JP2002060943A - 高純度シリコンの被覆方法及び装置 - Google Patents
高純度シリコンの被覆方法及び装置Info
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Abstract
を容易に、高い生産効率で製造する。 【解決手段】 反応チャンバー122内を減圧して四フ
ッ化珪素を含む水素雰囲気中でコイル121からの電力
投入によりプラズマ領域125を生成し、反応チャンバ
ー122の回転によってチャンバー122内に投入した
球状セラミック、球状金属等126を堰123により掬
い上げて該プラズマ領域125中を自由落下127させ
て、生成した高純度シリコンを該被覆対象物である球状
セラミック球状金属等126の表面に被覆・堆積させ
る。
Description
て高純度シリコンを被覆する方法及び装置に関する。
までの板状とは異なる球状シリコンの利用が提案されて
いる。特願平11−510766号(国際公開WO99
/10935号公報)においては、球状の芯材表面に半
導体薄膜層等を備えた小径の球状太陽電池セルSS(球
状半導体デバイス)とその製造方法が開示されている。
また、同公報には、球状結晶製造装置等も開示されてい
る。
導体材料、絶縁材料、金属材料のうちのいずれか1つの
材料からなる芯材素材を用いて球状の芯材を作る第1工
程と、前記芯材の表面上又はその外側近傍部にほぼ球面
状の半導体薄膜層を形成する第2工程と、前記半導体薄
膜層に少なくとも1つのpn接合を形成する第3工程
と、前記pn接合の両極に接続された1対の電極を形成
する第4工程で作成できるとしている。
とは異なり、いずれの方向からでも太陽光を受け取れる
ので、太陽光から電気への変換効率が従来の3倍に向上
し、また、原料シリコンから直接に球状シリコンが製造
できるため、そのまま太陽電池として使用できることか
ら、従来行程であるインゴット切断によるウエハ製造プ
ロセスが簡略できるなど、製造コストが低減できること
が考えられている。また、球体の芯材を安価な材料で置
き換えることができれば、高価な高純度半導体材料の削
減が可能となる。
号公報に記載の球状結晶製造装置200に金属級シリコ
ンの原料体201aを供給して真球状の芯材201cを
製造する方法について説明する。最初の準備段階におい
て電磁開閉弁202〜205が開かれ、真空ポンプ20
6が作動され、落下チューブ207内は所定の真空状態
にされる。受入器208には1個の原料体201aが収
容されている。落下チューブ207上方の赤外線ヒータ
209には予め設定された電流が通電されている。次
に、電磁浮遊加熱装置210に通電され、受入器208
の電磁開閉シャッター211が開かれて原料体201a
が落下し、その原料体201aは電磁浮遊加熱装置21
0により所定の時間の間浮遊状態で加熱され、原料融液
201bになる。
遮断されると、原料融液201bが落下チューブ207
の真空中を落下し始める。この落下開始後には、原料融
液201bは微少重力状態になるため、原料融液201
bの表面張力の作用で真球状になる。次に、赤外線ヒー
タ209の内部を落下中に原料融液201bの表面部の
みが加熱される。次に、赤外線ヒータ209の下方へ落
下しながら、原料融液201bは放射冷却により放熱
し、原料融液201bの表面張力の作用で真球状の芯材
201cに凝固する。その後、落下チューブ207内の
ほぼ中段部のレベルで凝固が完了した芯材201cは、
シリコンオイル槽212内のシリコンオイル内へ落下
し、そこに収容されて完全に冷却される。
01aとして芯材201cを製造しているが、太陽電池
グレードまで純度を高めたシリコンを原料とすれば、太
陽電池用高純度球状シリコンが作成可能となることは明
らかである。
た球状太陽電池セルSSAの製造方法と構造について説
明している。図4は、上記公報に記載の球状の金属製芯
材2の表面に薄膜のシリコン太陽電池セルを形成してな
る球状太陽電池セルSSAの拡大断面を示すものであ
る。図4において、300は球状太陽電池セルSSA、
301は芯材、302はアルミニウム皮膜、303はp
+多結晶シリコン層、304は多結晶シリコン層、30
5はn+多結晶シリコン層、306はパッシベーション
膜、307は表面保護膜、308aは正電極、308b
は負電極、308cは接合保護膜である。上記公報で
は、この芯材301の表面上に100nm程度の厚さの
アルミニウム被膜302を蒸着し、次に、このアルミニ
ウム被膜302の表面に、前駆膜として約200nmの
厚さのアモルファスシリコン膜(a−Si膜)を形成さ
せる際には、プラズマCVD法によりシラン(Si
H4)を分解しつつ堆積させ、ノンドープのアモルファ
スシリコン膜を形成することができるとしているが、そ
の具体的な方法については一切記載されていない。さら
には、従来のプラズマCVD法では、主として平面板へ
のコーティングは可能であるが、球状のような平面以外
の対象物に、且つ工業規模で連続に被覆対象物に高純度
シリコンを被覆することは不可能である。
いても、微少重力環境を作り出し、且つ落下中に原料と
なるシリコンや金属の溶融ならびに冷却を行う必要があ
るために鉛直方向に長い直管を必要とすることから、大
量生産のためには設備規模が大きくなるなどの問題があ
る。
状シリコンや金属を生産するためには、大量の原料シリ
コン用金属を同一管内で又は、連続的に供給される溶融
原料シリコンや金属を瞬時に均一に溶融し、且つ、大量
の溶融シリコンや溶融金属同士の付着を抑制しながら冷
却を行う必要があることから、その制御が困難なものと
なる。
純度シリコンの蒸着は、プラズマCVD法によりシラン
(SiH4)を分解しつつ堆積させることにより球表面
へ蒸着可能としているが、その具体的な方法は記載され
ておらず、また、既存のプラズマCVD技術ならびに装
置で実用化規模で大量の芯材表面にシラン(SiH4)
の分解によりシリコンを堆積させ蒸着することは不可能
である。
球状シリコンの製造プロセスが大量生産を目的とした場
合には設備規模が大きくなり、かつ製造工程の制御が困
難になること、さらには実用化可能な芯材表面への高純
度シリコンの被覆方法が見あたらないことに鑑みて、こ
れらを解決する新たな製造方法及び製造装置を創出する
ことを目指すもので、微少重力を利用しない簡易な製造
プロセスとすることにより、太陽電池用高純度球状シリ
コン被覆等を容易に且つ低コストで製造する量産方法及
び装置を確立する。
ッ化珪素(SiF4)および/又はシラン(SiH4)を
含む水素(H2)雰囲気中でプラズマを発生させ、該プ
ラズマ中で四フッ化珪素および/又はシランを分解する
と共に、被覆対象物を該プラズマ中を繰返し経由させて
四フッ化珪素および/又はシランの分解によって生成し
たシリコンを前記被覆対象物の表面に堆積させることを
特徴としたものである。
チャンバーの器壁内面に回転軸方向に沿った堰を設け、
該回転反応チャンバー内を外気と遮断して反応雰囲気を
制御可能とすると共に四フッ化珪素および/又はシラン
と水素の供給装置及び反応生成ガス排出装置ならびに前
記回転反応チャンバー内のプラズマを発生する装置を設
け、該回転反応チャンバー内に被覆対象物を収納し、該
回転反応チャンバー内に形成されたプラズマ領域に、前
記回転反応チャンバーの回転に伴って前記堰により上方
に運ばれた前記被覆対象物を繰り返し自由落下せしめて
プラズマ中で分解されたシリコンを前記被覆対象物の表
面に堆積せしめるようにしてなることを特徴としたもの
である。
法は、四フッ化珪素および/又はシランを含む水素雰囲
気中でプラズマを発生させ、該プラズマ中で四フッ化珪
素および/又はシランを分解すると共に、芯材となる被
覆対象物を該プラズマ中を繰返し経由させて四フッ化珪
素および/又はシランの分解によって生成したシリコン
をその被覆対象物表面に堆積させて、被覆対象物表面へ
高純度シリコンを被覆することを特徴とする。例えば、
被覆対象物が球状セラミックであれば、球内部がセラミ
ック製の高純度球状シリコン被覆体が製造可能となる。
ては、前記公報に示された高純度球状シリコンの製造の
ように微少重力環境を利用しないため、大規模な設備を
必要としない。また、例えば太陽電池に利用する場合、
球状シリコン被覆体の内部は、球状のセラミック・金属
・プラスチック等が使用可能なため、高価な高純度シリ
コンを無駄なく有効に利用できる利点がある。また、被
覆対象物を繰り返し該プラズマ中を経由させることによ
り、被覆対象物への膜厚を制御できるなどの利点も有す
る。
は、内面に回転軸方向に沿った堰を設け略円筒形状の回
転反応チャンバーを設置し、該チャンバーを外気と遮断
して反応雰囲気を制御可能とすると共に、四フッ化珪素
および/又はシランと水素の供給装置及び反応生成ガス
排出装置を設け、該チャンバー内の領域にプラズマを発
生する装置を設け、さらに該チャンバーにシリコン被覆
対象の芯材供給装置及びシリコン被覆体の排出装置を設
けて、プラズマ反応装置への電力供給により形成したチ
ャンバー内のプラズマ領域に、チャンバーの回転に伴っ
て堰により上方に運ばれた被覆対象を該プラズマ領域に
繰返し自由落下せしめてプラズマ中で分解されたシリコ
ンを該被覆対象表面に均一に堆積することにより可能で
ある。
気に保たれた反応チャンバーの中心部近傍で形成され、
被覆対象物はチャンバーの回転に伴って堰により器壁面
に沿って上方に移行され、チャンバー上方から自由落下
してチャンバー中心領域のプラズマ中を経由してチャン
バー底部に戻ることになる。したがって、被覆対象物表
面に堆積した高純度シリコンは、チャンバーが回転する
につれて繰返しプラズマ領域を経由して次第に厚く高純
度シリコン層を堆積し、所定の堆積量となった段階で、
適宜、反応チャンバーをティルトさせることにより反応
チャンバー他端から排出される。
リコンの被覆方法を説明するための図で、100は高純
度シリコンの被覆装置である。原料珪砂101をホッパ
ー102から反応槽103に投入し、フッ化水素(H
F)と反応させて四フッ化珪素(SiF4ガス)とす
る。この際に真空ポンプ104により反応槽103を減
圧排気することによりガス化を促進する。ガスクーラー
105を用いて水分を除去し、回転圧縮機106でフッ
化水素を液化した後、四フッ化珪素は膨張タンク107
に送り込まれる。膨張タンク107で窒素ガス等の他の
不純物ガスを分離して、サージタンク108に貯蔵され
る。
で加熱して四フッ化珪素ガスにされ、圧力調製タンク1
10に送られ、四フッ化珪素ガスボンベ111の四フッ
化珪素ガスと混合されて圧力を調整される。プラズマ反
応器120においては、四フッ化珪素ガスと水素ガスボ
ンベ112から供給される水素ガスに誘導過熱コイル1
21により高周波電力を供給してプラズマを形成し、ホ
ッパー113から供給された球状セラミックがプラズマ
領域を経由することにより表面に高純度シリコンが被覆
される。生成された高純度シリコン被覆球はプラズマ反
応器120から容器114へ排出される。
が所望の厚さよりも薄い場合には、容器114からホッ
パー113を通じて再度、繰返しプラズマ反応器120
で被覆することで所望の厚さのシリコン被覆厚を有する
高純度シリコン被覆球を製造できる。反応後のガスは、
ターボ分子ポンプ115により排気されて、ルーツポン
プ116を通過してガスクーラー117によりフッ化水
素が液化回収され、次いで回転圧縮機118により圧縮
されて四フッ化珪素を液化し、次に膨張タンク119で
水素ガスを気化分離して、高純度な四フッ化珪素(液
体)を得る。膨張タンク119中に蓄えられた四フッ化
珪素は高圧ラインを経由してサージタンク108に送出
され、再利用される。
るのではなく、棒状や板状にも適応可能であり、その用
途範囲は極めて高い。さらには、高純度球状シリコン
は、太陽電池のみの用いられるのではなく、触媒等にも
用いることが可能である。
チャンバーの断面構造を示した図で、120はプラズマ
反応器で、121はコイル、122は反応チャンバー、
123は堰、124は回転支持リングであり、支持ロー
ラにより反応チャンバー122が回転駆動される。反応
チャンバー122内には、コイル121からの高周波投
入により、減圧された四フッ化珪素と水素雰囲気の略中
央部がプラズマ化し、プラズマ領域125が生じる。プ
ラズマ領域125は、図のように反応器の壁面から離れ
て略中央部近傍に形成され、プラズマの発生する熱で2
00〜400℃程度になる。このプラズマ領域125
で、四フッ化珪素は水素と反応して次の(1)式によっ
て、シリコンを解離する。 SiF4+2H2→Si+4HF (1)
たセラミックボール126が、反応チャンバー122の
回転に伴って器壁内面に形成された堰123により掬い
上げられて反応チャンバー122上方に運ばれて、堰1
23から零れ落ちてプラズマ領域125中を自由落下1
27する間に生成した高純度シリコンが表面に堆積する
ものであり、セラミックボール126表面に高純度シリ
コンを所望の厚みに被覆することが可能である。
波電力の周波数:13.56MHz、入力電力:4K
W、ガス圧力:0.1〜30Torrで、原料ガス流量
を、四フッ化珪素ガス:0.1〜1リットル/min、
水素(H2):0.1〜2リットル/minの条件で行う
ことができる。
ラミックを用いた。なお、原料ガスとして、上記のほ
か、シランを添加してもよい。
いて四フッ化珪素を水素(H)ラジカルで分解して、高
純度シリコン被覆体を得ているが、太陽電池用シリコン
薄膜の堆積手法として、熱プラズマCVDによりシラン
を分解して高速でシリコンの多結晶薄膜を得ることが知
られている。この熱プラズマを用いる薄膜形成におい
て、原料を四フッ化珪素におきかえることにより高速で
四フッ化珪素を分解して高速でシリコンの多結晶薄膜を
得ることもできる。
による高純度シリコン被覆球の製造について説明した
が、プラズマ源を熱プラズマに変えても同様にして高純
度球状シリコンを得ることができる。堆積条件は、均一
一様な多結晶薄膜を得るよりもはるかに容易であり、エ
ネルギーも少なくて済む。
と基本的に変わらず、例えば次のような条件で実施する
ことができる。 ガス圧力:100〜1000Torr 電力:10〜50KW ガス組成及び流量:四フッ化珪素ガス 0.1〜10リ
ットル/min アルゴン(Ar) 50〜100リットル/min 水素(H2) 0.1〜10リットル/min
らの反応プロセスは原理的に四フッ化珪素とシランとで
共通に行うことができるものであるから、以上の実施例
で四フッ化珪素を出発原料として説明した高純度シリコ
ン被覆球の製造方法及び装置は、四フッ化珪素に替えて
シランを用いても同様に行うことが可能であって、以上
に説明した基本的な反応条件などは変わらない。なお、
被覆対象物はセラミック以外に、金属級シリコン,プラ
スチックなど広範囲にわたって高純度シリコンを被覆可
能であるが、耐久性等を考慮した場合、被覆対象物と被
覆材である高純度シリコンの熱膨張係数が近似している
ことが望ましいことはいうまでもない。
製造プロセスが大量生産を目的とした場合には設備規模
が大きくなり、かつ製造工程の制御が困難になること、
さらには実用化可能な芯材表面への高純度シリコンの被
覆方法が見あたらないという問題を解決する新たな製造
方法及び製造装置を提供するもので、微少重力を利用し
ない簡易な製造プロセスとすることにより、太陽電池用
高純度球状シリコン被覆等を容易に且つ低コストで製造
する量産方法及び装置を提供することができる。
を説明するための図である。
チャンバーの断面構造を説明するための図である。
めの図である。
Aの構造の一例を示す断面図である。
砂、102…ホッパー、103…反応槽、104…真空
ポンプ、105…ガスクーラー、106…回転圧縮機、
107…膨張タンク、108…サージタンク、109…
エバポレーター、110…圧力調整タンク、111…四
フッ化珪素ガスボンベ、112…水素ガスボンベ、11
3…ホッパー、114…容器、115…ターボ分子ポン
プ、116…ルーツポンプ、117…ガスクーラー、1
18…回転圧縮機、119…膨張タンク、120…プラ
ズマ反応器、121…コイル、122…反応チャンバ
ー、123…堰、124…回転支持リング、125…プ
ラズマ領域、126…セラミックボール、127…自由
落下、200…球状結晶製造装置、201a…原料体、
201b…原料融液、201c…芯材、202〜205
…電磁開閉弁、206…真空ポンプ、207…落下チュ
ーブ、208…受入器、209…赤外線ヒータ、210
…電磁浮遊加熱装置、211…電磁開閉シャッター、2
12…シリコンオイル槽、300…球状太陽電池セルS
SA、301…芯材、302…アルミニウム皮膜、30
3…p+多結晶シリコン層、304…多結晶シリコン
層、305…n+多結晶シリコン層、306…パッシベ
ーション膜、307…表面保護膜、308a…正電極、
308b…負電極、308c…接合保護膜。
Claims (2)
- 【請求項1】 四フッ化珪素(SiF4)および/又は
シラン(SiH4)を含む水素(H2)雰囲気中でプラズ
マを発生させ、該プラズマ中で四フッ化珪素および/又
はシランを分解すると共に、被覆対象物を該プラズマ中
を繰返し経由させて四フッ化珪素および/又はシランの
分解によって生成したシリコンを前記被覆対象物の表面
に堆積させることを特徴とする高純度シリコンの被覆方
法。 - 【請求項2】 略円筒形状の回転反応チャンバーの器壁
内面に回転軸方向に沿った堰を設け、該回転反応チャン
バー内を外気と遮断して反応雰囲気を制御可能とすると
共に四フッ化珪素および/又はシランと水素の供給装置
及び反応生成ガス排出装置ならびに前記回転反応チャン
バー内のプラズマを発生する装置を設け、該回転反応チ
ャンバー内に被覆対象物を収納し、該回転反応チャンバ
ー内に形成されたプラズマ領域に、前記回転反応チャン
バーの回転に伴って前記堰により上方に運ばれた前記被
覆対象物を繰り返し自由落下せしめてプラズマ中で分解
されたシリコンを前記被覆対象物の表面に堆積せしめる
ようにしてなることを特徴とする高純度シリコン被覆装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000250988A JP2002060943A (ja) | 2000-08-22 | 2000-08-22 | 高純度シリコンの被覆方法及び装置 |
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