JP2007516927A - 支持材表面に多結晶シリコン層を析出させるための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、縦の両面（43、44）と縦方向の両エッジ(41、42)を有する平面であり細長い可動式支持材(4)上に、多結晶シリコンを主成分とした層を析出させる装置に関する。
【解決手段】溶融シリコン槽(2)、槽に少なくとも一部が浸され槽の平衡な液面に対し長さ方向に垂直になるよう設計された支持材(4)を含んだるつぼと、少なくとも1つのエッジ制御要素(5、5´)と、を備え、各エッジ制御要素は、二つの縦方向のエッジ（41、42）のうちの一つの近傍で垂直に設置されている。
各エッジ制御要素には壁面があり、その壁面（51から53´）が縦方向エッジ近くに縦の挿入口を形成している。それぞれの挿入口は、縦方向のエッジ付近で毛管現象により槽(2)のレベルが上昇できるよう槽(2)の一部に浸漬させる。
挿入用壁面と呼ばれる縦の面のうちの一つの一部に面した壁面(51から52´)のうち、少なくとも1つは平面であることが、この装置の特徴である。
【選択図】図１

Description

本発明は、細長い支持材（support）の平面な表面に、多結晶シリコン層を析出させるための装置に関する。この装置は、溶融シリコン槽を有するるつぼを備えたタイプである。支持材（support）は、少なくとも一部は槽に浸っており、槽の平衡な液面に対し縦方向に垂直となっている。

上記タイプの装置として、例えば、るつぼの底には狭い挿入口（slot）があり、支持材(カーボンリボン)が槽に浸かって垂直に保持されて上方向に移動することが、仏国特許第２３８６３５９号に記載されている。

それでもなお、リボン表面に析出したシリコン層の厚さが、リボン（ribbon）の二つのサイドエッジ（side edge）付近で、急速に減少していることを見出した。二つのサイドエッジのそれぞれに沿う二つの外側縁(lateral margin)に析出したシリコン層は、中央部のシリコン層の厚さとの関係で物理的特性が低下する。これらサイドの縁は実際には使用に適さない。特に、光電池の製造には適さない。そして、このような縁は、シリコン層に破損が生ずる原因となる。

カーボンリボン（carbon ribbon）のエッジでは、液体シリコンメニスカスは、槽の上約6.8mmに位置した固体−液体境界線で2次元の形から環状に対称な形に変化する。このような状況下、特定の制御手段がない場合、カーボンリボンの厚さに影響を受ける固体−液体境界線は、槽の上極めて低い高さに位置することとなる。リボンのエッジまでの移行帯、つまり、幅約5mmを超えると、固体−液体境界線は6.8mmの高さから一般的には1〜2mmの高さまで下がる。この領域で析出層の厚さは急激に減少する。析出層はもろくなり、その結晶の質は低下する(粒子サイズが小さい)。

エッジを制御する試みとして、さらに二つの半円形の断面をしたシュート(chutes)を備えた装置が、仏国特許第２５５０９６５号に開示されている。このシュートは、槽の中にあるリボンのサイドエッジのどちらのサイドも垂直に保持している。シュートの凹面側は、リボンのそれぞれのサイドエッジ側に向いている。リボンのサイドエッジ付近での毛管現象により槽のレベルが上昇するように槽にシュートの一部を浸漬する。

液体シリコンのシュートに沿った毛管上昇を制御するために、下記のパラメーターを変えるべきである。つまり、シュートの内径、及びリボンのエッジとの関係におけるシュートの距離と方向である。

この装置により、実際に、有用な析出面積が増え、シリコン層の破損が減り、析出したシリコン層により電気的特性が改善した、カーボンリボン表面のシリコン析出が可能となる。

それでもなお、この装置はまだ最適化されているとはいえない。エッジでの固体−液体境界線の上昇は依然として小さく、移行帯は依然として大きい。加えて、縁の厚さの減少は依然大きく、この領域は、冷却とその後の処理の間、破損が生ずる原因であり続ける。
仏国特許第２５５０９６５号

本発明の目的は、支持材エッジの析出層の厚さ制御と品質を改善することである。その手段として、工業的規模で信頼でき簡易であることが好ましい。

このようなことから、本発明は、ほぼ平面で細長い、二つの縦の面と縦のサイドエッジを有する可動性支持材上に、多結晶質シリコンを主成分とした層を析出させる装置を提供することを目的とする。

この装置は、溶融シリコンの槽、及び槽の中に少なくとも一部が浸漬し、槽の平衡な表面に対し縦方向にほぼ垂直に立つよう設計された前記支持材を有するるつぼと、それぞれのエッジ制御要素が縦方向のサイドエッジのうちの一つの近傍でほぼ垂直に設置されている少なくとも1つのエッジ制御要素（edge control elements）、を含んでいる。

それぞれのエッジ制御要素（edge control elements）には壁面があり、その壁面が縦方向エッジ近くにおいて縦の挿入口を構成している。それぞれの挿入口を、縦方向のエッジ付近で毛管現象により槽のレベルが上昇できるように槽の一部に浸漬させる。

支持材の縦の面のうちの一つの一部に面した挿入用壁面と呼ばれるエッジ制御要素の壁面のうち少なくとも一つが平面であることが、この装置の特徴である。

エッジの制御により、析出層の厚さと結晶組織を変えずに、シリコン層を外側縁まで成長させ、できるだけエッジに近づけることができる。

本発明の挿入口は、従来技術の半円形のシュートよりも簡単に調節できる。本発明では、半円形のシュートの内径を調節する代わりに、独立した多くのパラメーターを調節することが可能である。つまり、壁面間の空間、それぞれの挿入用壁面の長さまたは底面の形（曲がっているか平面か）といったパラメーターである。

エッジ制御要素は、槽内部の熱交換を局所的に変えることで対応した支持材のエッジ近くの液体シート（liquid sheet）の温度に影響を与え、支持材内部の温度にもある程度影響を与える（外側の放射交換（radiant exchange）は、このエッジ制御要素の存在により変わる）。

挿入口反対側の制御装置の外側表面の形もまた、自由に選ぶことができる。

本発明に係る装置の有利な点は、二つのエッジ制御要素があり、それぞれのエッジ制御要素には二つのほぼ平面な挿入用壁面が有ることである。このような装置により、支持材のそれぞれの縦の面とそれぞれの縦のエッジで槽のレベルを上昇させることができる。

それでもなお、本発明は、挿入用壁面の数を四つに制限するものではない。本発明に係る装置は、ほぼ平面の縦方向の面のうちの一つと向かい合っている一つの挿入用壁面を有する単一のエッジ制御要素だけであってもよい。

挿入用壁面は、平行であるか外面的にフレアー(flare)であることが好ましい。

それぞれの挿入口の深さは１cm以下、挿入用壁面間の空間は７mm以下が好ましい。もちろん、上記の構成に限定されるものではない。

第一の実施態様として、るつぼには、底面と側壁面があり、それぞれのエッジ制御要素は、動かないよう固定され底面に対し垂直に保持されている。例えば、ネジで締めることによりエッジ制御要素を保持する。もちろん、本発明は、上記した制御要素の保持手段に限定されるものではない。

上記第一の実施態様では、このエッジ制御要素は移動しない。特に、これはリボンの移動が自動的に、場合によっては測定をせずに行ってもかまわない製品にも適応できる。加えて、この装置は丈夫で安定性がある。

さらに、それぞれのエッジ制御要素は、底面に向かって縦方向に伸び、底面と一体型になっているのが好ましい。それぞれのエッジ制御要素は、槽の中に浸漬した少なくとも1つの開口部（orifice）も備えているため、上記要素にシリコンを供給するのに適している。この結果、槽は支持体の縁にシリコンを供給できる。この開口部はミリメートルのオーダーとし、底面近傍に備えるのが好ましい。

第二の実施態様として、それぞれのエッジ制御要素は、前記挿入口を含んだプレート(plate)を有している。このプレート(plate)は、槽の平衡な液面と接している。

槽の液面と接触したプレート(plate)は、るつぼ外側の移動手段と接続しているのが好ましく、また、プレートは垂直方向だけ移動できるのが好ましい。

それぞれのプレートは、前記挿入口を備えたディスク(disk)を有することが好ましい。このディスクは、１０mm以上の半径が有効であり、好ましくは１２mm程度である。

さらに、この第2の実施態様では、挿入用壁面間の空間は、約２mmが好ましい。

それぞれのエッジ制御要素は、シリコンとは反応しない材料を主成分とし、この材料は、グラファイト(graphite)、炭化ケイ素(silicon carbide)及び窒化ケイ素(silicon nitride)から選択されるのが好ましい。

エッジ制御要素は、シリコンの放射率よりも大きな放射率であることが好ましい。

もちろん、本発明は上述した特徴に限定されない。

本発明の他の特徴及び有益性は、以下の本発明を限定したものではない図に記載した実施形態で述べる。

図1は、上から見た本発明に係る装置の第一の実施態様を示した図である。
図2は、図1に記載した装置の垂直断面に係る3次元図である。
図3は、本発明に係る装置の第二の実施態様を垂直断面として示した図である。
図4は、上から見た本発明に係る装置の第三の実施態様を示した図である。

同一または類似の要素(機能及び/または構造)は、本発明のすべての実施態様において同じ記載となる。

添付した図にはスケールを示していない。

図１及び図２には、ほぼ平面で細長い可動性支持材表面に多結晶質シリコンを主成分とした層を析出させるための第一の装置１００を示す。

上記装置１００は、グラファイト製の長方形のるつぼ１と溶融シリコンの槽２を含む。るつぼの底面１１には切断面が長方形の垂直なリブ(rib)１１１があり、カーボンリボン４のような平面な支持材が垂直に入る狭い線状挿入口３を形成している。上記リボンは二つの縦の面４３、４４と二つの縦のサイドエッジ４１、４２を有し、水平の平衡な液面２１を通り抜けて槽２から離れる。挿入口３の幅は、液体シリコンにつながるメニスカスが挿入口３の内部で安定するように決められ、例えば約６００umの幅である。カーボンリボン４の厚さは、一般的には約２５０umである。

装置が稼動する際、リボン４が矢印１０の方向に移動するときに、リボン４が槽２から離れていき、多結晶シリコン層２０がリボン４の表面４３及び４４のそれぞれに析出する。

装置１００は、さらに、二つの縦方向のエッジ４１、４２の両サイド付近でほぼ垂直に維持された二つのエッジ制御要素５、５´を有する。

リボンを引っ張るための条件は、一定の所定値の厚さを有する平らなシリコンフィルムが得られるよう決定される。例えば外側縁で８０〜１００umの厚さ、できればすべてのエッジにおいて８０〜１００umの厚さである。引っ張りのスピードは、例えば８〜１０cm/minである。

それぞれのエッジ制御要素５、５´は壁面５１〜５３、５１´〜５３´により、縦方向のサイドエッジ４１、４２のうちの一つとそれぞれ対応する縦方向の挿入口５４、５４´を形成している。それぞれの挿入口は、部分的に槽２に浸漬している。これにより、対応する縦方向のサイドエッジの近傍で毛管現象が生じ、槽のレベルが上昇する。

リボン４の対応する縦方向の面４３、４４に部分的に面したいわゆる二つの挿入用壁面（insertion wall）５１及び５２並びに５１´及び５２´は、平面であり、例えば平行である。

下記のパラメータを変えることにより、挿入口に沿った液体シリコンの毛管現象を用いた槽の上昇を制御することができる。パラメータとしては、挿入用壁面５１及び５２並びに５１´及び５２´の間の空間とその長さ、エッジ４１、４２の挿入の程度がある。

これらのパラメータを調整することで、従来技術の装置では温度がばらついているのと比較して、リボンのエッジ上に等温で結晶体を上昇させることができる。

それぞれの挿入口５４，５４´の深さは、１cm以下である。挿入用壁面間の空間は、７mm以下である。

等温結晶体がリボン４の一面を覆うように、制御要素５，５´をリボンのエッジ４１、４２との位置関係で調節する。

それぞれの制御要素は動かないよう固定され、底面１１に対し垂直に保持されている。さらに詳しく述べると、それぞれの制御要素はフィッティング(fitting)を有している。このフィッティングは、縦方向に伸び、リブ１１１の上面で底面１１に制御要素を固定している。フィッティングには、例えば一組のグラファイト製のネジ６、６´がある(ネジの外観は目には見えず、図２において破線で表している)。

これにより、より複雑な形状に製造すること、及びるつぼ１の加工費用を削減することが可能となる。制御要素の材料は、るつぼの材料と同じでも異なっていてもよい。制御要素の材料は、シリコンとは反応せず、シリコンの放射率よりも大きな放射率を有するものから選択する。

さらに、それぞれのエッジ制御要素５、５´には、槽２に浸漬した少なくとも一つの開口部（orifice）７、７´があるため、シリコンの供給に適している。この開口部は、底面１１の近傍に設けるのが好ましい。さらに、図では本発明に係る装置を、ふたのない状態で表した。

エッジ制御要素５、５´は同一であり、リボン４のそれぞれのエッジ４１、４２及びそれぞれの面４３、４４と同じレベルに位置していることが好ましい。

図示していないが、当然、実際には、本発明に係る装置１００には、るつぼの周囲に配置した加熱手段も備えられている。これにより、シリコンを液体の状態に維持することができる。

さらに、槽の深さH1、H2は、例えば、わずか±２００umであっても、適当な手段で調節することができる。

図３は、垂直断面にて本発明に係る装置２００の第二の実施態様を示した図である。

これは第一の実施態様とは相違している。この第二の実施態様では、エッジ制御要素５、５´は縦方向に伸びて底面１１にまで及び、底面１１と一体となった構造を形成している。

図４は、本発明に係る装置３００の第三の実施態様を上から示した図である。

この装置３００は、二つの縦方向のサイドエッジ４１、４２の一方と相対し、垂直にしっかり保持された二つのエッジ制御要素１５、１５´を備えている。

それぞれのエッジ制御要素１５、１５´は、１５１〜１５３、１５１´〜１５３´の壁面を有し、この壁面がリボン４の縦のサイドエッジ４１、４２のうちの一つを覆う縦の挿入口１５４、１５４´を形成している。それぞれの挿入口１５４、１５４´を槽２の一部に浸漬させることにより、縦のサイドエッジ４１、４２の近傍で毛管現象を生じさせて、槽のレベルを上げる。

さらに詳細には、それぞれのエッジ制御要素は、例えば厚さ約１mmで槽２の平衡な水平液面２１と接する水平の底面を有したプレート(plate)１５、１５´を備えている。このプレートが、前記平衡な液面２１から予定した高さまで上昇する。

これらのプレート１５、１５´は、上記の挿入口１５４、１５４´も形成する。例えば、これらのプレート１５、１５´は、効果的な直径が１０mm以上の円形である。

上記プレート１５、１５´は、液体シリコンで濡らすことができ、シリコンの放射率よりも大きな放射率を有する材料で製造する。例えば、プレートはグラファイト製である。

それぞれの制御要素１５，１５´については、対応する縦方向の面４１、４２と部分的に向かい合う二つのいわゆる挿入用壁面１５１と１５２、１５１´と１５２´は、平面であり、さらには、例えば平行である。

挿入用壁面間の空間は、約２mmが選択される。

それぞれのプレート１５、１５´は、支持材（support）によって固定されている。例えば、それぞれの前記プレートの中心を外れた部分が、棒(rod)１７、１７´の一つの末端で固定されている。棒１７、１７´の末端は、グラファイト製でありブラケット（bracket）の形状が好ましい。それぞれの棒のもう一方の末端は、プレートの移動を制御する能力を有する機械システム(mechanical system)１９、１９´の出力口（outlet）１８、１８´に固定されている。この場合、機械システムとは分離して縦方向の軸１０´があるのが好ましい。上記システムはるつぼ１の外側に設置するのが好ましい。

上記したエッジ制御により、シリコンめっきの製造効率を高めることができる。さらに、１）使用可能面積の増大、つまり、一般的には一表面あたり１０mm幅の増大。２）カーボンリボン上のシリコン析出において、相対的にほとんどシリコンめっきの破損のない析出。３）エッジ部におけるシリコン層の電気的特性の改善、つまり、本発明では外側縁におけるシリコン粒子の析出層においても他の部分と十分同じシリコン層の組織とすることができる。

本発明に係る装置は、光電池の製造に使用できる。

当然のことながら、本発明は、上記の実施態様に限定されるものではない。

上から見た本発明に係る装置の第一の実施態様を示した図である。 図1に記載した装置の垂直断面に係る3次元図である。 本発明に係る装置の第二の実施態様を垂直断面として示した図である。 上から見た本発明に係る装置の第三の実施態様を示した図である。

Claims (19)

1. 平面で細長い、二つの縦の面（４３、４４）と縦のサイドエッジ（４１、４２）を有する可動性支持材（４）上に、多結晶シリコンを主成分とした層（２０）を析出させる装置（１００、２００、３００）であり、
   該装置（１００、２００、３００）は、溶融シリコンの槽（２）及び槽（２）の中に少なくとも一部が浸漬し槽（２）の平衡な液面（２１）に対し縦方向にほぼ垂直になるよう設計された支持材（４）を有するるつぼ（１）、並びに縦方向のサイドエッジ（４１、４２）のうちの一つの近傍でほぼ垂直に設置されている少なくとも1つのエッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）を有し、
   それぞれの該エッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）には壁面（５１〜５３´、１５１〜１５３´）があり、壁面（５１〜５３´、１５１〜１５３´）が縦のサイドエッジ（４１、４２）近くに縦の挿入口（５４、５４´、１５４、１５４´）を形成し、
   それぞれの挿入口（５４、５４´、１５４、１５４´）は、縦のサイドエッジ（４１、４２）付近で毛管現象により槽（２）の液面（２１）レベルが上昇できるよう槽（２）の一部に浸漬し、
   該縦の面（４３、４４）のうちの一つの一部に面した挿入用壁面と呼ばれる壁面（５１〜５２´、１５１〜１５２´）のうち少なくとも1つは平面である、ことを特徴とする多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
2. 前記エッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）が二つ有り、エッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）が、二つのほぼ平面な挿入用壁面を備えることを特徴とする、請求項１に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
3. 前記挿入用壁面（５１〜５２´、１５１〜１５２´）が、平行または外面的にフレアーであることを特徴とする、請求項２に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
4. それぞれの前記挿入口（５４、５４´）の深さが、１cm以下であることを特徴とする、請求項２または３に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
5. 前記挿入用壁面（５１〜５２´、１５１〜１５２´）の間の空間が、７mm以下であることを特徴とする、請求項２ないし４の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
6. 前記るつぼ（１）が、底面（１１）と側壁（１２）を備え、それぞれのエッジ制御要素（５、５´）が、固定され、底面（１１）に垂直に保持されることを特徴とする、請求項２ないし５の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００）。
7. 前記るつぼ（１）が底面（１１）と側壁（１２）を備え、エッジ制御要素（５、５´）が縦方向に底面（１１）にまで伸びることを特徴とする、請求項２ないし５の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００）。
8. 前記エッジ制御要素（５、５´）が、底面（１１）と一体型構造をとることを特徴とする、請求項７に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００）。
9. それぞれの前記エッジ制御要素（５、５´）には、槽（２）の中に浸漬した少なくとも1つの開口部（７、７´）があり、エッジ制御要素（５、５´）にシリコンを供給するのに適していることを特徴とする、請求項７または８に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００）。
10. 前記開口部（７、７´）が、ミリメートルのオーダーであり、底面（１１）近傍に備えられていることを特徴とする、請求項９に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００）。
11. それぞれの前記エッジ制御要素（１５、１５´）が、挿入口（１５４、１５４´）を有するプレート（１５、１５´）を備え、プレート（１５、１５´）が槽（２）の平衡な液面（２１）に接することを特徴とする、請求項２ないし６に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（３００）。
12. 前記プレート（１５、１５´）と槽（２）の液面（２１）との接触が、プレート（１５、１５´）とるつぼ（１）の外側の移動手段（１９、１９´）の間の連結部（１７、１７´）により行われることを特徴とする、請求項１１に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（３００）。
13. 前記移動手段（１９、１９´）により、プレート（１５、１５´）が、垂直方向にだけ移動することを特徴とする、請求項１２に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（３００）。
14. それぞれの前記プレート（１５、１５´）が、挿入口（１５４、１５４´）を有する円盤を備え、該円盤の直径が１０mm以上であることを特徴とする、請求項１１ないし１３の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（３００）。
15. 前記円盤の直径が約１２mmであることを特徴とする、請求項１４に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（３００）。
16. 前記挿入用壁面（１５１〜１５２´）の間の空間が、約２mmであることを特徴とする、請求項１１ないし１５の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（３００）。
17. それぞれの前記エッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）が、シリコンと反応しない材料製であることを特徴とする、請求項１ないし１６の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
18. 前記エッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）の材料が、グラファイト、炭化ケイ素及び窒化ケイ素からなる群から選択される化合物であることを特徴とする、請求項１７に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
19. それぞれの前記エッジ制御要素（５、５´、１５、１５´）が、シリコンの放射率よりも大きな放射率を有する材料製であることを特徴とする、請求項１ないし１８の何れか１項に記載の多結晶シリコンを主成分とした層の析出装置（１００、２００、３００）。
    

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