製造装置を用いて実施する場
合につき詳記すれば、当該装置は前記第３図のも
のと近似しており、同一部材は同一符号によつて
明示されているが、相違している点はモールドノ
ズル５に圧気供給路１０が付設されていることで
ある。

第１図の実施例では、圧気供給路１０がモール
ドノズル５にあつて、ノズル上蓋板５ｃの上端部
分に、パイプの端部を固着することで形成されて
おり、パイプの端口１０ａがモールドノズル５の
注入口５ａに開口しており、このパイプには図示
されていない不活性ガス供給源から、アルゴン等
の圧気が送り込まれるようになつている。

第２図は圧気供給路１０の他実施例を示してお
り、モールドノズル５の上端部に取付器体１１を
固着して、注入口５ａの上位に連通する圧気用空
所１０ｂを形成し、この取付器体１１の天板部
に、下端連結通過ノズル９ａを貫着すると共に、
同上器体１１の周壁部に圧気供給路１０としての
パイプを貫着するようにしてある。

これを用いて本願発明を実施するには、前記第
３図によつて説示した方法と同じく、シリコン溶
融管３内でシリコン母材を1450℃にて溶融させ、
このシリコン溶融管３内に圧力p₁をかけ、モール
ドノズル５内に溶融シリコンを供給するが、この
際供給すべき溶融シリコンの量は、圧力値と圧力
をかける時間によつて制御することができる。

ここで一実施例によつて具体的に説示すると約
30gの溶融シリコンSiを供給することで、引張り
治具７内と、25mm×150mm×0.5mmの鋳造路６にこ
れが充填されて、固化シリコンシートMSiが鋳造
路６に形成されるが、その後10mm／secの速度で、
引張り治具７を約10sec引き（100mmだけ引張る）、
次に溶融シリコンを約3gモールドノズル５に供
給した後、圧気供給路１０により不活性であるア
ルゴンガスを供給し、この際その圧力p₂を0.01〜
0.1Kg／cm²に保持した。

その後約10mm／secの速度で、引張り治具７を
約100mm引出し、次にまた溶融シリコンを約3g供
給し、上記と同じ手順を踏んで固化シリコンシー
トMSiを引張した。

このようにして25mmの巾、厚さ0.5mmの多結晶
シリコンシートを約600mmだけ引き出すことがで
きた。

上記の実験にあつて3gの溶融シリコンを供給
するようにしたのは、25mm×100mm×0.5mmの体積
をもつシリコンの重量が約3gであるためである。

もちろん、上記の如く3gを断続的に供給しな
くとも、0.3g／secにて溶融シリコンを供給し、
連続的に引き出してもよく、そのときには上記ア
ルゴンガスも連続的に供給されることとなる。

《発明の効果》 本発明は以上のようにして実施し得るものであ
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、従つて
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、落流管中を溶融シリコンが落下して行く
ようにしたものであるから、外部から落下途上で
熱を奪われ固化してしまう心配がなくなり、この
結果シリコン溶融管側とモールドノズル側との間
に断熱材を配して、上下の熱影響を支障なく遮断
することができるようになるから、モールドノズ
ル側の温度を1350℃以下といつた温度にし、かつ
シリコン溶融管側を1450℃とするといつた大きな
温度差に設定することも可能となり、この結果モ
ールド内へ注入された溶融シリコンを速やかに固
結させて固化シリコンシートMSiとすることがで
き、それだけ引張り速度も上げ得ることとなる。

さらに、本発明は溶融シリコンの供給用である
圧力の印加と、モールドノズル内へ溶融シリコン
を進入させるための圧力印加とを別々に行うよう
にしたことから、所望量の溶融シリコンを正確に
供給でき、かつこれとは別個にモールドノズルに
所定の圧力をかけることで、熟練を要することな
く容易に引張り治具による多結晶シリコンシート
の引き出しができて、その生産性を向上できると
共に、極めて薄い製品の製造をも行うことが可能
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
置の縦断正面説明図、第２図は第１図とは別異の
製造装置例を示した要部の縦断正面説明図、第３
図は近時本願人の提示した多結晶シリコンシート
の製造方法を実施するのに用い得る製造装置の縦
断正面説明図、第４図ａ，ｂは夫々第３図のａ−
ａ線矢視断面図とモールドノズルの注入口側端面
図、第５図は既往提示の同上製造方法用製造装置
の縦断正面説明図、第６図は第５図の改良された
製造装置を示す縦断正面説明図、第７図は従来の
リボン法による多結晶シリコンシートの製造方法
用製造装置を示す縦断正面説明図である。 １ａ……不活性雰囲気、３……シリコン溶融
管、３ａ……下端細成ノズル、５……モールドノ
ズル、６……鋳造路、７……引張り治具、９……
落流管、９ａ……下端連続通過ノズル、９ｂ……
管内空所、１０……圧気供給路、p₁……圧力、p₂
……圧力、Si……溶融シリコン、MSi……固化シ
リコンシート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 不活性雰囲気内にあつて、シリコン溶融管内
   のシリコン母材を溶融した後、当該溶融シリコン
   に圧力をかけて、上記シリコン溶融管の下端細成
   ノズルより、当該圧力に見合つた溶融シリコンを
   押出落流させ、当該落流溶融シリコンを、前記シ
   リコン溶融管の下位に連設された落流管の管内空
   所へ落下させた後、同上落流溶融シリコンが上記
   落流管の下端連結通過ノズルを通過して、さらに
   この下端連結通過ノズルに連着されているモール
   ドノズル内の鋳造路へ送出すると共に、当該モー
   ルドノズルに設けた不活性ガスの圧気供給路を介
   して、当該鋳造路内の溶融シリコンに圧力を印加
   し、このモールドノズル内にて当該溶融シリコン
   の固化したシリコンシートを、所望引張り治具に
   よつて連続的に引出する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。