JP4618944B2 - 結晶シートの製造装置、および結晶シートの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属または半導体の融液から直接的に結晶シートを製造する方法およびその製造装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、結晶シート製造工程における液ダレの影響を抑えることにより、低コストの太陽電池用シリコン結晶シートの製造方法に有用な結晶シートを製造する方法およびその製造装置に関する。また、本発明は、前記の製造装置および製造方法を用いて得られる結晶シートおよび太陽電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
第２次世界大戦以降、地球人口の急激な増加、特に発展途上国を中心とした、生活水準、栄養状態、衛生環境、医療水準、などの向上による人***発が大きな問題となっている。１９５０年から１９９０年の４０年間で、地球の人口は２５億人から５３億人に倍増し、このままの人口増加が続けば、２０４０年ごろには地球人口は１００億人に達すると推測されている。
【０００３】
この間に人類が消費するエネルギーは等比級数的に増加し、最近は石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料がその主な担い手となっている。しかし、これらの化石燃料には大きな二つの問題がある。一つは資源の枯渇、もう一つは燃焼排ガスによる地球環境問題である。これらの問題を同時に解決する有力な手段として、太陽エネルギーの活用があり、太陽電池を用いた太陽光発電システムが期待されている。
【０００４】
太陽電池は太陽光を直接電気に変えるものである。したがって、半永久的に無尽蔵な太陽光をエネルギー源として使用できる。しかも、石油をはじめとする化石燃料のように燃焼により炭酸ガスを発生して地球温暖化の原因となることもなく、クリーンで地球に優しい技術である。
【０００５】
太陽電池の歴史は、１９６０年代ごろより始まったが、この技術が注目されたのは１９７３年の第１次オイルショックからである。これを契機に資源には限りがあるという認識が高まり、代替エネルギー源の開発競争が世界規模で行われ始めた。
【０００６】
日本では、１９７３年のオイルショック以来、低コスト太陽電池の開発をテーマに国家プロジェクトが組まれ、開発が推進された。これが、いわゆるサンシャイン計画である。この計画では、２０００年における発電コストを１００〜１７０円／Ｗにすることが目標として設定され、サンシャイン計画に参加した多くの企業ならびに研究機関により、目標達成に向け多大な努力が行われた。その結果、当初は数万円／Ｗであったものが、現在は１，０００円／Ｗ程度にまで低減されている。
【０００７】
その成果を生かし、太陽電池の実用化は急速に拡大しており、現在では、太陽電池は、主に時計や電卓をはじめとするエレクトロニクス製品などに組み込まれて利用されている。しかし、現在の発電コスト、製造コストでは、太陽電池を代替エネルギー源として本格的に活用することができる水準ではない。
【０００８】
太陽電池の発電コスト、製造コストが未だ高止まりしている原因としては、太陽電池に用いられる材料の価格の高さ、特に、発電を行なう中核部品となる太陽電池素子の価格の高さが上げられる。
【０００９】
ここで、太陽電池素子を構成する材料としては、主に、シリコンが用いられており、大きく分けて、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンがある。
【００１０】
現在も、太陽電池素子の発電効率を高めるための努力は続いているが、太陽電池の発電コスト、製造コストを低減するためには、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコンからなるシリコン結晶シートの効率的な製造方法を開発し、製造コストを低減することも同じく重要な課題である。
【００１１】
従来、シリコン結晶シートは、チョコラルスキー法またはキャスティング法により作製したインゴットからワイヤーソーなどによりスライスして製造されていた。しかし、これらの製造方法においては、インゴットに切断、研磨などの加工を施してシリコン結晶シートを製造するため、工程の歩留りが非常に低いという欠点があった。そこで、スライス工程を不要とし、加工による歩留りロスを少なくするため、リボン状のシリコン結晶シートの製造方法（シリコンリボン法）が盛んに研究され、数多くの方法が提案されてきた。
【００１２】
その中で、製造速度が３０ｍ／秒という大きい利点を有する例として、特開昭５５−１３６５４８号公報では、単ロールにノズルから溶融シリコンを吹き付けシリコンリボンを製造する方法が知られている。しかし、この方法は冷却速度が大きいため結晶粒径が２０〜３０μｍと小さくなり、光から電気への変換効率が低いという欠点がある。この方法のもう一つの欠点は、溶融シリコンと製造したリボンの組成がほぼ同じであり、凝固に伴う精製効果が利用できないことである。
【００１３】
そこで、前記の問題を解決するため、凝固時の精製効果を利用でき、結晶粒径の大きなシリコン結晶シートを製造することのできるシリコンリボン法として、特開昭６１−２７５１１９号公報、特開平１０−２９８９５号公報に示されるように、円筒状の回転冷却体の円筒面の一部を溶融シリコン中に浸漬し、この回転冷却体を回転させながらその円筒面に生成するシリコン結晶シートを引き出すことを特徴とする、シリコンリボン製造法が開発されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、円筒形状の回転冷却体を利用する方法では、円筒の外側を覆うようにシリコンが凝固成長するため、成長したシリコン結晶シートは円筒に沿った曲率を持ち、曲がった形状となる。このため、シリコン結晶シートを太陽電池基板として使用する際には、電極のスクリーン印刷、ラミネート、真空チャックなどの、基板が平らであることが要求される工程で不都合が生じる。また、従来の基板トレイなども平坦な形状の基板を想定しているために従来の基板トレイを使用できないという問題があった。そのため、得られたシリコン結晶シートのセル化が困難であり、曲率を除去するための高コストのプロセスを併せて用いねばならなかった。また、成長したシリコン結晶シートの形状自体が反っているために、連続して一定方向に引き出すことが困難であるという問題があった。これらの理由から、シリコン結晶シートの表面に曲率があることが、シリコン結晶シートの製造コストをさらに低減する上で妨げとなっている。
【００１５】
上記の現状に基づき、本発明の課題は、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を持つ結晶シートを、効率的に連続して低コストで製造し得る、製造装置を提供することである。
【００１６】
また、本発明の他の課題は、前記の製造装置を用いた、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を持つ結晶シートの、効率的で、連続的で、低コストな、製造方法を提供することである。
【００１７】
さらに、本発明の別の課題は、前記の製造方法により製造された、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を持つ安価な結晶シート、を提供することである。
【００１８】
そして、本発明のもう一つの課題は、前記の結晶シートを用いた、安価で高性能な太陽電池を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決するには、回転機構を有する冷却体の外周に沿って平坦な基板を配設すればよいとの着想を得、鋭意検討を重ねた結果、特定の形状の基板を特定の配設方法で配設した製造装置を用いることにより、曲率の発生と液ダレの発生を同時に防ぐことができ、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【００２０】
すなわち、本発明の結晶シートの製造装置は、回転機構を有する冷却体と、冷却体の外周に配設された、結晶シートが形成されるべき主表面を有する基板と、半導体あるいは金属の融液槽と、を備えた、結晶シートの製造装置であって、基板を半導体あるいは金属の融液から引き上げる際、基板主表面と融液表面との交線が次第に短くなりながら、基板が融液から離れるように、基板を配設したことを特徴とする。
【００２１】
ここで、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面と融液表面との最終接触領域が１点の状態となるように基板を配設することが好ましい。また、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面と融液表面との最終接触領域に液ダレを集めるための凸領域を設けた基板を有することも好ましい。
【００２２】
そして、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面の輪郭が多角形であることが好ましい。また、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面の輪郭が四角形であることも好ましい。
【００２３】
また、前記の結晶シートの製造装置においては、基板を複数配設したことが好ましい。そして、前記の結晶シートの製造装置においては、隣接する基板の主表面輪郭同士が一点で接触するように基板を配設することが好ましい。さらに、前記の結晶シートの製造装置においては、隣接する基板の主表面輪郭同士がある一定の長さを持って接触するように基板を配設することも好ましい。
【００２４】
それから、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面は完全な平面であることが好ましい。また、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面に凹凸が形成されていることも好ましい。
【００２５】
さらに、前記の結晶シートの製造装置においては、基板主表面から結晶シートを剥離する剥離手段を備えていることが好ましい。
【００２６】
また、本発明は、冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中に浸漬させ、基板上に結晶シートを凝固させる工程と、冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中から引き上げ、基板上から結晶シートを剥離する工程と、からなる、前記の製造装置を用いた結晶シートの製造方法を含む。ここで、前記の結晶シートの製造方法においては、半導体あるいは金属の融液として、シリコンの融液を好適に使用可能である。
【００２７】
さらに、本発明は、前記の結晶シートの製造方法を用いて製造された、結晶シートを含む。そして、本発明は、前記の結晶シートを用いた、太陽電池を含む。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を示して本発明をより詳細に説明する。
【００２９】
＜本発明と同一の出願人による別発明＞
ここで、上記に述べた課題のうち、曲率を持たない表面を持つ結晶シートを製造し得る、製造装置あるいは製造方法の提供を課題とする発明としては、特願２０００−３７１１４７に記載の発明（以下、別発明１という）、特願２０００−３６９８４６に記載の発明（以下、別発明２という）、特願２００１−１８７７４７に記載の発明（以下、別発明３という）などが本発明と同一の出願人により、既に出願されている。
【００３０】
本発明の製造装置および製造方法は、これらの発明に記載の製造装置あるいは製造方法と一部共通する部分がある。そこで、本発明の理解を容易にするために、まず、これらの発明について説明する。
【００３１】
≪別発明の製造装置の説明≫
ここでは、別発明１、別発明２、別発明３について、詳細には述べず、その製造装置の共通する構造について述べることとする。
【００３２】
前記の別発明の製造装置に共通する基本的な構造について、詳細に説明するため、図１を用いる。図１に描かれる装置は、前記の別発明の製造装置に共通する技術思想に基づいて設計された製造装置の基本的な構造を示す一例である。本来は、装置の構造の詳細な部分は、別発明１、別発明２、別発明３においてそれぞれ異なるが、ここでは単純化して示している。
【００３３】
図１に描かれる装置は、回転機構を有する冷却体（以下、単に回転冷却体という）１、回転軸２、冷却体の外周に配設された、結晶シートが形成されるべき主表面を有する基板（以下、単に基板という）３、半導体あるいは金属の融液槽（以下、単に融液槽という）４、融液槽内に存在する半導体あるいは金属の融液５、融液槽昇降台６、半導体あるいは金属を溶解させるための加熱装置（以下、単に加熱装置という）７、剥離機構８、からなる。
【００３４】
図２には、図１に描かれる装置のうち、回転冷却体１、回転軸２、基板３の配設を拡大して示す。本来は、基板３の形状および配設方法は、別発明１、別発明２、別発明３においてそれぞれ異なるが、ここでは単純化して示している。
【００３５】
≪別発明の製造方法の説明≫
ここでは、別発明１、別発明２、別発明３について、詳細には述べず、その製造方法の共通する技術思想の有する特徴について述べることとする。本来は、製造方法の詳細な工程は、別発明１、別発明２、別発明３においてそれぞれ異なるが、ここでは単純化して示している。
【００３６】
別発明の製造方法は、回転冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中に浸漬させ、基板上に結晶シートを凝固させる工程と、回転冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中から引き上げ、基板上から結晶シートを剥離する工程と、からなる。
【００３７】
≪別発明における未解決の課題の説明≫
別発明の製造装置において得られる結晶シートは、従来公知の回転冷却体を用いた結晶シート製造装置で得られる結晶シートと異なり、表面に曲率を持たない。そのため、曲率を取り除くための高コストプロセスを必要とせず、従来公知の製造方法に比べ低コストでの製造が可能である。
【００３８】
しかし、別発明の製造装置における基板の配設方法では、図３に示すように、金属あるいは半導体の融液５に基板３を浸漬させ、基板上に結晶シートを凝固させた後、基板を融液中から引き出す際に、融液の表面張力により、基板３上に融液が残り、それが液ダレ１０となり結晶シート上に残ってしまう。そして、そのまま冷却されるため結晶シートの端部に突起ができる。このため結晶シートの平滑性は損なわれ、もしこの結晶シートを用い太陽電池を作製しようとすれば、突起を除去するため、別途に機械的な研磨、切断などが必要となる。
【００３９】
ここで、別発明１においては、液ダレを防ぐための基板の形状あるいは配設方法の工夫は特に行なわれていない。しかし、別発明２においては、基板主表面に周縁Ｖ溝を設けることにより、バリやタレなどによる品質および外観の低下を排除するための工夫をしている。前記の工夫により、別発明２においては、基板上のバリやタレが著しく減少し、製造コストの大幅低減に成功したが、周縁Ｖ溝の外側に商品価値のない結晶シートが残存するため、これら周縁Ｖ溝の外側の結晶シートの製造コスト分だけ、未だ製造コストの削減余地があることになる。
【００４０】
また、別発明３においては、基板の主表面が全体的に同じ浸漬深さで融液中に浸漬するような工夫をしている。しかし、前記の工夫によっても、やはり液ダレの発生による結晶シート端部の突起の生成は防ぎ得ない。
【００４１】
よって、このような基板の配設方法を有する、別発明の製造装置において得られる結晶シートは、表面に曲率を持たないという点では、従来公知の回転冷却体を用いた製造装置で得られる結晶シートに比べ十分に優れていると言えるが、液ダレを防ぎ、さらに製造コストを低減するためのさらなる改善が必要なこともまた事実である。
【００４２】
＜本発明の説明＞
そこで、本発明では、基板３の形状あるいは配設方法に工夫を凝らして、液ダレの発生を防ぎ、端部に突起をもたない平坦かつ平滑な結晶シートをさらに低コストで製造することを可能ならしめるものである。
【００４３】
以下、本発明の結晶シートの製造装置、結晶シートの製造方法、それを用いて得られる結晶シートおよび太陽電池について詳細に説明する。
【００４４】
≪本発明の製造装置の説明≫
本発明においても、基板の配設方法を除く、製造装置の構造は、図１に示される製造装置と同様である。そこで、本発明の製造装置を詳細に説明するにあたっても、図１を用いることとする。図１に描かれる装置は、本発明の製造装置の基本的な構造を示す一例である。なお、本願の各図において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わしているものとする。
【００４５】
すなわち、図１に示すように、本発明の製造装置は、回転冷却体１、回転軸２、基板３、融液槽４、融液槽内に存在する半導体あるいは金属の融液５、融液槽昇降台６、加熱装置７、剥離機構８、からなる。
【００４６】
［回転冷却体の説明］
まず、回転冷却体１について説明する。図８は回転冷却体１の代表的な一例を示す略断面図である。回転冷却体１は、中空のドラム形状の内部冷却体（以下、単に内部冷却体という）１１の外側に、表面部材１５を取り付け、さらに、表面部材１５の外周に配設された基板３ａ，３ｂなどを有する。回転冷却体１の中心には、冷却ノズル１３ａ，１３ｂがあり、窒素などの冷却ガスまたは水などの冷却液からなる冷媒が流される。両端にはフランジ１２ａ，１２ｂがあり、回転軸２に接続している。
【００４７】
回転冷却体の形状としては、図１に示されるような８角柱に限定されるものではなく、回転機構を有しており、配設した基板が順次融液に浸漬する構造であればよい。たとえば、６角柱、１２角柱などの多角柱あるいは円柱などの形状の回転冷却体を好適に使用可能である。
【００４８】
ここで、内部水冷体１１の素材としては、特に限定されず、一定の強度を有し、熱伝導性がよい素材を用いることができる。具体的には、鉄、ステンレス、銅などが好適に用いられる。
【００４９】
また、回転冷却体１の表面部材１５の素材としては、特に限定されず、熱伝導性、耐熱性に優れ、融液に対して耐性が有ればよい。具体的には、融液と反応などを起こしにくい窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、石英、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、黒鉛といった材質を、使用する融液に応じて適したものを選択すればよい。特に、シリコン融液は高温であり、反応性に富むため、部材の選択は極めて難しく、熱伝導率、コスト、加工性などの多くの観点から、いずれの部材にも黒鉛が極めて優れている。黒鉛としては、高密度グラファイト（東洋炭素ＩＧ−１１０）などが好適に用いられる。
【００５０】
回転冷却体１の側面は、内部冷却体１１と表面部材１５の間に隙間１７を設け、側面凝固を起こさせない構造とすることが好ましい。隙間１７の内部は空洞になっていてもよいし、断熱性物質を詰めてもよい。
【００５１】
冷却ノズル１３ａ，１３ｂ、およびフランジ１２ａ，１２ｂの素材は、特に限定されるものではなく、一定の強度および耐久性を有する素材を用いることができるが、ステンレス素材でできたものを好適に用いることができる。
【００５２】
［基板の説明］
次に、基板３の材質について説明する。基板３の材質としては、特に限定されず、熱伝導性、耐熱性に優れ、融液に対して耐性が有ればよい。具体的には、融液と反応などを起こしにくい窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、石英、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、黒鉛といった材質を、使用する融液に応じて適したものを選択すればよい。特に、シリコン融液は高温であり、反応性に富むため、部材の選択は極めて難しく、熱伝導率、コスト、加工性などの多くの観点から、いずれの部材にも黒鉛が極めて優れている。黒鉛としては、高密度グラファイト（東洋炭素ＩＧ−１１０）などが好適に用いられる。すなわち、基板３の材質については、工業的に低コストかどうか、成長する結晶シートの品質、特性などを考慮して選択され、成長する結晶シートの組成と基板３の材質の幅広い組み合わせが可能である。
【００５３】
ここで、太陽電池用シリコン結晶シートを製造する場合には、窒化ホウ素、炭化ホウ素などを用いることにより、生成するシリコン結晶シート中にホウ素が微量に含有され、Ｐ型太陽電池に使用する際に特に有利となる。
【００５４】
［その他の構成要素の説明］
また、本発明の製造装置は、融液槽４を備えている必要がある。融液槽４は、回転冷却体１、基板３と同様に高温下での耐久性が要求されるため、通常は回転冷却体１、基板３と同様の材質を用いることが好ましい。具体的には、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ホウ素、石英、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、黒鉛、などの耐熱性に優れた材質を好適に使用可能である。
【００５５】
さらに、本発明の製造装置を用いて結晶シートを製造するには、融液槽４内に、融液５が存在している必要がある。融液５として好適に使用可能な金属および半導体としては、特に限定されるものではないが、たとえば、シリコン（Ｓｉ）以外に、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、などを主成分とするものを使用可能である。なお、これらの金属および半導体は、一種あるいは二種以上を同時に使用可能である。
【００５６】
そして、本発明の製造装置の融液槽４には融液槽昇降台６が備えられていることが望ましい。その理由は、基板３の主表面で結晶シートを成長させるには、常に回転冷却体１が融液５に対して同じ深さで浸漬していることが必要だからである。このような融液槽昇降台６によって、融液槽４を昇降させて浸漬時の深さを一定に保つことができる。これは、原料融液または原料粉末などを融液５に順次追加していくことによっても実現できる。このような装置構成とすることで、連続的に結晶シートを製造することが可能となる。融液槽昇降台６としては、融液槽を支えるだけの強度と、高さ調節機能があればよく、高さの自動調節機能があればなおよい。
【００５７】
また、本発明の製造装置には、温度分布を精度よく制御するために、複数の加熱装置を設置することが望ましい。加熱装置を設けることにより、融液槽４内の融液５の温度分布を精度よく制御することができ、より再現性よく結晶シートを製造することが可能となる。加熱装置７の取り付け位置は、融液槽４の側面であってもよく、底面であってもよい。加熱装置７としては、高周波加熱コイルなどを好適に用いることができる。なお、回転冷却体１が融液５に接した際には、急激に融液５の温度が下がるため、融液５の温度が凝固点近傍であると回転冷却体１の浸漬時に融液５が凝固してしまうことがある。そのため、融液５の温度はその融点より数十度以上高いことが望ましい。
【００５８】
また、本発明の製造装置には、生産性の面などから剥離機構８を設けることが望ましい。剥離機構８としては、真空チャッキングなどの従来公知の回収冶具を用いることができる。剥離機構８は、回転冷却体１の回転を止めてから剥離および回収を行なう機構であってもよいが、生産性を考慮すると、回転冷却体が回転している状態で連続的に剥離および回収ができる機構が好ましい。
【００５９】
また、本発明の製造装置は、製造される結晶シートの品質劣化を避けるため、密閉可能なチャンバ（図示せず）内に設置されていることが望ましい。この場合、結晶シートの製造開始前には、チャンバ内を排気して真空にした後に不活性ガスをチャンバ内に充填してガスの置換を行なう。その場合の不活性ガスには、融液５と反応しないという条件が必要であり、アルゴンやヘリウムなどを用いることができるが、コストの面において、アルゴンがより望ましい。
【００６０】
≪結晶シートの成長機構≫
ここで、本発明の製造装置においては、いずれの金属あるいは半導体の融液５を用いる場合でも、その融点よりも融液が十分に過冷却となって基板３主表面に初晶が生成されるよう基板３主表面の温度を制御することで、結晶シートを製造することが可能となる。
【００６１】
たとえば、基板３の材質として耐熱性の黒鉛を用い、金属あるいは半導体の融液５としてシリコン融液を用いた場合には、基板３主表面の温度が十分に低くない場合には、シリコン融液が燒結体である黒鉛の気孔に浸透し、あるいは基板３主表面がシリコン融液と化学反応を起こして強固なＳｉＣ層を形成する。その結果、基板３主表面とシリコン層が浸漬したＳｉあるいはＳｉＣによって強固に結合するため、基板３主表面にシリコン層が固着する。そのため、得られたシリコン結晶シートを剥離、回収することが困難となる。
【００６２】
これに対し、基板３主表面をシリコンの融点よりもさらに２００℃程度低い温度まで冷却している場合には、シリコン融液が黒鉛に浸透する前に凝固して基板３主表面がシリコン層で覆われる。その後、さらにシリコン層の厚みを増加するようにシリコンが成長する。次に、基板３が融液より引き上げられた際には、急速にシリコン層の温度低下が進行する。シリコンの場合、温度５００℃程度まで冷却されると黒鉛との熱膨張係数の差により機械的な力をほとんど加えることなしにシリコン層は基板から剥離して板状のシリコン結晶シートを回収することができる。
【００６３】
≪基板の基本的形状および枚数≫
次に、基板の基本的形状および枚数について説明する。
【００６４】
基板３の形状は、特に限定されず、形状が全体として平坦であればよく、結晶シートが形成されるべき主表面を有していればよい。基板３の主表面の輪郭としては、曲線を含んでいてもよい。ただし、生産性および製造される結晶シートの利用価値を考慮すれば、基板３の主表面の輪郭は、多角形であることが好ましく、四角形であればさらに好ましく、長方形または正方形であることが最も好ましい。
【００６５】
基板３の主表面は、完全な平面であってもよいが、平坦な主表面に凹凸部が形成されたものでもよい。凸部は点状または線状あるいは台形状であってもよい。基板３の主表面に凹凸部を設けることで、結晶シートの主表面で結晶核の発生する起点を容易に制御することが可能となる。基板３の主表面が完全な平面であると、結晶核の起点を制御するのが困難なために、他の成長条件（たとえば設定温度、冷却速度など）で結晶核の起点を制御する必要がある。再現性という観点からは、凸部を設けることで、結晶成長の制御が非常に容易となる。これは、基板３の主表面が完全な平面であると、結晶核が発生する位置が不規則であるためデンドライト成長が支配的となり、成長する結晶シートの凹凸が大きくなる傾向があるためである。線状の凸部や点状の凸部あるいは台形状の凸部を形成することで、デンドライト成長を抑制できるようになり、平滑性が良好となる。さらには、得られる結晶シートと基板３主表面とが線接触または点接触あるいは限られた面接触をすることにより、剥離性が向上する。
【００６６】
また、冷却体の外周に沿って配設される基板の枚数は、特に限定されず、一枚または二枚以上であってよい。ただし、生産性を考慮すれば、複数枚であることが好ましく、結晶シートの品質に影響を与えない範囲で最大限の枚数であればさらに好ましい。
【００６７】
また、回転冷却体１が多角柱の形状の場合には、平坦な形状の基板３は、回転冷却体１に面接触するため、回転冷却体１と基板３の接触面積が広くなる。その結果、基板の冷却効率を高めることができる。
【００６８】
さらに、回転冷却体１と基板３の接触面に凹凸構造を設けることにより、回転冷却体１と基板３が凹凸形状で嵌合し会う構造とすることにより、平面接触の場合よりも接触面積が増え、冷却効率をさらに高めることができる。
【００６９】
≪基板の基本的な配設方法≫
ここで、液ダレを防ぐための基板の形状あるいは配設方法について、特に工夫を行なわない場合には、前記の別発明の場合において述べたように、液ダレの問題が生じる。つまり、図３に示すように、金属あるいは半導体の融液５に基板３を浸漬させ、基板上に結晶シート９を凝固させた後、基板３を融液５中から引き出す際に、融液の表面張力により、基板３上に融液が残り、それが液ダレ１０となり結晶シート９上に残ってしまう。そして、そのまま冷却されるため結晶シート９の端部に突起ができる。このため結晶シートの平滑性は損なわれ、もしこの結晶シートを用い太陽電池を作製しようとすれば、突起を除去するため、別途に機械的な研磨、切断などが必要となる。
【００７０】
前記の液ダレにより生じる、結晶シート端部の突起は、基板が融液から引き出される際の基板主表面と融液表面の最終接触領域（以下、単に最終接触領域という）が大きければ融液の表面張力により基板上に残る融液量も増えるため、突起の領域も大きくなる。すなわち、結晶シート端部の突起の生成を防ぐためには、最終接触領域を可能な限り小さくし、表面張力による液ダレを少なくすることが重要である。
【００７１】
このため、基板の取付けを、基板を融液から引き上げる際、基板主表面と融液表面との交線が次第に短くなりながら、基板が融液から離れるように、基板を配設することが効果的である。このようにすることにより、最終接触領域が小さくなるため、液ダレを低減し、平滑な結晶シートを得ることが可能となる。
【００７２】
具体的には、図４に示すように、最終接触領域が一点となるように、基板３Ａを回転冷却体１の外周に配設することが効果的である。このように配設することにより、最終接触領域が線から点となるため、液ダレを最小限とし、より平滑な結晶シートを得ることが可能となる。
【００７３】
また、この場合、基板３Ａの形状については、最終接触領域を切欠形状、あるいは円弧形状としてもよい。なぜなら、融液の表面張力によって、基板３Ａと融液５とは最終接触領域で実効的には一点で離れるため、同様の効果を得ることができるからである。
【００７４】
≪基板のさらに改善された配設方法≫
また、結晶シート上の突起を低減するための別の対策としては、隣接して配設された基板の主表面輪郭同士が一点で接触するように配設する方法がある。このように配設することにより、基板上に残った融液が凝固する前に融液状態で次の基板へと移動するため、結晶シートの突起が小さくなることが確認されている。
【００７５】
このため、図５のように、最終接触領域が一点となるように取り付けられた基板３Ｂを、隣接して配設された基板の主表面輪郭同士が一点で接触するように配設することが効果的である。このようにすることにより、基板３Ｂ上に残った融液が隣接した基板に移動し、液ダレが低減し、さらに平滑な結晶シートを得ることができる。
【００７６】
さらに、結晶シート上の突起を低減するための他の対策としては、隣接して配設された基板間の主表面輪郭同士がある一定の長さを持って接触するように配設する方法がある。このように配設することによっても、基板上に残った融液が凝固する前に融液状態で次の基板へと移動するため、結晶シートの突起が小さくなることが確認されている。
【００７７】
このため、図６のように、最終接触領域が一点となるように取り付けられた基板３Ｃを、隣接して配設された基板間の主表面輪郭同士がある一定の長さを持って接触するように配設することが効果的である。このようにすることにより、基板３Ｃ上に残った融液が隣接した基板に移動し、液ダレが低減し、より一層平滑な結晶シートを得ることができる。
【００７８】
≪最終接触領域の形状変更方法≫
上記の方法により、基板上に残る液ダレを最小限としても、結晶シートには若干突起が残る場合がある。この場合にも機械的な研磨、切断が必要となるが、低コスト化を考慮した場合この研磨、切断をできる限り少なくする必要がある。
【００７９】
ここで、図７に示すように、最終接触領域にあらかじめ液ダレを集めるための凸領域（以下、末端受皿領域という）１８を別に設けた基板３Ｄを回転冷却体１の外周に配設することが有効である。なぜなら、結晶シートを作製後に凸領域のみを簡単な方法を用いて切断することにより、容易に平滑な結晶シートを得ることができるからである。
【００８０】
また、別発明についての説明で述べたような、基板の配設方法、最終接触領域の形状、などになんらの工夫を施さない基板の配設方法を有する結晶シートの製造装置を用いて製造された結晶シートでは、突起切断を考慮し、得ようとするシートサイズより大きくシートを作製する必要があるため、材料ロスが多くなる。しかし、基板３Ｄのように末端受皿領域１８を設ければ、目的のシートサイズにて製造し、最小限の材料を切断するため材料ロスが少なくて済む。
【００８１】
これらの基板の配設方法、あるいは、基板に末端受皿領域１８を設ける方法、を用いることにより、より一層平滑な半導体あるいは金属の結晶シートを得ることが可能となり、低コストなウエハを提供することができる。
【００８２】
＜結晶シートの製造方法の説明＞
次に、本発明の結晶シートの製造方法（以下、本発明の製造方法という）について説明する。
【００８３】
本発明の製造方法において原材料として用いる半導体あるいは金属（以下、単に原材料という）の種類は、特に限定されず、たとえば、シリコン（Ｓｉ）以外に、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ガリウム（Ｇａ）、砒素（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、などを主成分とするものを使用可能である。
【００８４】
なお、これらの原材料は、一種あるいは二種以上を同時に使用可能である。また、これらの原材料は、融液槽の中で溶融して融液としてもよく、予め溶融した融液を融液槽の中に入れてもよい。さらに、原材料としてシリコンを用いる場合には、高純度多結晶シリコン原料が好ましく、純度は９９．９９９９９９９９９％以上であればさらに好ましい。
【００８５】
本発明の製造方法は、いずれの製造方法においても、製造方法を構成するステップが、冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中に浸漬させ、基板上に結晶シートを凝固させるステップと、冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中から引き上げ、基板上から結晶シートを剥離するステップと、からなるという点においては共通する。
【００８６】
しかし、本発明の製造方法においては、用いる原材料の種類、あるいは製造する結晶シートの品質および特性により、融液の温度、基板主表面の温度、回転冷却体の温度、回転冷却体の回転速度、などの条件は異なってくる。
【００８７】
ここでは、結晶シートを製造する場合の製造工程について、用いる原材料の種類、あるいは製造する結晶シートの品質および特性によらず、共通する面を有する一例を用いて説明する。説明に用いる製造装置としては、代表例として、図４に示すように配設された基板を有し、図８に示す構造の回転冷却体を有する、図１に示す製造装置を採用する。
【００８８】
以下、本発明の製造方法の一例について順を追って説明する。
まず、原材料を融液槽４の中に投入し、チャンバ（図示せず）内を減圧する。次に、チャンバ内に不活性ガスを導入して常圧にし、以後、一定の流量でチャンバ内に不活性ガスを流しつづける。
【００８９】
続いて、加熱装置７を用いてチャンバ内を原材料の融点以上に昇温して、原材料を完全に溶融する。さらに新たに原材料を投入して融液５の表面位置を所定の位置に設定する。このとき、パイロメータまたは熱電対などの温度計により融液の温度を測定して、しばらくの間融液５の温度を原材料の融点よりも高く保持し、チャンバ内部および融液５の温度が安定するまで待つ。融液５の温度が低すぎると、原材料の溶融が十分でない場合があるため、原材料の融点よりも数十度以上高いことが望ましい。
【００９０】
次に、回転冷却体１を一定の速度で回転させながら、回転冷却体１の内部冷却体１１に冷媒１６として一定の温度の冷水を一定の流量で導入し、内部から回転冷却体１および基板３Ａを冷却する。その後、融液槽昇降台６を用いて融液槽４を徐々に上昇させて回転冷却体１を融液５に浸漬し、基板３Ａの主表面に結晶シートを成長させる。このとき、基板３Ａ主表面の融液内での温度が一定に保たれるように、冷媒の温度、流量を調整する。そして、基板３Ａ主表面に成長した結晶シートを、剥離機構８を用いて剥離、回収して結晶シートを得る。
【００９１】
＜太陽電池の説明＞
次に、本発明の製造方法を用いて製造された結晶シートを用いた太陽電池（以下、本発明の太陽電池という）について説明する。
【００９２】
本発明の太陽電池の製造方法は、特に限定されず、結晶シートから太陽電池を製造する従来公知の方法を用いることができる。また、製造される太陽電池は、ｐｎ接合型であってもよく、または、ｐｉｎ接合型、へテロ接合型、金属−半導体接触型であっても、多重接合型であってもよい。
【００９３】
ここで、一例として、ボロンなどのドーパントが添加されたシリコン結晶シートからｐｎ接合型太陽電池を製造する具体的なプロセスを示す。まず、本発明の製造方法を用いて得られたシリコン結晶シートの末端の突起をＹＡＧレーザーを用いて切断し、シリコン結晶シートを洗浄する。続いて、シリコン結晶シートをアルカリエッチングし、シリコン結晶シートにｎ⁺層を拡散して形成する。それから、シリコン結晶シートの表面に反射防止膜を形成し、シリコン結晶シートの裏面をエッチングする。さらに、シリコン結晶シートの裏面にアルミニウムペーストを印刷した後焼成し、受光面には銀ペーストを印刷した後焼成し、ｐｎ接合型太陽電池を製造する。
【００９４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００９５】
＜比較例１＞
まず、基板の配設方法、最終接触領域の形状、などになんらの工夫を施さない基板の配設方法を有する結晶シートの製造装置を用いて製造された結晶シートを得るため、比較例１に示す実験を行なった。
【００９６】
本比較例における結晶シート製造装置としては、図１に示すように回転冷却体１、回転軸２、基板３、融液槽４、融液５、融液槽昇降台６、加熱装置７、剥離機構８で構成されている製造装置を用いた。本比較例では、基板３の形状を一辺が７５ｍｍの四角形とし、材質には黒鉛を使用した。
【００９７】
融液５には比抵抗が２Ω・ｃｍとなるようにボロンの濃度を調製したシリコン融液を使用し、また回転冷却体は水冷された銅製のドラムを用いた。この装置において、図２に示すように回転冷却体１、回転軸２、基板３を融液５から引き上げる際、基板と融液との最終接触領域が１辺の状態となるように配設した。前記の構成部品は、本発明の製造装置のチャンバの外壁内に収納されており、装置外壁内は不活性ガス雰囲気に保持されている。本装置を用いて、以下の製造方法により、シリコン結晶シートを製造した。
【００９８】
装置外壁内をアルゴン置換後、融液槽４に原料であるシリコンを投入し、加熱装置７にてシリコンの融点（約１４２０℃）よりも高い１５００℃に加熱することによりシリコンを溶融した。シリコン溶融後、融液槽昇降台６を基板３が５ｍｍ融液に浸漬する位置まで上昇させ、その状態にて回転冷却体１を一定速度にて１回転させることにより基板上に結晶シートを凝固させた。その後、融液槽昇降台６を下降させ、加熱装置を切り、装置が室温まで下がったところで剥離機構８を用いてシートを回収した。
【００９９】
回収されたシリコン結晶シートを確認したところ、シリコン結晶シートの表面の曲率は０であった。しかし、シリコン結晶シートの表面を目視により観察したところ、液ダレによる突起が最終接触領域である一辺に沿って存在していることがわかった。ただし、その他の部分は非常に平滑であった。
【０１００】
ここで、本発明において、シリコン結晶シートの曲率は、段差計を用いて、結晶シート表裏の両面をそれぞれ縦方向、横方向に１ラインずつ計測し、そのデータから求めた。
【０１０１】
＜実施例１＞
本実施例の製造装置と比較例１の製造装置の異なる点は、図４に示すように回転冷却体１、回転軸２、基板３Ａを融液５から引き上げる際、最終接触領域が１点の状態となるように基板３Ａを配設したことである。
【０１０２】
本実施例の製造装置を用い、比較例１と同様のプロセスでシリコン結晶シートを製造し、回収されたシリコン結晶シートを確認したところ、シリコン結晶シートの表面の曲率は０であった。また、シリコン結晶シートの表面を目視により観察したところ、液ダレによる突起が最終接触領域の一点のみであり、その突起も非常に小さな平滑なシートであった。
【０１０３】
また、本実施例において、基板３Ａの形状において、最終接触領域である基板３の主表面の輪郭の頂点を、０．１〜１０ｍｍの切欠形状、あるいは円弧形状にした場合においても、融液５の表面張力によって、基板３Ａと融液５は実効的には最終接触領域の一点で離れるため、同様の効果を得ることができることを併せて確認した。
【０１０４】
＜実施例２＞
本実施例の製造装置と比較例１の製造装置の異なる点は、図５に示すように回転冷却体１、回転軸２、基板３Ｂを融液から引き上げる際、隣接する基板３Ｂの主表面の輪郭同士が一点で接触するように基板３Ｂを配設したことである。
【０１０５】
本実施例の製造装置を用い、比較例１と同様のプロセスでシリコン結晶シートを製造し、回収されたシリコン結晶シートを確認したところ、シリコン結晶シートの表面の曲率は０であった。また、浸漬中に基板３Ｂ上の融液が凝固する様子を目視にて観察したところ、基板の項点に液ダレはほとんど確認されなかった。さらに、回収したシリコン結晶シートの表面を目視にて観察した結果、実施例１によって得られたシリコン結晶シートよりも突起高さが１〜２割しかない非常に平滑なシリコン結晶シートであることが確認できた。
【０１０６】
＜実施例３＞
本実施例の製造装置と比較例１の製造装置の異なる点は、図６に示すように回転冷却体１、回転軸２、基板３Ｃを融液から引き上げる際、隣接する基板３Ｃの主表面の輪郭同士がある一定の長さを持って接触するように基板３Ｃを配設したことである。このように配設することにより実施例２に比べ同じ直径の冷却体に約２倍の数の基板を取り付けることができ、シリコン結晶シート製造の効率が良くなった。本実施例では回転冷却体１の幅が比較例１と同じものを用いているが、この幅を広げることにより、より多くの基板を取り付けることが可能となり製造効率がさらに高くなる。
【０１０７】
本実施例の製造装置を用い、比較例１と同様のプロセスでシリコン結晶シートを製造し、回収されたシリコン結晶シートを確認したところ、シリコン結晶シートの表面の曲率は０であった。また、浸漬中に基板３Ｃ上の融液が凝固する様子を目視にて観察したところ、基板３Ｃの項点に液ダレはほとんど確認されなかった。さらに、回収したシリコン結晶シートの表面を目視にて観察した結果、実施例２と同様の非常に平滑なシリコン結晶シートを得る事ができた。
【０１０８】
＜実施例４＞
本実施例の製造装置と比較例１の製造装置の異なる点は、図７に示すように最終接触領域に末端受皿領域１８を設けた、比較例１の基板とは形状の異なる基板３Ｄを、実施例１と同様の配設方法にて配設したことである。
【０１０９】
本実施例の製造装置を用い、比較例１と同様のプロセスでシリコン結晶シートを製造し、回収されたシリコン結晶シートを確認したところ、シリコン結晶シートの表面の曲率は０であった。また、回収したシリコン結晶シートの表面を目視にて観察した結果、末端受皿領域１８にのみ液ダレによる突起が見られ、その他の四角形の基板部には突起は全く見られなかった。
【０１１０】
回収されたシリコン結晶シートの末端受皿領域１８を切断装置により切断を行ったところ、切断が非常に容易であり、短時間にて行うことが可能であった。切断後の最終的に得ようとするシリコン結晶シート表面を目視にて観察したところ、突起の全く無い、非常に平滑なものであった。
【０１１１】
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。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明の結晶シート製造装置により、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を持つ結晶シートを、効率的に連続して低コストで製造することができる。
【０１１３】
本発明の結晶シートの製造装置のうち、結晶が凝固するための基板の配列に工夫を凝らした製造装置は、液ダレの発生による基板主表面の末端における突起の生成を抑制でき、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を持つ結晶シートを、効率的に連続してさらに低コストで製造することができる。
【０１１４】
本発明の結晶シートの製造装置のうち、結晶が凝固するための基板の形状に工夫を凝らし他製造装置は、液ダレを特定の領域に集め、その切断を容易にし、原料の廃棄ロスを著しく低減することができるため、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を持つ結晶シートを、効率的に連続してさらに低コストで製造することができる。
【０１１５】
その結果、本発明の結晶シート製造装置を用いて製造した結晶シートは、曲率を持たない平坦かつ平滑な表面を有し、かつ、安価である。また、本発明の結晶シートを用いることにより太陽電池の製造コストをさらに低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の比較例１および実施例１〜４における結晶シート製造装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】 本発明の比較例１における基板の配設方法を示す斜視図である。
【図３】 本発明の比較例１における結晶シートの製造方法を示す側面図である。
【図４】 本発明の実施例１における基板の配設方法を示す斜視図である。
【図５】 本発明の実施例２における基板の配設方法を示す斜視図である。
【図６】 本発明の実施例３における基板の配設方法を示す斜視図である。
【図７】 本発明の実施例４における基板の形状および配設方法を示す斜視図である。
【図８】 本発明の比較例１および実施例１〜４における回転冷却体の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 回転冷却体、２ 回転軸、３，３ａ，３ｂ，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 基板、４ 融液槽、５ シリコン融液、６ 融液槽昇降台、７ 加熱装置、８ 剥離機構、９ 結晶シート、１０ 液ダレ、１１ 内部冷却体、１２ａ，１２ｂ フランジ、１３ａ，１３ｂ 冷却ノズル、１５ 表面部材、１６ 冷媒、１７ 隙間、１８ 末端受皿領域。

Claims (13)

1. 回転機構を有する冷却体と、冷却体の外周に配設された、結晶シートが形成されるべき主表面を有する基板と、半導体あるいは金属の融液槽と、を備えた、結晶シートの製造装置であって、基板を半導体あるいは金属の融液から引き上げる際、基板主表面と融液表面との交線が次第に短くなりながら、基板が融液から離れるように、基板を配設したことを特徴とする、結晶シートの製造装置。
2. 基板主表面と融液表面との最終接触領域が１点の状態となるように基板を配設したことを特徴とする、請求項１に記載の結晶シートの製造装置。
3. 基板主表面と融液表面との最終接触領域に液ダレを集めるための凸領域を設けた基板を有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の結晶シートの製造装置。
4. 基板主表面の輪郭が多角形であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の結晶シートの製造装置。
5. 基板主表面の輪郭が四角形であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の結晶シートの製造装置。
6. 基板を複数配設したことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の結晶シートの製造装置。
7. 隣接する基板の主表面輪郭同士が一点で接触するように基板を配設したことを特徴とする、請求項６に記載の結晶シートの製造装置。
8. 隣接する基板の主表面輪郭同士がある一定の長さを持って接触するように基板を配設したことを特徴とする、請求項６に記載の結晶シートの製造装置。
9. 基板主表面は完全な平面であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の結晶シートの製造装置。
10. 基板主表面に凹凸が形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の結晶シートの製造装置。
11. 基板主表面から結晶シートを剥離する剥離手段を備えたことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載の結晶シートの製造装置。
12. 冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中に浸漬させ、基板上に結晶シートを凝固させる工程と、冷却体を回転させて基板を半導体あるいは金属の融液中から引き上げ、基板上から結晶シートを剥離する工程と、からなる、請求項１〜１１のいずれかに記載の製造装置を用いた結晶シートの製造方法。
13. 半導体あるいは金属の融液は、シリコンの融液であることを特徴とする、請求項１２に記載の結晶シートの製造方法。

Images