JP2007314383A

JP2007314383A - 坩堝および薄板製造装置

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Publication number: JP2007314383A
Application number: JP2006146975A
Authority: JP
Inventors: Takashi Suzuki; 尊士鈴木; Yuji Yamazaki; 勇治山崎
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP4703486B2

Abstract

【課題】坩堝に収容した溶湯に基板を接触させて金属材料および半導体材料のうち少なくとも一方を含む材料の薄板を製造する方法において、溶湯の液揺れにより溶湯が坩堝の外部に溢れ出し、坩堝上部の断熱材に溶湯が染み込む事態を回避し、断熱材の断熱性を均一に保つことができる薄板製造装置および同装置用の坩堝を提供する。
【解決手段】防波堤構造１０６を有する坩堝１０１と、坩堝１０１の側壁上面の外周側であって坩堝１０１の側壁上面の内周側より低い位置に設置した断熱材１０５と、基板搬送手段１２０とを備えた薄板製造装置１００において、防波堤構造１０６は、坩堝１０１の側壁上面の内周側にあり、防波堤構造１０６の上端が、断熱材１０６の上端より高い位置にある。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄板製造装置に関し、特に、坩堝内の溶湯に基板を浸漬し、基板表面に溶湯を付着させ、凝固成長させて薄板を形成する薄板製造装置用の坩堝に関する。

太陽電池用多結晶シリコンウエハは、鋳型に入ったシリコン溶湯を徐々に冷却し、得られた多結晶インゴットをブロック状に切り分けた後、そのブロックをスライスして製造しているため、スライスするコストおよびシリコンの損失が大きい。一方、スライス工程を必要としない板状シリコンの製造方法が知られている（特許文献１参照）。この製造方法は、原料シリコン溶湯に基板を浸漬し、基板上に溶湯を付着させて、板状シリコンを凝固成長させる方法であり、製造装置は、表面に板状シリコンを形成する基板と、溶湯を収容する坩堝と、基板を溶湯に浸漬し、溶湯から基板を取り出す基板搬送手段とを備える。

この製造装置では、角型の板状シリコンを効率よく製造し、装置の小型化を図るため、角型ルツボおよび高周波誘導加熱方式を採用しているが、角型ルツボの角部では磁束密度が高まるため、過昇温が見られる一方、角型ルツボの側壁上面における辺の中央部分では十分に温度が上がりにくいため、角型ルツボの水平方向で温度差が生じやすい。このため、角型ルツボの角部では過昇温により炉材が損傷しやすく、一方、角型ルツボの側壁上面の辺の中央部分では、溶湯の過冷却および凝固が発生しやすく、このような温度分布により原料シリコンの熔融時および板状シリコンの製造時に、角型ルツボが割れるという現象が発生しやすい。

角型ルツボの水平方向における温度差を小さくするために、角型ルツボの側壁上面における辺の中央部分に断熱材を配置して、保温する方法が知られている（特許文献２参照）。
特開２００１−２４７３９６号公報特開２００５−０２９４０５号公報

特許文献２に記載の方法により、溶湯の温度分布を均一化することができるが、板状シリコンの製造時に溶湯の液揺れが生じると、溶湯が坩堝の外部に溢れ出し、坩堝上部の断熱材に溶湯が染み込み、断熱材の断熱性が部分的に悪化するという問題がある。断熱性が部分的に悪化すると、溶湯の温度分布が不均一になり、溶湯の温度が高過ぎる場合には、基板にシリコンが凝固成長しない。一方、溶湯の温度が低過ぎる場合には、溶湯が凝固し、凝固したシリコンに基板が接触すると、装置の故障につながり、溶融状態を保つために必要な電力も増大する。

本発明の課題は、溶湯の液揺れにより溶湯が坩堝の外部に溢れ出し、坩堝上部の断熱材に溶湯が染み込む事態を回避し、断熱材の断熱性を均一に保つことができる薄板製造装置および同装置用の坩堝を提供することにある。

本発明の坩堝は、金属材料および半導体材料のうち少なくとも一方を含む材料の溶湯を収容可能な坩堝であって、坩堝の側壁上面の内周側の少なくとも一部が、坩堝の側壁上面の外周側より高い位置にあることを特徴とする。また、本発明の薄板製造装置は、かかる坩堝と、坩堝の側壁上面の外周側であって坩堝の側壁上面の内周側より低い位置に設置する断熱材と、坩堝に収容された溶湯を付着させて凝固成長により薄板を形成するための基板を溶湯に浸漬し、溶湯から基板を取り出す基板搬送手段とを備えることを特徴とする。

坩堝内に収容する溶湯の温度分布を均一化し、基板上に薄板を効率的に凝固成長させ、炉材の損傷、溶湯の過冷却などを回避することができる。

実施の形態１
本実施の形態における薄板製造装置を図１および図４を用いて説明する。図１は、本発明の薄板製造装置の構造を例示する概略図である。図４は、本発明の薄板製造装置の斜視図である。図１に示すように、薄板製造装置１００は、防波堤構造１０６を有する坩堝１０１と、坩堝１０１の側壁上面の外周側であって坩堝１０１の側壁上面の内周側より低い位置に設置した断熱材１０５と、基板搬送手段１２０とを備えている。「防波堤構造」とは、「坩堝の側壁上面の内周側の少なくとも一部であって、坩堝の側壁上面の外周側より高くなっている部分」を意味する。薄板製造装置１００において、加熱手段１０３により融解した溶湯１０２を坩堝１０１に収容し、溶湯１０２に基板１０４の表面１０４ｂを浸漬し、基板１０４の表面１０４ｂに溶湯１０２を付着させ、凝固成長させることにより、基板１０４上に薄板を形成する。基板搬送手段１２０は、溶湯１０２に基板１０４を浸漬し、溶湯１０２から基板１０４を取り出す機能を有する。

実施の形態１では、坩堝１０１は、主室（図示していない。）内に配置されている。主室内は、反応性の高い原料を融解可能とするために、たとえば、真空排気できる部材または不活性ガスを充填できる部材により構成されている態様が好ましい。たとえば、Ａｒ（アルゴン）などの不活性ガスが導入され、たとえば、９３ｋＰａなど、大気圧よりもやや低い圧力、すなわち、負圧に保たれる。たとえば、不活性ガスとしてＡｒガスを用いる場合には、排気に際し、フィルタなどを通してシリコン酸化物やその他の塵芥を除去し、循環使用する。また、主室内には、溶湯１０２の原料の追装機構（図示していない。）を有してもよい。追装機構としては、たとえば、追装用坩堝などを用いることができる。

坩堝１０１の周囲には断熱材１０５が設けてあり、断熱材により坩堝の保温性が高まるため、より少ない電力コストで原料を融解できる。また、坩堝の周囲が高温になることを抑えることができるため、坩堝付近にある装置の故障リスクを抑えることができる。断熱材１０５の材質としては、高温でも変形を起こさない材質のものが好ましい。たとえば、黒鉛繊維をフェルト加工した材質またはアルミナをフェルト加工した材質を用いることが可能である。坩堝１０１の形状は、内部に溶湯１０２を保持できれば特に限定されないが、たとえば、図１および図４に示すように、上方に開口部を有する直方体形状とすることができる。

図１（ｂ）に示すように、坩堝１０１の側壁上面に、断熱材１０５を設置する場合、薄板を製造するときに、溶湯１０２が液揺れを起こし、溶湯１０２が坩堝１０１の外部へ溢れ出ると、溶湯１０２が断熱材１０５に染み込み、断熱効果が不均一になる。本発明の坩堝１０１は、防波堤構造を有し、坩堝の側壁上面の内周側の少なくとも一部が、坩堝の側壁上面の外周側より高くなっている部分を有する。したがって、溶湯１０２が坩堝１０１の外部へ溢れ出ることを防ぐことができる。たとえば、図１（ｂ）に示すように、断熱材１０５が、坩堝１０１の側壁上面の外周側であって、坩堝１０１の側壁上面の内周側より低い位置に設置することにより、薄板製造時に、液揺れがあっても、溶湯１０２が坩堝の外部への溢れ出しを抑制することができる。特に、防波堤構造１０６が、坩堝１０１の側壁上面の内周側にあり、防波堤構造１０６の上端が、断熱材１０６の上端より高い位置にある態様が、溶湯１０２の外部のへ溢れ出しを効果的に防止する点で好ましい。

また、図４に示すように、溶湯４０２を収容する坩堝の内壁に防波堤構造４０６を設け、防波堤構造４０６の上端を、断熱材４０５の上面より高くする態様も、溶湯の溢れ出しを効果的に防止できる点で好ましい。防波堤構造を設けることにより、断熱材への溶湯の染み込みを防止し、断熱性を均一に維持することができる。したがって、結晶成長を促進し、凝固した原料と基板などとの接触による装置の故障を回避することができる。防波堤構造の高さは約５〜１０ｍｍ程度が望ましい。また、防波堤構造の厚みは３〜５ｍｍ程度が望ましい。ただし、防波堤構造の高さや厚みは、液揺れの大きさにより変化させることが可能である。

溶湯１０２は、薄板の材料であれば、特に限定されないが、薄板の用途から、金属材料および半導体材料のうち少なくとも一方を含む材料が好ましい。たとえば、溶湯１０２の材料としては、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム、ひ素、インジウム、硼素、アンチモン、亜鉛、すずなどの半導体材料、アルミニウム、ニッケル、鉄などの金属材料、または樹脂などを使用することができる。実施の形態１においては、シリコン溶湯を用いている。

加熱手段１０３は、溶湯１０２の温度を維持するため、坩堝１０１の周囲の全部または一部に配置することが好ましい。加熱手段１０３は、特に限定されないが、たとえば、抵抗加熱、誘導加熱または赤外線加熱などであり、金属または半導体原料を融解する一般的な方法を用いることが可能である。

基板搬送手段は、特に限定されないが、たとえばガイドレールを使用する機構、回転体を使用する機構、またはロボットアームのような構造を使用する機構などを用いることができる。実施の形態１の基板搬送手段１２０は、図１（ａ）に示すように、ガイドレールを使用する機構を用いている。具体的には、基板搬送手段１２０は、たとえば基板１０４と、水平動作レール１１０と、スライド体１１１と、昇降機構１１２と、懸垂支柱１１３と、回転機構１１４と、回転支柱１１５と、台座支柱部１１６と、台座１１７とを備えている。具体的には、基板搬送手段１２０は、水平動作レール１１０に沿って動作（走行）するスライド体１１１に取り付けられた昇降機構１１２を備え、この昇降機構１１２には懸垂支柱１１３、懸垂支柱１１３に設置された回転機構１１４、回転機構１１４によって動作（回転）する回転支柱１１５、および台座支柱部１１６が吊り下げられている。台座支柱部１１６には基板１０４を保持する台座１１７が接続されている。なお、水平動作レール１１０は、特に限定されず、たとえば、水平方向にまっすぐに伸びる軌道を形成していてもよいし、溶湯１０２の上で台座１１７が溶湯１０２に近づくように、坩堝１０１上で浅いＵ字状の軌道を形成していてもよい。

台座１１７は中央部に、基板１０４と係合する係合溝１１７ａを有している。基板１０４は、裏面に畝状突起１０４ａを有し、その畝状突起１０４ａと台座１１７の係合溝１１７ａとが係合し、両者は一体化されている。基板１０４における台座１１７と対向する面と反対の表面１０４ｂは、薄板を製造する面であり、平坦化している。基板１０４の材質は、高温の溶湯１０２中への浸漬により損傷し難い十分な耐熱性を有していることが好ましい。たとえば、溶湯１０２としてシリコン溶湯を用いる場合には、耐熱性の観点から基板１０４の材料としてカーボンを用いることが好ましい。なお、溶湯１０２としてシリコン溶湯を用いる場合には、シリコン溶湯は１４００℃〜１５００℃の高温であり、またシリコンの蒸着もあるので、水平動作レールなどの基板搬送手段１２０を保護するため、断熱性または冷却された遮蔽板を坩堝１０１上に配置する態様が好ましい。

基板１０４の水平方向の移動は、水平動作レール１１０に沿って、スライド体１１１を移動させることにより、昇降機構１１２と懸垂支柱１１３に吊り下がっている機構全体を水平方向に移動させて行なう。上下（昇降）方向の移動は、昇降機構１１２が、懸垂支柱１１３に吊り下がっている機構全体を上下方向に移動することにより行なう。回転動作は、回転機構１１４によって行なわれる。具体的には、基板１０４を水平方向に移動させて、坩堝１０１内の溶湯１０２の上方に基板を配置できるようにする。そして、溶湯１０２の上から昇降機構１１２と懸垂支柱１１３に吊り下がっている機構全体を下降させることにより、基板１０４の表層部が溶湯１０２に浸漬される。この結果、基板１０４の表面１０４ｂに溶湯１０２中のシリコンが付着される。次いで、昇降機構１１２を上昇して、基板１０４を溶湯１０２から離脱する。この間、水平方向の移動と昇降動作と基板傾斜動作とは、互いに独立した制御機構によって動作される。この結果、基板１０４は任意の軌道および傾斜状態にて溶湯１０２に浸漬され、溶湯１０２内を移動し、溶湯１０２から離脱される。

制御機構として、たとえば、パソコンにより、水平方向移動指令と昇降動作移動指令と、傾斜動作指令とをそれぞれプログラミングし、それをコントローラに送信しておくことにより、プログラム通りの任意の軌道を実現することができる。さらに、制御機構は、連続的に薄板を作製すると液面が徐々に下降し、原料を追装すると液面が上昇するため、基板搬送手段１２０には液面位置に合わせて基板１０４の浸漬軌道を調節できる機能を備えている態様が好ましい。なお、水平方向移動と、昇降動作移動と、傾斜動作とは、それぞれの動作に１つのモータを割り当てられ、合計３つのモータによって個別に駆動する。上記プログラムは、溶湯１０２の液面の変動および基板１０４の板厚の変動に対して所定の厚さのシリコン薄板が得られるように、上記３つの独立した移動（動作）手段を制御する。そして、溶湯１０２から離脱した後に基板１０４は水平方向に移動し（水平運動になり）、坩堝１０１から離れた位置でシリコンが付着した基板を台座１１７から外す。シリコンが付着した基板からシリコンを分離することにより、シリコン薄板を製造することができる。なお、シリコンが付着した基板を冷却してから基板１０４とシリコン薄板に分離することが好ましい。また、形状を整えるために、シリコン薄板の周辺を切断してもよい。

実施の形態２
図２は、本実施の形態における薄板製造装置の斜視図である。図２を参照して、本発明の実施の形態２における薄板製造装置を説明する。本実施の形態における坩堝構成は、基本的には実施の形態１における薄板製造装置と同様であるが、防波堤構造および断熱材の配置において異なる。坩堝内の温度分布は、坩堝の形状および加熱手段により異なり、たとえば、図２に示すような直方体形状の坩堝２０１を使用して、誘導加熱手段２０３により加熱する場合、坩堝２０１の角部で磁束密度が高まるために温度が上昇しやすくなる。このため、坩堝の長辺部分の温度が最も低く、角部で最も温度が高くなる結果、溶湯２０２に温度分布が生じる。したがって、溶湯の温度が高い領域では、基板に溶湯が凝固成長せず、薄板の製造が困難になり、一方、温度が低い領域では凝固しやすくなり、凝固した原料と基板が接触すると、装置故障の原因となる。そこで、本実施の形態では、坩堝温度の低い長辺部分のみに断熱材２０５を設けており、溶湯の温度分布を均一化することができ、安定的に薄板を製造することが可能である。また、短辺方向には防波堤構造が必要ないため、より低い位置にまで基板を坩堝に接触させることができ、溶湯を効率的に使用することが可能である。

（実施例１）
本実施例では、防波堤構造を設けることによる効果として、断熱材の状態と溶湯を保持するために必要な電力を調べた。本実施例では、図１に示すように、Ｓｉの溶湯１０２を収容する坩堝１０１の側壁上面に断熱材１０５を設置し、Ｓｉ溶湯１０２が液揺れを起こすときに、溶湯１０２が坩堝１０１の外部へ溢れ出ることを防ぐための防波堤構造１０６を有する坩堝１０１を用いた。この断熱材１０５は坩堝１０１の側壁上面の外周側に設置し、坩堝１０１の側壁上面の内周側より低い位置に設置した。また、防波堤構造１０６の上端は、断熱材１０５の上端より高い位置にある坩堝１０１を使用した。また、Ｓｉ薄板の製造は、図１に示すように、上述の防波堤構造１０６を有する坩堝１０１と、断熱材１０５と、坩堝１０１に収容された溶湯１０２を付着させ、凝固成長により薄板を形成するための基板１０４を、溶湯１０２に浸漬し、溶湯１０２から基板１０４を取り出す基板搬送手段１２０とを備える薄板製造装置１００を用いて行なった。基板１０４の浸漬は、３日間実施し、断熱材の状態と電力の上昇分を調査した結果、防波堤構造１０６を設けることにより、溶湯１０２の溢れ出しを防止することができ、坩堝１０１上にある断熱材１０５は、３日間経過後もＳｉを含んでいなかった。また、融解状態の電力値は、３日間で３．５ｋｗ上昇した。その結果、表１に示す。

（比較例１）
図３に示すような薄板製造装置を用い、防波堤構造を設けなかった以外は実施例１と同様にして、断熱材の状態と溶湯を保持するために必要な電力を調べた。すなわち、図３に示すように、Ｓｉ溶湯３０２を収容する坩堝３０１に断熱材３０５を設置し、防波堤構造を設けることなく、加熱手段３０３を用いて、基板の浸漬を３日間実施した。断熱材の状態と電力の上昇分を表１に示す。表１から明らかなとおり、防波堤構造のない坩堝を用いて浸漬を行なった場合は、溶湯３０２の液揺れにより、溶湯３０２が坩堝３０１の外部へ溢れ出し、３日間を経過した後では、坩堝３０１上にある断熱材３０５はＳｉを含んでいた。また、融解状態を維持するための電力値は５．５ｋｗ上昇した。したがって、断熱材３０５がＳｉを含むことにより、断熱性が悪くなり、融解状態を保持するのに必要な電力が上昇したことがわかった。

（実施例２と３）
本実施例では、図５に示すような薄板製造装置を用い、断熱材を坩堝上部の一部に設置したときの坩堝の温度分布を調査した。本実施例では、長辺３００ｍｍ、短辺２５０ｍｍ、深さ６００ｍｍの坩堝を用いた。また、黒鉛繊維をフェルト加工した断熱材を用い、図５（ｂ）に示すように、長辺側に、長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚さ３ｍｍの断熱材５０５ａを用い、短辺側に、長さ１２５ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍの断熱材５０５ｂを用いた。一方、図５（ｃ）では、長辺にのみ長さ１００ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚み３ｍｍの断熱材５０５ｃを用いた。図５（ｂ）と図５（ｃ）に示すように、断熱材はそれぞれ長辺、短辺の中央に配置し、防波堤構造５０６を有する坩堝を用いた。坩堝温度の測定は、Ｗ−Ｒｅ熱電対を用いて行ない、また、図５（ａ）には、参考例として、断熱材と防波堤構造のない態様について測温した。その他の点では、実施例１と同様に実施した。その結果を表２に示す。

表２の結果から明らかなとおり、断熱材を配置した辺の坩堝の温度が上昇し、長辺のみに断熱材を配置することで短辺と長辺の温度差を小さくすることができることがわかった。また、防波堤構造を有する坩堝を用いることにより、断熱材の劣化を抑えられることから、坩堝温度の分布を長期間に亘り均一に保持することができることがわかった。また、坩堝の形状または加熱手段に応じて断熱材の配置を変更しても同様に有効であることがわかった。

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。

坩堝内の溶湯の水平方向における温度分布を均一化し、結晶の成長を促進し、凝固した原料と基板などとの接触による装置の故障を回避することができる。

本発明の実施の形態１における薄板製造装置の構造を示す概略図である。本発明の実施の形態２における薄板製造装置の斜視図である。比較例１における薄板製造装置の斜視図である。本発明の実施の形態１における薄板製造装置の斜視図である。本発明の実施例２と３における薄板製造装置の斜視図である。

符号の説明

１００薄板製造装置、１０１坩堝、１０２溶湯、１０４基板、１０５断熱材、１０６防波堤構造、１１０水平動作レール、１１１スライド体、１１２昇降機構、１１３懸垂支柱、１１４回転機構、１１５回転支柱、１１６台座支柱部、１１７台座、１２０基板搬送手段。

Claims

金属材料および半導体材料のうち少なくとも一方を含む材料の溶湯を収容可能な坩堝であって、
該坩堝の側壁上面の内周側の少なくとも一部が、前記坩堝の側壁上面の外周側より高い位置にある坩堝。
請求項１に記載の坩堝と、
該坩堝の側壁上面の外周側であって前記坩堝の側壁上面の内周側より低い位置に設置する断熱材と、
前記坩堝に収容された溶湯を付着させて凝固成長により薄板を形成するための基板を前記溶湯に浸漬し、前記溶湯から前記基板を取り出す基板搬送手段と
を備える薄板製造装置。