JP2003117638A

JP2003117638A - 薄板製造装置および太陽電池

Info

Publication number: JP2003117638A
Application number: JP2001316556A
Authority: JP
Inventors: Kazuto Igarashi; 万人五十嵐
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】回転体を融液に浸漬し、回転体に取付けた黒
鉛基板上に薄板を作製する薄板製造装置において、黒鉛
基板の表面温度の調整を行なうことができるように改良
された薄板製造装置を提供することを主要な目的とす
る。【解決手段】回転体２を融液に浸漬し、回転体２に取
付けた黒鉛基板９上に薄板を作製する装置において、回
転体２を中空とし、中央に水冷金属体１３を設置し、水
冷金属体１３と耐火物１１の内壁との間に冷却ガス配管
１５を設けて、水冷・空冷の２つの冷却方式を併用する
ことで、黒鉛基板９の表面温度を所定の一定温度に調整
する。水冷金属体１３により、回転体２を低い温度に保
ち、冷却ガス配管１５に流すガス流量を変化させること
で、温度の微調整を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に、薄板製造装
置に関するものであり、より特定的には、金属材料もし
くは半導体材料を含む融液から、良質な半導体薄板を低
コストで得られるようにできるように改良された薄板製
造装置に関する。この発明は、また、そのような薄板製
造装置において製造された基板を用いて製造した太陽電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、太陽電池に用いられている多結晶
シリコンウェハの作製方法には、たとえば特開平６−６
４９１３号公報に開示された、シリコン等多結晶物体の
鋳造方法がある。すなわち、不活性雰囲気中で、リンあ
るいはボロン等のドーパントを添加した高純度シリコン
材料をるつぼ中で加熱溶融させる。そして、このシリコ
ン融液を鋳型に流し込んで徐冷し、多結晶インゴットを
得ようとしている。

【０００３】したがって、このようにして得られた多結
晶インゴットから太陽電池用に使用可能な多結晶シリコ
ンウェハを作製する場合には、上記インゴットをワイヤ
ソーや内周刃法などを用いて、スライシングすることに
なる。

【０００４】しかしながら、多結晶シリコンインゴット
に対するスライス工程が必要となるため、ワイヤや内周
刃の厚み分だけスライスロスが生ずることになる。ま
た、スライス工程が必要なため、全体としての歩留まり
が悪くなり、結果として低価格のウェハを提供すること
が困難となる。

【０００５】このため、シリコン融液からシート状のシ
リコンを直接引出し、スライス工程が不要なＷＥＢ法
（J. Cryst. Growth 82, 142-1509）などのシリコンリ
ボン法の開発が注目されている。

【０００６】シリコンリボンの製造方法の１つとして、
特開昭６１−２７５１１９号公報に開示されたシリコン
リボンの製造方法がある。内部に水冷もしくは空冷等の
冷却手段を持つ円筒型の回転冷却体の一部をシリコン融
液に浸透し、その円筒面に生成するシリコン凝固核を引
出すことにより、シリコンリボンを得る方法である。

【０００７】回転冷却体の構造としては、熱伝導性の良
い銅などからなる水冷金属体の外側をセラミックスから
なる耐火物で覆った構造である。この方法によると、平
衡分配係数が１より小さい不純物元素が溶融シリコン側
に排出されることによる精製効果によって、純度が向上
したシリコンリボンを引出すことが可能である。

【０００８】また、特開平１０−２９８９５号公報に開
示されたシリコンリボンの製造装置も知られている。こ
のシリコンリボンの製造装置は、シリコンの加熱溶解部
と耐熱材で構成された回転冷却体とで概略構成されてい
る。回転冷却体は黒鉛製の中空円筒の内部を不活性冷却
ガスで空冷する構造になっている。カーボンネットの一
端部が予め巻き付けられた回転冷却体をシリコン融液に
直接接触させることによって、上記回転冷却体の表面に
シリコンリボンを形成するものである。そして、上記形
成されたシリコンリボンを取出す場合は、回転冷却体を
回転させると同時に巻き付けられたカーボンネットを引
出すことによって、上記カーボンネットに固着されたシ
リコンに続くシリコンリボンを連続的に取出す構成とな
っている。

【０００９】これらの方法によると、インゴットをワイ
ヤソー等によりスライスとしてウェハを得る従来のシリ
コンウェハの製造法よりも、プロセスコストおよび原料
費の双方を低減することができるとされている。

【００１０】また、回転冷却体がシリコンを強制冷却か
つ引出し、支持を行なうため、ＷＥＢ法などの縦引きリ
ボン法と比較して、引出し速度を大幅に向上することが
可能である。回転冷却体の大きさ、回転数によって、引
出し速度は制御可能であるが、一般的に１０ｃｍ／分以
上で引出すことが可能である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６１−２７５１１９号公報、特開平１０−２９８９５号
公報に開示されたシリコンリボンの製造方法において
は、回転冷却体が水冷もしくは空冷による冷却機構を内
蔵していると以下のような問題がある。

【００１２】回転冷却体の冷却構造として、特開平１０
−２９８９５号公報に開示された実施例のように空冷を
用いた場合には、冷却ガス流量によって冷却体の表面温
度の制御を行なうことができ、成長条件に合った冷却体
表面温度に調整することは比較的容易であるが、シリコ
ンのように融点が高く、凝固潜熱の大きい材料に適用す
る場合には、大流量の冷却ガスを必要とするために、大
口径のガス配管が必要となり、装置が大型化する。さら
に、ヘリウムや窒素など大量の不活性ガスを必要とし、
ガスの供給設備が大規模で高コストとなる。

【００１３】また、特開昭６１−２７５１１９号公報に
開示された実施例のように水冷方式を用いる場合には、
高い冷却能力を得ることができるが、冷却水の沸騰によ
る急激な膨張を避けるため、冷却水の流量は一定以上必
要とし、空冷方式のように冷却水量を可変させること
で、冷却体表面温度を精密に制御することは容易ではな
い。

【００１４】また、回転冷却体表面にクラック等が入っ
て破損し、水漏れを起こした場合に、水と融液が直接触
れることになるため、安全上も好ましくない。

【００１５】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、薄板を成長させる面の温度制御を
容易に行ない、低コストで品質の良好な薄板を得ること
ができるように改良された薄板製造装置を提供すること
にある。

【００１６】この発明は、そのような薄板製造装置によ
って製造された基板を用いて作られた太陽電池を提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の局面に従う薄板製
造装置は、金属あるいは半導体材料の融液を基体表面で
薄板状に固化させる装置において、該基体の温度制御
に、冷却媒体として液体と気体を併用することを特徴と
する。

【００１８】この発明の第２の局面に従う薄板製造装置
は、上記第１の局面に従う薄板製造装置において、上記
基体は、中空構造の耐火物により構成され、該中空内部
には、水冷配管を有する金属体が配置され、該金属体と
上記耐火物の内壁との空間には気体が導入されることを
特徴とする。

【００１９】この発明の第３の局面に従う薄板製造装置
は、上記第２の局面に従う薄板製造装置において、上記
金属体が上記耐火物の内壁と接触あるいは近接すること
で、上記金属体と上記耐火物との間で熱交換する構造と
したことを特徴とする。

【００２０】この発明の第４の局面に従う薄板製造装置
は、上記第２の局面に従う薄板製造装置において、上記
気体の流量により上記金属体と上記耐火物の内壁との熱
伝導度を変化させ、基体表面温度を制御することを特徴
とする。

【００２１】この発明の第５の局面に従う薄板製造装置
は、上記第１の局面から上記第４の局面のいずれか１つ
に従う薄板製造装置において、上記冷却媒体として、上
記液体は水、上記気体は窒素、アルゴン、ヘリウムまた
は空気のいずれかを含むことを特徴とする。

【００２２】この発明の第６の局面に従う薄板製造装置
は、上記第２の局面に従う薄板製造装置において、上記
基体は上記耐火物とは異なる材質、あるいは同じ材質で
あって、上記耐火物とは分離可能に構成されていること
を特徴とする。

【００２３】この発明の第７の局面に従う薄板製造装置
は、上記第１から第５の局面のいずれか１つに従う薄板
製造装置において、上記基体は回転体であることを特徴
とする。

【００２４】この発明の第８の局面に従う発明は、上記
第１の局面から第６の局面のいずれか１つに従う薄板製
造装置により製造した基板を用いて製造した太陽電池に
係る。

【００２５】次に、本発明の作用について説明する。融
液から薄板を得る薄板製造装置に関して、本発明の原理
は薄板を成長させる基体を中空構造の耐火物とし、この
内部に水冷金属体を設置して、水冷金属体と耐火物の間
に冷却ガスを循環させ、冷却ガス流量を調整すること
で、成長界面の温度コントロールを行なうことである。

【００２６】水冷金属体では表面の温度を微調整するこ
とが難しいが、本発明では、冷却ガス流量を調節するだ
けで、表面温度を簡便に変化させることができる。ま
た、冷却ガスのみによる冷却では、結晶成長を行なうた
めには、大量の冷却ガスを必要とするのに対して、水冷
金属体を耐火物の内壁近傍に設置し、もしくは、部分的
に接触させることで、所定の温度近辺まで調整してお
き、調整に必要な温度分だけをガス流量によって補うた
め、大量の冷却ガスおよびそれに伴うユーティリティを
必要としない。

【００２７】また、水冷金属体は耐火物で周囲を覆われ
ているため、水漏れを起こした場合にも、高温の融液と
水とが接触する可能性が少なくなり、安全性が高められ
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る薄板作製装
置の概略断面図である。

【００２９】本体チャンバ１の内部には断熱材６で構成
した加熱室が設けられ、抵抗加熱方式のヒータ３によ
り、昇降機構を備えたるつぼ台４に設置したるつぼ８内
の原料を融点以上に加熱できるようになっている。

【００３０】シリコンは溶融すると嵩が減るため、原料
投入管５を設け、原料の追加投入を行ない、湯面高さの
調整ができる構造とされている。

【００３１】回転体２は、図２に示したように１２角柱
型とし、各側面に厚さ５ｍｍの凹の字型をした黒鉛基板
９がボルト１０によって固定されている。回転体２の内
側は回転軸に平行な断面、すなわち、ＩＩＩ−ＩＩＩ線
に沿う断面図である図３と、回転面に垂直な断面図、す
なわち、ＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である図４に示すよ
うに、内側が中空構造となっており、中央に水冷金属体
１３を持ち、外周部は耐火物１１によって覆われた構成
とされる。

【００３２】冷却ガスは、図３中の矢印で示した経路で
ガス導入側配管１４から冷却ガス配管１５へ導入され、
反対側のガス排出側配管１２へと排出される。なお、図
１で示した本体チャンバ１は、図２には示していない
が、外部に、冷却ガスを常温まで冷却する冷却装置を設
けられ、冷却ガスを循環させる構成とされている。

【００３３】図３に示した回転体２の表面の耐火物１
１、黒鉛基板９の素材としては、熱伝導性、耐熱性に優
れた黒鉛製のものを用いたが、融液に対して耐性があれ
ばよい。すなわち、融液と反応などを起こし難い炭化ケ
イ素、石英、窒化ホウ素、アルミナ、酸化ジルコニウム
といった素材のものから、使用する融液によって最適な
ものを選択する。

【００３４】回転体２と黒鉛基板９は同じ材質のものと
したが、十分な熱交換が得られればよく、前述した素材
の中から、異なる材質のものを選び、組合わせて使用し
てもよい。

【００３５】水冷金属体１３は、図４に示したように中
央が空洞で外周部分が二重構造となっており、冷却水配
管１７に冷却水が循環する銅製の水冷ジャケット方式を
使用しているが、材質には銅の他にＳＵＳ等他の金属材
を用いてもよく、冷却方式も水冷ジャケット式のほか
に、水冷パイプを外周面もしくは内周面に巻き付ける方
式を用いてもよい。

【００３６】冷却ガス配管には窒素ガスを循環させた
が、ヘリウム、アルゴンなどの他の不活性ガスを用いて
もよく、アルミニウムなど比較的低融点の他の原料に本
法を適用する場合には、大気をそのまま使用してもよ
い。

【００３７】水冷金属体１３の表面には、図５で示した
ように凸部１６を設けることで、断面図である図４に示
したように、水冷金属体１３と耐火物１１が部分的に接
触する部分が形成され、冷却効率が高められる構造とな
る。

【００３８】

【実施例】上述の薄板作製装置を用いたシリコンシート
の製造プロセスの例を、図１に沿って、以下に説明す
る。

【００３９】本体チャンバ１内を、アルゴンで置換後、
原料投入管５から、るつぼ８にＰ型の比抵抗１〜１０Ω
・ｃｍに調整したシリコンを充填し、約３時間で、融点
よりも約８０℃高い１５００℃まで昇温し、シリコン原
料を完全溶融させて、シリコン湯面が、るつぼ８上端か
ら１０ｍｍ下の位置になるように保持した。この状態
で、設定温度を下げ、融点より３０℃高い一定温度とし
た。

【００４０】温度が安定したところで、回転体２を０．
２ｒｐｍで回転させ、湯面と黒鉛基板９の距離が１０ｍ
ｍの位置になるまで、るつぼ台４を上昇させ、さらに、
温度が平衡状態に達するまで保持後、るつぼ台４をさら
に上昇させ、５ｍｍの厚さの黒鉛基板９を、表面より３
ｍｍ程度、シリコン融液中に浸漬して、シート成長を行
なった。回転体２が１周する直前にるつぼ台４を下降さ
せて、浸漬を中止し、ヒータ３を切り、チャンバ１が放
冷して室温と同じ程度まで下がったところで、得られた
薄板の回収を行なった。

【００４１】上記プロセスにより、シリコン薄板の作製
を行なう前に融液直上に回転体２を保持した状態で、各
冷却条件における黒鉛基板９の表面温度を放射温度計に
より測定した。

【００４２】回転体２に冷却水３０Ｌ／ｍｉｎ流す。こ
の時、冷却ガスを流さない状態では回転体２は、１２０
０±５℃となった。次に回転体２に冷却水を導入せず
に、冷却ガス配管１５に窒素ガスを導入し、ガス冷却の
みを行なった。冷却ガス流量に対し、黒鉛基板９の表面
温度はほぼ比例関係を示したが、本装置の最大流量であ
る８００Ｌ／ｍｉｎ流した場合でも、黒鉛基板９の表面
温度は１３００±５℃となり、冷却水を導入した場合と
比較して、表面温度を低く保つことができない結果とな
った。

【００４３】回転体２に再び冷却水を３０Ｌ／ｍｉｎ導
入し、さらに冷却ガス配管１５に窒素ガスを導入した場
合には、冷却ガス流量１Ｌ／ｍｉｎ当りの熱交換が向上
し、１００Ｌ／ｍｉｎで２００℃、１Ｌ／ｍｉｎ当りに
２℃温度を降下させることができた。

【００４４】冷却ガスのみでは、黒鉛基板９の温度を十
分低く保つことができないため、冷却水・冷却ガスを一
定量導入する条件で薄板作製を行なった。融液温度につ
いては一定値に保つように、ヒータ３の出力を制御して
いるため、融液の温度はほとんど変化しないが、黒鉛基
板９の表面温度は熱交換によって上昇する。

【００４５】浸漬開始面に対し浸漬終了面に取付けた黒
鉛基板９の表面温度は１００℃上昇し、得られたシリコ
ンシートの厚みも表面温度の上昇に伴い薄くなり、成長
面によって２００〜６００μｍと板厚の差が生じた。そ
こで、冷却体表面温度を放射温度計で測定し、常に１２
００±１０℃となるように冷却ガスを変化させながら基
板９の表面温度をコントロールしたところ、黒鉛基板９
に沿った厚さ４００±４０μｍの薄板をどの面にも成長
させることができた。

【００４６】つまり、黒鉛基板９の取付け場所による厚
みのばらつきを±１０％以内に制御することができた。
黒鉛基板９は十分冷却されているため、シリコン融液の
浸透や反応がほとんど起こっておらず、手で軽く触れる
程度の軽いショックで、薄板を黒鉛基板９から剥離し、
回収することができた。

【００４７】回収した薄板を２ｃｍ×２ｃｍ角に切断
し、ＰＮ接合、反射防止膜、電極を形成して太陽電池を
作製し、セル変換効率を測定したところ、変換効率１４
％と従来のキャスト法と同じレベルの高い変換効率を有
する太陽電池を作製することができた。

【００４８】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明によれ
ば、基体表面温度を高精度に制御できるので、良質な半
導体基板を低コストで得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による薄板の作製に用いた装置の概
略図である。

【図２】この発明による薄板の作製に用いた装置の回
転体の周辺の概略図である。

【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図
である。

【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図であ
る。

【図５】この発明による薄板作製に用いた装置の水冷
金属体の外表面の概略図である。

【符号の説明】

１本体チャンバ、２回転体、３ヒータ、４るつ
ぼ台、５原料投入管、６断熱材、７融液、８る
つぼ、９黒鉛基板、１０ボルト、１１耐火物、１
２ガス排出側配管、１３水冷金属体、１４ガス導
入側配管、１５冷却ガス配管、１６凸部、１７冷却
水配管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属あるいは半導体材料の融液を基体表
面で薄板状に固化させる装置において、前記基体の温度制御に冷却媒体として液体と気体を併用
することを特徴とする薄板製造装置。
【請求項２】前記基体は、中空構造の耐火物により構
成され、前記中空内部には、水冷配管を有する金属体が設けら
れ、前記金属体と前記耐火物の内壁との空間には気体が導入
される、請求項１に記載の薄板製造装置。
【請求項３】前記金属体が、前記耐火物の内壁と接触
あるいは近接することで、前記金属体と前記耐火物との
間で熱交換する構造とする、請求項２に記載の薄板製造
装置。
【請求項４】前記気体の流量により、前記金属体と前
記耐火物内壁との熱伝導度を変化させ、基体表面温度を
制御する、請求項２に記載の薄板製造装置。
【請求項５】前記冷却媒体として、前記液体は水、前
記気体は窒素、アルゴン、ヘリウムまたは空気のいずれ
かを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の薄板
製造装置。
【請求項６】前記基体は、前記耐火物とは異なる材質
または前記耐火物と同じ材質であって、前記耐火物とは
分離可能に構成されている、請求項２に記載の薄板製造
装置。
【請求項７】前記基体は回転体である、請求項１から
５のいずれか１項に記載の薄板製造装置。
【請求項８】請求項１から６のいずれか１項に記載し
た薄板製造装置により製造した基板を用いて製造した太
陽電池。