JP2005272153A - 薄板製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 坩堝内に貯留される融液からの放熱を抑制することによって、装置コストの低減を実現し、安定した品質の薄板を製造することのできる薄板製造装置を提供する。
【解決手段】 シリコンの融液２１を坩堝２２内に貯留し、下地基板２３を融液２１に浸漬し、下地基板２３の表面にシリコンを凝固成長させる薄板製造装置２０では、融液２１または融液２１の材料であるシリコンを装入することのできる開口部２７が坩堝２２に形成され、該開口部２７を塞ぐように坩堝蓋４０が設けられる。この坩堝蓋４０は、蓋駆動手段４１によって、坩堝２２の開口部２７に対して開閉自在に駆動されるので、下地基板２３を融液２１に浸漬するときには坩堝蓋４０を開き、浸漬しないときには、坩堝蓋４０を閉じることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属または半導体材料の融液から薄板を製造する薄板製造装置に関する。

近年、地球環境に対する負荷を軽減するべく、化石燃料を用いる火力発電以外の、風力発電、波力発電などの発電方法が種々試みられている。なかでも最も注目され、実用化の先端に位置付けられているのが太陽電池による発電であり、この太陽電池には、その素材として多結晶シリコンウエハが用いられている。

太陽電池に用いられる多結晶シリコンウエハの代表的な製造方法の１つは、不活性ガス雰囲気中でリン（Ｐ）またはボロン（Ｂ）等のドーパントを添加した高純度シリコンを坩堝中で加熱溶融させ、この融液を鋳型に流し込んで冷却し、得られた多結晶シリコンのインゴットをバンドソー等で小さなブロックに切断し、さらにワイヤーソー等でスライス加工してシリコンウエハとするものである。

このような製造方法では、多結晶シリコンインゴットを得るための鋳造工程に加え、ウエハ外形ブロックサイズに切断する工程と、ウエハ厚さにスライス加工する工程、さらに洗浄工程、乾燥工程等が必要である。また、たとえば厚さ０．３ｍｍのウエハを得るべくスライス加工する際に、０．２〜０．３ｍｍの切り代が、切断粉として失われてしまうので、シリコン材料の利用効率、すなわち歩留が悪く、太陽電池の製造コスト低減を図る上で大きな障害となっている。

このような問題を解決する従来技術の１つに、金属または半導体材料の融液に基板を浸漬し、その基板の表面に金属または半導体材料を凝固成長させて薄板を直接製造する薄板製造装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

図５は、従来技術の薄板製造装置１の概要を示す側面図である。従来技術の薄板製造装置１では、水平、上下および回転機構を有する浸漬機構部２に装着される基板３が、傾斜角を持ちながら坩堝４内に貯留される融液５中へ浸漬され、基板３における結晶成長面が全面浸漬され、次いで浸漬された基板３が持上げられるようにして引上げられる。また薄板製造装置１には、坩堝４の上方に、水平レール６、水平移動ユニット７等を備える前述の浸漬機構部２が配設される。

薄板製造時には、坩堝４内に貯留される金属または半導体材料の融液５が、坩堝４を周回するように設けられる高周波コイル８によって高温度に加熱されているので、融液５の液面からの輻射によって、浸漬機構部２が高熱にさらされる。したがって、薄板製造装置１では、浸漬機構部２と坩堝４との間に熱遮蔽板９を設け、浸漬機構部２が熱損傷することを防止している。

しかしながら、融液５の液面から輻射熱として失われるエネルギは、高周波コイル８によって投入されるエネルギの３０〜５０％と言われる程大きく、薄板製造装置１に設けられる熱遮蔽板９では、浸漬機構部２の熱損傷を防止することができるけれども、坩堝４および坩堝４内の融液５からの放熱を抑制することができない。

したがって、前述の放熱による炉室内部空間１０の温度上昇を避けることができず、炉壁１１にたとえば水冷配管などを設けて冷却を充分に行わざるを得ないので、装置費用が高くなるという問題がある。また融液５の液面からの放熱損失に相当するエネルギを余分に高周波コイル８から投入しなければならないので、エネルギコストが上昇する。さらに、放熱が大きいことに伴って坩堝４中における融液５に温度むらが生じやすくなるので、基板３の表面に生成される薄板の品質に悪影響を及ぼす恐れがある。

特開２００３−１８３０１５号公報

本発明の目的は、坩堝内に貯留される融液からの放熱を抑制することによって、装置コストの低減を実現し、安定した品質の薄板を製造することのできる薄板製造装置を提供することである。

本発明は、金属または半導体材料の融液を坩堝内に貯留し、薄板製造に用いる基板である下地基板を坩堝内の融液に浸漬し、金属または半導体材料を融液に浸漬される下地基板の表面で凝固成長させる薄板製造装置において、
坩堝には、融液または融液の材料である金属もしくは半導体材料を装入することのできる開口部が形成され、該開口部を塞ぐように坩堝蓋が設けられることを特徴とする薄板製造装置である。

また本発明は、坩堝蓋を駆動する蓋駆動手段を備え、坩堝蓋は、蓋駆動手段によって、坩堝の開口部に対して開閉自在に駆動されることを特徴とする。

また本発明は、坩堝蓋には、下地基板を出入させる基板出入孔が形成されることを特徴とする。
また本発明は、坩堝蓋は、素材がカーボンであることを特徴とする。

本発明によれば、坩堝の開口部を塞ぐように坩堝蓋が設けられるので、坩堝および坩堝内に貯留される融液からの輻射による放熱を抑制することができる。このことによって、炉室内部空間の温度上昇を小さくすることができるので、炉壁に過剰な冷却設備を設ける必要がなくなり設計負担を軽減することができる。また、融液の上方空間に設けられる部材および機構部に対する熱影響を顕著に軽減することができるので、部材および機構部の構造の小型化および高寿命化をはかる上で有利になる。

さらに、融液からの放熱が抑制されることによって、融液を所望の温度に維持するための加熱コストを顕著に低減できるとともに、融液の温度変化および温度むらが小さくなるので、下地基板を浸漬して生成される薄板の品質を安定させることができる。

また本発明によれば、坩堝蓋が、蓋駆動手段によって、坩堝の開口部に対して開閉自在に駆動されるので、下地基板が坩堝に浸漬される浸漬動作時には、坩堝蓋を開き、浸漬動作時以外には、坩堝蓋を閉めることができる。このことによって、薄板の製造に差し障ることなく、融液からの放熱を大幅に抑制することができる。

また本発明によれば、坩堝蓋には、下地基板を出入させる基板出入孔が形成されるので、坩堝蓋を開閉することなく、下地基板を融液に浸漬して薄板を製造することができる。このことによって、下地基板浸漬の都度、坩堝蓋を開閉する必要がなくなり、坩堝の開口部を覆う状態を維持することができるので、操業効率の向上と放熱の抑制とを、ともに実現することが可能になる。

また本発明によれば、坩堝蓋は、素材が耐熱性に優れるカーボンなので、融液からの輻射熱に対しても優れた耐久性を発現し、その寿命を長くすることができる。

図１は本発明の実施の一形態である薄板製造装置２０の構成を部分的に断面にて示す側面図であり、図２は図１に示す薄板製造装置２０に備わる坩堝蓋４０が閉じている状態を示す側面図である。

薄板製造装置２０は、金属または半導体材料の融液２１を坩堝２２内に貯留し、薄板製造に用いる基板である下地基板２３を坩堝２２内の融液２１に浸漬し、金属または半導体材料を融液２１に浸漬される下地基板２３の表面で凝固成長させて薄板を製造することに用いられる。ここでは、融液２１として半導体材料であるシリコンの融液について例示する。すなわち、本実施の形態の薄板製造装置２０は、溶融シリコンから薄板状のシリコンウエハを製造することに用いられる。

薄板製造装置２０は、その主要部が、炉室２４の内部空間２５に収容される。炉室２４は、外観が大略直方体形状を有し、その内部に空間２５が形成される箱型部材であり、炉壁部材２６（天板および底板も含む意味に用いる）が鋼またはステンレス鋼などの金属によって形成される。炉壁の内面には、図示を省くけれども、炉室２４の耐熱性を向上させるために耐火レンガまたはセラミックなどの耐火性を有する断熱材が内張りされている。また薄板製造装置２０には、不図示の真空排気手段と不活性ガス供給手段とが備えられ、
炉室２４の内部空間２５を低圧雰囲気または不活性ガス雰囲気にすることができる。

シリコンの融液２１を貯留する坩堝２２は、たとえばグラファイトなどの耐火材からなる有底の円筒状容器である。坩堝２２の底部の反対側には、融液の材料であるシリコンを装入するとともに、シリコンが溶解されて形成される融液２１に下地基板２３を浸漬させるための開口部２７が形成される。

坩堝２２は、炉室２４の底板２６ａ上に設けられる基台２８と、基台２８上に積層するように設けられる坩堝台２９の上に設けられる。また、坩堝台２９の上には坩堝２２を周回するように高周波コイル３０が設けられる。

基台２８は、たとえば鋼製の板状部材である。坩堝台２９は、たとえば耐火レンガなどの耐火性と断熱性とを有する素材から成り、高温になる坩堝２２を保持するとともに、坩堝２２から基台２８への熱伝導量を少なくし、基台２８および炉室２４の底板２６ａが熱損傷することを防止する。

高周波コイル３０は、坩堝２２内のシリコンを加熱するための加熱手段である。不図示の高周波制御電源から高周波コイル３０に高周波電流を流すことによって、坩堝２２内のシリコンに交番磁界が印加されるので、シリコンを溶解するとともにシリコンの融液２１を所望の温度に維持することができる。

下地基板２３は、浸漬手段３１によって保持された状態で、浸漬手段３１の動作によって坩堝２２内に貯留される融液２１に浸漬され、また融液２１から引上げられる。浸漬手段３１は、下地基板２３を保持する保持ヘッド３２と、保持ヘッド３２が装着されて垂直方向に延びて設けられる垂直アーム３３と、垂直アーム３３に継手部材３４で連結されて水平方向に延びて設けられる水平アーム３５と、水平アーム３５を垂直方向に昇降駆動させるとともに、水平アーム３５をその軸線まわりに回転駆動させる下地基板駆動部３６とを含む構成である。

また下地基板駆動部３６は、回転ステージ上に設置され、該回転ステージを電動機で回転駆動させることによって、水平および垂直アーム３５，３３とともに、水平回転することができるように構成される。

保持ヘッド３２は、下地基板２３が保持される側に吸引孔が形成されるとともに、不図示の吸引ポンプに配管を介して接続され、吸引ポンプの動作に従って下地基板２３を吸着保持するとともに、離脱させることもできる。

この浸漬手段３１の動作を制御することによって、保持ヘッド３２に吸着保持される下地基板２３を、垂直（上下）、水平および回転駆動させることができるので、坩堝２２に貯留される融液２１中へ所望の深さかつ角度で浸漬させるとともに、浸漬後引上げることが可能になる。

薄板製造装置２０は、図１および図２に示すように坩堝２２に形成される前述の開口部２７に対して開閉自在なように坩堝蓋４０が設けられることを特徴とする。坩堝蓋４０は、本実施の形態では、耐熱性に優れるカーボンからなる板状部材であり、互いに対向するようにして一対が設けられる。一対の坩堝蓋４０ａ，４０ｂは、後述する蓋駆動手段４１によって、互いに近接離反するように駆動され、坩堝２２の開口部２７に対して開閉自在に構成される。

一対の坩堝蓋４０ａ，４０ｂに対応するように蓋駆動手段４１も一対４１ａ，４１ｂが設けられ、一対の坩堝蓋４０ａ，４０ｂおよび蓋駆動手段４１ａ，４１ｂは、面対称に構成されるので、一対のうち一方の構成のみを参照符号にアルファベットのａを添付して説明し、他方については同一の参照符号にアルファベットのｂを添付して説明を省略する。

蓋駆動手段４１ａは、２本の第１および第２リンク４２ａ，４３ａと、連結部材４４ａと、Ｕ型継手部材４５ａと、エアシリンダ４６ａと、エアシリンダ４６ａを動作させる不図示の空圧ユニットとを含んで構成される。

第１および第２リンク４２ａ，４３ａは、金属製の棒状部材であり、これらの一方の端部が第１および第２ピン継手４７ａ，４８ａによって、連結部材４４ａにそれぞれ支持される。第１および第２リンク４２ａ，４３ａは、第１および第２ピン継手４７ａ，４８ａのピンまわりに角変位可能である。

連結部材４４ａは、金属製の板状部材であり、不図示の固定部材によって炉室２４の炉壁部材２６に固設される。第１および第２リンク４２ａ，４３ａの他端部は、坩堝蓋４０ａに予め形成される突起部に第３および第４ピン継手４９ａ，５０ａによってそれぞれ支持される。また、第１および第２リンク４２ａ，４３ａは、第３および第４ピン継手４９ａ，５０ａのピンまわりに角変位可能である。したがって、第１および第２リンク４２ａ，４３ａと、連結部材４４ａと、坩堝蓋４０ａの一部とによって、４つ組リンクからなるリンク機構が構成される。

Ｕ型継手部材４５ａは、Ｕ型形状に形成される部位と反対側の部位がエアシリンダ４６ａのロッド５１ａに装着され、Ｕ型形状に形成される部位の溝部が、坩堝蓋４０ａに予め形成されるスライド突起５２ａに係合される。エアシリンダ４６ａは、炉室２４の炉壁部材２６に装着される。

蓋駆動手段４１ａのエアシリンダ４６ａがロッド５１ａを進退させることによって、該進退運動がＵ型継手部材４５ａおよびスライド突起５２ａを介して坩堝蓋４０ａに伝達される。前述のように第１および第２リンク４２ａ，４３ａと連結部材４４ａと坩堝蓋４０ａとが、リンク機構を構成するので、エアシリンダ４６ａのロッド５１ａの進退運動がリンク機構による限定運動に変換され、坩堝蓋４０ａはリンク機構の限定運動に従って移動することができる。このように、一対の坩堝蓋４０ａ，４０ｂは、一対の蓋駆動手段４１ａ，４１ｂによってそれぞれ駆動されるので、互いに近接離反するように移動し、坩堝２２の開口部２７を開閉することができる。

また、図２に示すように坩堝蓋４０ａ，４０ｂが閉じられた状態で、坩堝２２と坩堝蓋４０ａ，４０ｂとの間に形成される間隙を塞ぐことができるように、坩堝蓋４０ａ，４０ｂの坩堝２２を臨む面には、スライド保護板５３ａ，５３ｂが設けられる。スライド保護板５３ａ，５３ｂは、高周波コイル３０による電磁波の影響を受けないように耐熱性の絶縁体を使用することが好ましい。本実施の形態では、スライド保護板５３ａ，５３ｂにアルミナセラミック材を用いている。なお、加熱手段として高周波コイル３０に代えて抵抗加熱体を用いる場合、スライド保護板５３ａ，５３ｂには絶縁体以外の材料を用いることもできる。

坩堝蓋４０が、蓋駆動手段４１によって、坩堝２２の開口部２７に対して開閉自在に駆動されるので、図１と図２とに示すように、下地基板２３が坩堝２２内の融液２１に浸漬される浸漬動作時には、坩堝蓋４０を開き、浸漬動作時以外には、坩堝蓋４０を閉めることができる。すなわち、薄板の製造に差し障ることなく、下地基板２３の浸漬動作時以外においては坩堝２２の開口部２７を塞ぎ、融液２１の上方を覆うことによって、融液２１からの放熱を抑制することができる。

このことによって、融液２１の上方空間に設けられる浸漬手段３１の熱損傷を防止することができるので、装置の高寿命化を実現することができる。また炉室２４の内部空間２５の温度上昇を抑えることができるので、炉壁部材２６に過剰な冷却設備を設ける必要がなくなり設計負担を軽減することができる。また、融液２１からの放熱が抑制されるので、融液２１を所望の温度に維持するための加熱コストを顕著に低減することができる。

なお、融液２１の材料であるシリコンは、最初固体から溶解されるまでは融点以上の温度に加熱されるけれども、下地基板２３を融液２１に浸漬する段階では、下地基板２３の表面にシリコンを凝固成長させるために、固−液が安定的に共存する温度である融点よりも低い温度まで融液２１の温度を下げる（いわゆる過冷却状態にする）ので、輻射による放熱の影響が大きく固化の危険性がある。しかしながら、本発明によれば、下地基板２３を融液２１に浸漬して薄板を作製した後、下地基板２３を融液２１から引上げ、次に下地基板２３を融液２１に浸漬させるまでの間、坩堝蓋４０を閉じて融液２１を覆い融液２１の放熱を抑制することができる。したがって、坩堝２２内の融液２１の温度を安定して保持することが可能になるので、融液２１の固化を防止することができ、さらに坩堝２２内の融液２１の温度変化および温度むらを小さくし、下地基板２３を浸漬して生成される薄板の品質を安定させることができる。

図３は本発明の実施の第２形態である薄板製造装置６０の構成を部分的に断面にて示す側面図であり、図４は図３に示す薄板製造装置６０に備わる坩堝蓋６１の構成を示す平面図である。本実施の形態の薄板製造装置６０は、実施の第１形態の薄板製造装置２０に類似し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

薄板製造装置６０は、坩堝蓋６１に下地基板２３を出入させる基板出入孔６２が形成されることを特徴とする。坩堝蓋６１は、カーボン製であり、円板形状を有し、円板の中央付近に略長方形状の基板出入孔６２が形成される。実施の第１形態の薄板製造装置２０とは異なり、本実施の形態の薄板製造装置６０では、坩堝蓋６１が開閉動作することなく、坩堝２２の上にリング状の保護板６３を介して装着される。保護板６３には、実施の第１形態と同様にたとえばアルミナセラミック材が用いられる。

坩堝蓋６１に基板出入孔６２を形成することによって、下地基板２３を坩堝２２に貯留される融液２１中へ浸漬する場合においても、坩堝蓋６１を開くことなく操業することが可能になる。したがって、薄板製造装置６０では、下地基板２３を融液２１へ浸漬する場合および融液２１から引上げている非浸漬の場合のいずれにおいても、坩堝２２および坩堝２２に貯留される融液２１を坩堝蓋６１で覆うことができるので、坩堝２２および融液２１から炉室２４の内部空間２５に対する放熱抑制効果を一層顕著に発現することができる。なお、下地基板２３を融液２１から引上げている非浸漬の場合、基板出入孔６２の部分を下地基板２３で覆うことができず、基板出入孔６２が坩堝２２の上方空間に対する放熱口となるので、基板出入孔６２は、下地基板２３の出入に必要な最小限の大きさに形成されることが好ましい。

このように、薄板製造装置６０によれば、下地基板２３を融液２１に浸漬させる都度、坩堝蓋６１を開閉する必要がなく、坩堝２２の開口部２７を覆う状態を維持することができるので、操業効率の向上と放熱の抑制とを、ともに実現することが可能になる。

以上に述べたように、本実施の形態では、融液２１の材料が、シリコンであるけれども、これに限定されることなく、ガリウム、ヒ素、インジウムなど他の半導体材料であってもよく、またアルミニウムなどの金属であってもよい。

本発明の実施の一形態である薄板製造装置２０の構成を部分的に断面にて示す側面図である。 図１に示す薄板製造装置２０に備わる坩堝蓋４０が閉じている状態を示す側面図である。 本発明の実施の第２形態である薄板製造装置６０の構成を部分的に断面にて示す側面図である。 図３に示す薄板製造装置６０に備わる坩堝蓋６１の構成を示す平面図である。 従来技術の薄板製造装置１の概要を示す側面図である。

符号の説明

２０，６０ 薄板製造装置
２１ 融液
２２ 坩堝
２３ 下地基板
２４ 炉室
２８ 基台
２９ 坩堝台
３０ 高周波コイル
３１ 浸漬手段
３２ 保持ヘッド
４０ａ，４０ｂ，６１ 坩堝蓋
４１ａ，４１ｂ 蓋駆動手段
５３ａ，５３ｂ スライド保護板
６２ 基板出入孔
６３ 保護板

Claims (4)

1. 金属または半導体材料の融液を坩堝内に貯留し、薄板製造に用いる基板である下地基板を坩堝内の融液に浸漬し、金属または半導体材料を融液に浸漬される下地基板の表面で凝固成長させる薄板製造装置において、
   坩堝には、融液または融液の材料である金属もしくは半導体材料を装入することのできる開口部が形成され、該開口部を塞ぐように坩堝蓋が設けられることを特徴とする薄板製造装置。
2. 坩堝蓋を駆動する蓋駆動手段を備え、
   坩堝蓋は、蓋駆動手段によって、坩堝の開口部に対して開閉自在に駆動されることを特徴とする請求項１記載の薄板製造装置。
3. 坩堝蓋には、
   下地基板を出入させる基板出入孔が形成されることを特徴とする請求項１記載の薄板製造装置。
4. 坩堝蓋は、素材がカーボンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の薄板製造装置。

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