JP2012012277A - 消波構造付容器、およびそれを用いた板状半導体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】浸漬タクトを低下させることなく、平滑性に優れた板状半導体を作製することができる消波構造付容器を提供する。
【解決手段】本発明の消波構造付容器は、金属材料または半導体材料のいずれか一方を含有する融液に、成長基板を浸漬させるための坩堝と、該坩堝の上面に接して取り付けられた保持体と、該保持体の融液の液面側に取り付けられた支持体と、該支持体に接触して設けられた消波構造とを含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、消波構造付容器に関し、特に、連続して板状半導体を作製するときに融液の液面に生じる波立ちを消波しやすい消波構造付容器に関する。

近年、シリコン太陽電池が低コスト化していることから、その生産量は著しく増加している。さらにシリコン太陽電池を普及させるためには、シリコン太陽電池に主に用いられている多結晶シリコンを低コスト化する必要がある。

多結晶シリコンを形成する方法としては、たとえば特許文献１に示されるキャスト法と呼ばれる方法がよく用いられている。このキャスト法は、次の手順により行なわれる。まず、溶融したシリコンを坩堝内に充填する。そして、溶融したシリコンを坩堝の底から冷却することにより固化して結晶粒を成長させる。この結晶粒を主体とするインゴットを薄板状にスライスすることにより、太陽電池に用いられる板状シリコンを得る。

このようなキャスト法を用いて板状シリコンを作製すると、製造コストが高くなる傾向があった。製造コストが高くなる要因としては、スライスによるシリコンの損失が大きいこと、スライス工程そのものに時間およびコストがかかること等が挙げられる。

そこで、最近では、スライス工程を行なわずに板状の多結晶シリコンを得るための方法が種々提案されている。中でもキャスト法を代替し得る製造方法として、特に注目を集めている技術が、シリコンの融点以下に保持された成長基板をシリコン融液に接触させることにより、シリコン融液を固化させて、板状の多結晶シリコンを得るというものである。

このように成長基板上に直接板状の多結晶シリコンを作製することにより、製造コストの低減とシリコン原料の節約とを同時に達成することができる。しかも、シリコン融液の温度および浸漬させる深さ（浸漬深さ）を制御することにより、板状シリコンの厚みを調整することもできる。

このような板状シリコンの作製方法は、たとえば特許文献２および特許文献３に開示されている。特許文献２では、成長面上に点状または線状の凸部を有する成長基板を用いることにより、平滑性に優れた板状シリコンを作製する技術を開示している。このような表面形状の成長基板を用いることにより、凸部の先端を起点としてシリコン結晶が成長する。そして、隣接する凸部から成長したシリコン結晶が繋ぎ合わさることにより、結晶成長を制御し、板状シリコンを得る。

しかしながら、シリコンの融点以下に保持された成長基板がシリコン融液に接触すると、そのシリコン融液の近傍の温度が下がり、その部分のシリコン融液が固化して、結晶が形成される。この結晶が成長すると、成長基板をシリコン融液に接触させるときに、成長基板が結晶と衝突し、成長基板の制御機構または成長基板を損傷してしまう。これにより均一な厚みの板状シリコンを作製することができなくなるという問題があった。

また、特許文献３には、成長基板がシリコン融液と接触した時に電気が流れるリレーと、成長基板が動き出してからの時間および位置のプログラムとを組み合わせることにより、シリコン融液の液面の高さ変化を把握する溶融炉が開示されている。

特許文献３に開示される溶融炉は、坩堝に昇降機構がついており、この昇降機構により坩堝内のシリコン融液の界面が低下しても成長基板が浸漬できるように坩堝の位置を調整することができる。そして、ある一定以上坩堝内のシリコン融液の界面が低下すると、副坩堝から坩堝にシリコン融液が投入されて、坩堝内のシリコン融液の量が一定の量に戻される。

特開平１１−０２１１２０号公報 特開２００１―２２３１７２号公報 特開２００９―２６３１７４号公報

しかしながら、特許文献３の製造方法によって成長基板を浸漬させると、浸漬させたときにシリコン融液の液面が波打ってしまう。このシリコン融液の液面の波が坩堝壁まで至ると、坩堝壁との摩擦抵抗、シリコン融液の粘性抵抗等により多少は減衰されるが、坩堝壁が平滑であるため、大部分は反射されて再び坩堝の中央付近に戻る。その後、さらに反対側の坩堝の壁面で反射されるという現象が繰り返される。

この波打ったシリコン融液の液面に対し、成長基板を浸漬させると、この波の頂部と成長基板の凹部とが接触したときに、成長基板の凹部からシリコンが成長し、その部分が分厚くなり、均一な厚みの板状のシリコンを得ることができなくなるという問題があった。これに関し、図１５を用いて以下に説明する。

図１５は、シリコン融液の液面に波が立っているときに成長基板を浸漬させて作製した板状シリコンの断面を模式的に示した図である。シリコン融液の液面が波打っているときに成長基板を浸漬させると、シリコン融液の波の頂部に相当する部分が、図１５の成長基板３の凹部４ｍに接触し、その部分からも結晶成長が始まる。

よって、図１５の矢印に示すように、シリコン融液の頂部が接触した部分が局所的に結晶成長し、その部分の板状シリコン４の厚み４ｎが厚くなる。このため、シリコン融液の液面の波立ちが収まらないうちに成長基板３を浸漬して得られた板状シリコンは、厚みが均一でないものとなってしまう。

この問題を避けるために、シリコン融液の波立ちが収まるまで待ってから、次の成長基板を浸漬させてもよい。しかし、成長基板を浸漬させる間隔（以下において「浸漬タクト」とも記す）を長くすると、生産性が著しく低下する。このため、従来の坩堝を用いて、板状シリコンの平滑性を損なわずに生産性を向上させることはできなかった。

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、融液面に生じる波打ちを減衰する消波構造を設けることにより、浸漬タクトを低下させることなく、平滑性に優れた板状半導体を作製することができる消波構造付容器を提供することである。

本発明の消波構造付容器は、金属材料または半導体材料のいずれか一方を含有する融液に、成長基板を浸漬させるための坩堝と、該坩堝の上面に接して取り付けられた保持体と、該保持体の融液の液面側に取り付けられた支持体と、該支持体に接触して設けられた消波構造とを含むことを特徴とする。

保持体と支持体とは、ネジ部、またははめ込み部によって取り付けられており、ネジ部、またははめ込み部は、融液に接触しない位置に設けることが好ましい。

坩堝と支持体との間に、断熱材を備え、坩堝の底面から垂直方向に向けて消波構造を投影すると、消波構造の投影像の全てが断熱材に投影されることが好ましい。断熱材は、坩堝の一端から相対する一端まで設けられることが好ましい。

支持体の融液から出ている部分周辺の融液面の直上に、断熱材を備えることが好ましい。断熱材は、アルミナボード、カーボン、およびカーボンコンポジットからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。

消波構造は、略直方体であり、消波構造の底面は、坩堝の底面に略平行に設けられることが好ましい。消波構造の坩堝の底面側とは反対側の表面に、１以上の柱状部を設けることが好ましい。柱状部は、三角柱状または円柱状であることが好ましい。消波構造は、その上面に傾斜構造体が設けられており、該傾斜構造体は、坩堝の壁面側から坩堝の中央側に傾斜していることが好ましい。

本発明の板状半導体の製造方法は、上記の消波構造付容器に対し、融液の液面が保持体と消波構造との間になるように融液を準備するステップと、融液に対し、成長基板を浸漬させることにより、成長基板の表面に板状半導体を形成するステップとを含むことを特徴とするものでもある。

本発明の消波構造付容器は、上記の構成を有することにより、融液の液面の波立ちを効果的に減衰することができ、もって浸漬タクトを低下させることなく、平滑性に優れた板状半導体を作製することができる。

実施形態１の消波構造付容器の一例の上面図である。 図１の消波構造付容器をＡ−Ａ’面で切断したときの断面図である。 実施形態２の消波構造付容器の一例の上面図である。 図３のＢ−Ｂ’面で切断したときの断面図である。 実施形態３の消波構造付容器に用いる消波構造の斜視図である。 実施形態４の消波構造付容器に用いる消波構造の斜視図である。 実施形態５の消波構造付容器に用いる消波構造の斜視図である。 実施形態６の消波構造付容器に用いる消波構造の斜視図である。 実施形態７の消波構造付容器に用いる消波構造の斜視図である。 本発明の消波構造付容器を備えた溶融炉の構造を示す模式的な断面図である。 板状半導体の成長に用いる成長基板の一例を示す斜視図である。 板状半導体の成長に用いる成長基板の一例を示す斜視図である。 本発明の消波構造付容器を用いて、成長基板の表面に板状半導体を成長させた後の状態を示す模式的な断面図である。 本発明の消波構造付容器を用いて、成長基板の表面に板状半導体を成長させた後の状態を示す模式的な断面図である。 シリコン融液の液面に波が立っているときに成長基板を浸漬させて作製した板状シリコンの断面を模式的に示した図である。

以下、本発明の消波構造付容器を図面に基づいて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法関係を表わすものではない。

＜実施形態１＞
（消波構造付容器）
図１は、本実施形態の消波構造付容器の一例の上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’面で切断したときの断面図である。本実施形態の消波構造付容器１００は、図２に示されるように、金属材料または半導体材料のいずれか一方を含有する融液１１５に、成長基板３を浸漬させるための坩堝１１０１と、該坩堝１１０１の上面に接して取り付けられた保持体１１４と、該保持体１１４の融液の液面側に取り付けられた支持体１１３と、該支持体１１３に接触して設けられた消波構造１１２とを含むことを特徴とする。

本発明の消波構造付容器１００は、図２に示されるように、成長基板３を融液１１５に接触させることにより、成長基板３の表面に板状半導体を得る。この融液１１５に成長基板３を接触させると融液１１５の液面に波が生じるが、本発明の消波構造付容器１００はその波が消波されやすいことにより、均一な厚みの板状半導体を効率よく作製し得る。

一般に、波が急激に深度が変わる部分を通り過ぎると、波の波長が変化したり、渦域が発生したり、波が砕けたりして波が減衰する。本発明の消波構造付容器１００は、この原理を利用したものであり、坩堝１１０１中に消波構造１１２を設けることにより、融液１１５の液面に生じた波を早期に減衰させることができる。

すなわち、図２に示されるように、坩堝１１０１内に消波構造１１２を設けることにより、消波構造１１２が設けられている部分と設けられていない部分とで融液の深度が大きく異なる。この部分を融液１１５の液面に生じた波が通過すると、波の波長が変化したり、渦域が発生したり、波が砕けたりして波が早く消波される。これにより成長基板３の浸漬タクトを早めることができ、もって板状半導体の製造効率を向上させることができる。なお、「浸漬タクト」は、成長基板３を浸漬させる時間的な間隔を意味する。

本発明の消波構造付容器の消波性能を得るためには、消波構造１１２と保持体１１４との間が、融液１１５の液面となるように設置する必要がある。以下、本発明の消波構造付容器１００を構成する各部を説明する。

（坩堝）
本発明の消波構造付容器１００に用いられる坩堝１１０１は、成長基板３を浸漬し得る程度の開口を有するものであれば、いかなる形状であってもよく、図１に示されるように角型のものを用いてもよいし、円型のものを用いてもよい。このような坩堝１１０１に用いられる材料としては、耐熱性に優れた材料であることが好ましく、たとえば高純度黒鉛、炭化ケイ素、石英、窒化ホウ素、アルミナ、酸化ジルコニウム等を用いることが好ましい。これらの中でも比較的安価であり、所望の形状に加工しやすいという観点から、高純度黒鉛を用いることが好ましい。

（消波構造）
本実施形態の消波構造付容器１００は、融液１１５の液面に生じる波を減衰させるための消波構造１１２を設けることを特徴とする。この消波構造１１２は、直方体の形状のものを示しているが、このような形状のもののみに限られるものではなく、消波効果が得られる一般的な構造であればその形状は特に限定されない。このような消波構造１１２は、波の進行方向に対する長さが長いほど波を減衰する効果が高いため、波の進行方向に対する長さが長いことが好ましい。

また、図１に示されるように、坩堝１１０１の幅１１１Ｗに対する消波構造１１２の幅１１２Ｗは半分以上であることが好ましい。半分未満であると、波の減衰効果が小さくなるためである。

ここで、融液１１５の液面と消波構造１１２の上面との間の距離１１２ｄは、波の減衰効果を高めるという観点からは狭い方が好ましい。特に、距離１１２ｄが、３０ｍｍ未満である場合、消波構造の厚み１１２ｈが５０ｍｍ以下であることが好ましい。５０ｍｍを超えると、消波構造１１２の側面（厚み部分）によって波を反射し、波の減衰効果を十分に得ることができないからである。また、融液１１５の液面と消波構造１１２の上面との間の距離１１２ｄは、３０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であってもよい。融液１１５の液面と消波構造１１２の上面との間の距離１１２ｄが４０ｍｍを超えると、融液１１５の液面と消波構造１１２の上面との距離が長くなりすぎて、波の減衰効果が小さくなる。

このような消波構造１１２は、図２に示されるように、略直方体であることが好ましく、この場合の消波構造１１２の底面は、坩堝１１０１の底面に略平行に設けることが好ましい。このような形状の消波構造１１２を坩堝１１０１に平行に設けることにより、融液１１５の液面と消波構造１１２との間隔を略等間隔にすることができる。これにより融液１１５の液面と消波構造１１２との間にある融液の波を消波しやすくなる。

（保持体）
本発明における保持体１１４は、坩堝１１０１の上面に接するように設けられるものである。これにより消波構造１１２に浮力または重力がかかっても、消波構造１１２を上下に動かすことなく固定することができる。このような保持体１１４は、熱が加わったときにも変形しにくい材質のものを用いることが好ましく、カーボンコンポジット、カーボン等の割れにくい材質を用いることがより好ましい。また、用いる材質によって保持体１１４の厚みを変更することが好ましいが、その厚みは、５ｍｍ以上であることが好ましい。

（支持体）
本発明における支持体１１３は、消波構造１１２と保持体１１４とを固定するために設けられるものである。このような支持体１１３は、消波構造１１２と一体のものであることが好ましい。支持体１１３と消波構造１１２とが一体であることにより、支持体１１３と消波構造１１２の間に隙間が形成されない。このように隙間が形成されないことにより、消波構造の破損を防止することができる。逆に、支持体１１３と消波構造１１２の間に隙間が形成されると、初期に坩堝内の融液を増やしていく段階で、支持体１１３と消波構造１１２の隙間に融液が入り込み、融液が凝固して膨張するため、消波構造が破損しやすくなる。

また、保持体１１４と支持体１１３とは、ネジ部またははめ込み部によって取り付けられており、このネジ部またははめ込み部は、融液に接触しない位置に設けることが好ましい。これによりネジ部およびはめ込み部の破損を防止することができる。一方、ネジ部またははめ込み部が融液に接触すると、融液がネジ部またははめ込み部に入り込んで凝固して破損する可能性がある。特に、融液の液面を高くしたときに、融液がネジ部またははめ込み部に入り込んで凝固して破損しやすくなる。

（成長基板）
本発明の消波構造付容器を用いて板状組成物を形成するときに用いられる成長基板３は、それを浸漬させる表面に凹凸形状が形成されているものであれば、いかなるものをも用いることができる。このような成長基板としては、図１１に示されるように、ストライプ状に凸部３ｈが形成されていてもよいし、図１２に示されるように、三角錐の頂点のような形で凸部３ｊが形成されてもよい。また、図１１および図１２に示される形態以外の凹凸形状を有する成長基板であってもよい。

また、成長基板３に用いられる材質は、特に限定されることなくいかなるものをも使用することができるが、熱伝導性や耐熱性に優れた材料を用いることが好ましい。このような材料は、得られる板状半導体の品質などの種々の特性を考慮して適宜選択することが好ましく、たとえば高純度黒鉛、炭化ケイ素、石英、窒化ホウ素、アルミナ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、および金属からなる群から目的に応じて最適なものを選択すればよい。これらの中でも比較的安価であり、所望の形状に加工しやすいという観点から、高純度黒鉛を用いることが好ましい。

成長基板として金属を用いる場合、成長基板を常に冷却し続けることにより、融点以下の温度で成長基板を使用する必要があるが、得られた板状シリコンの特性にさほど影響を与えない限り、特に問題なく用いることができる。

（溶融炉）
図１０は、本実施形態の消波構造付容器を備えた溶融炉の構造を示す模式的な断面図である。図１０を参照し、本実施形態の消波構造付容器を備えた溶融炉を用いて、成長基板上に板状シリコンを成長させる方法を説明する。以下においては、シリコン融液を用いて板状シリコンを作製する場合を例にとり説明するが、本発明の消波構造付容器は、シリコン融液を用いる場合のみに限られるものではなく、シリコン以外の金属材料または半導体材料（特に高い融点の半導体材料）の少なくとも一方を含む融液を用いることができる。ここで、金属材料としては、たとえばアルミニウム、鉄等を挙げることができ、半導体材料としては、たとえばゲルマニウム等を挙げることができる。

また、本発明の消波構造付容器を備える溶融炉は、シリコン融液に成長基板を接触させることができ、かつ成長基板を浸漬する坩堝中のシリコン融液量を調節し得る限り、図１０に示す溶融炉に限定されるものではなく、いかなる製造装置をも用いることができる。

図１０に示される溶融炉１０００は、坩堝１１０１と、副坩堝１２０１とを有する。坩堝１１０１の側面には断熱膜１１０３が備え付けられており、断熱膜１１０３の外周を取り囲むように坩堝加熱装置１１０４が備え付けられている。また、坩堝１１０１の底面には耐火煉瓦１１０５が取り付けられており、耐火煉瓦１１０５は坩堝受け１１０６上に設置されている。なお、坩堝１１０１の内部には、消波構造が設けられるが、説明の便宜上図１０では消波構造を図示していない。

また、副坩堝１２０１の側面にも断熱膜１２０３が備え付けられており、断熱膜１２０３の外周を取り囲むように副坩堝加熱装置１２０４が備え付けられている。また、副坩堝１２０１の底面には耐火煉瓦１２０５が取り付けられており、耐火煉瓦１２０５は副坩堝受け１２０６上に設置されている。

また、副坩堝１２０１には融液搬送部１３０１が接続されている。この融液搬送部１３０１は、副坩堝１２０１から溢れ出したシリコン融液１２０２を坩堝１１０１に搬送するために設けられる。また、融液搬送部１３０１の外周には断熱膜１３０３が取り付けられており、断熱膜１３０３の外周を取り囲むようにして融液搬送部加熱装置１３０４が取り付けられる。さらに、副坩堝１２０１の上方には固体原料投入装置１４０１が設置されており、固体原料投入装置１４０１によってシリコン原料１４０２が副坩堝１２０１内に投入される。

また、坩堝受け１１０６および副坩堝受け１２０６はともに坩堝昇降装置１１０７上に設置されており、坩堝昇降装置１１０７は、坩堝１１０１および副坩堝１２０１の位置を上下に移動（鉛直方向に移動）させる機能を有している。

そして、融液高さ検知器１５０３は、電気配線１０５２を通じて坩堝１１０１に接続されているとともに、電気配線１０５１を通じて成長基板浸漬装置に接続されている。成長基板浸漬装置および成長基板３にはいずれも、たとえば黒鉛等の電気的に導体の材料を用い、これらによって互いに電気的に導通している。

（融液を準備するステップ）
次に、成長基板３をシリコン融液内に接触させたときに、成長基板から成長基板浸漬装置、電気配線１０５１を通じて融液高さ検知器１５０３に伝えられる。この導通し始めたときによって、シリコン融液１１０２の液面の高さを特定する。そして、消波構造付容器に対し、融液の液面が保持体と消波構造との間になるようにシリコン融液１１０２を準備する。そして、成長基板３を浸漬させることにより、坩堝１１０１中のシリコン融液１１０２の液面の高さがたとえば１ｍｍ下がったことを融液高さ検知器１５０３が感知すると、経路１５０５を通して固体原料投入制御装置１５０６にシリコン融液１１０２の液面の高さを伝達する。

この固体原料投入制御装置１５０６は、経路１５０７を通して固体原料投入装置１４０１に、１ｍｍ下がった分のシリコン原料１４０２を副坩堝１２０１に投入する。これにより坩堝１１０１内のシリコン融液の液面を初期の湯面位置から１ｍｍの程度の変化でコントロールすることができる。

ここで、坩堝１１０１および副坩堝１２０１には予めシリコン原料１４０２が充填されており、坩堝加熱装置１１０４によって坩堝１１０１を加熱し、副坩堝加熱装置１２０４によって副坩堝１２０１を加熱する。これにより坩堝１１０１内のシリコン原料１４０２が溶融してシリコン融液１１０２となり、副坩堝１２０１内のシリコン原料１４０２が溶融してシリコン融液１２０２となる。ここで、シリコン融液の温度は、シリコンの融点以上であって１５００℃以下であることが好ましい。１５００℃を超えると、板状シリコンの成長速度が遅くなりすぎて生産性が低下する。

そして、固体原料投入装置１４０１からシリコン原料１４０２を副坩堝１２０１に投入することによって、副坩堝１２０１に保持されていたシリコン融液１２０２が副坩堝１２０１から溢れ出し、融液搬送部１３０１に流れ込む。融液搬送部１３０１に流れ込んだシリコン融液１２０２は、坩堝１１０１に供給される。これにより坩堝１１０１に保持されているシリコン融液１１０２の量を増加させることができる。

固体原料投入装置１４０１から副坩堝１２０１へのシリコン原料１４０２の投入を繰り返すことにより、副坩堝１２０１に保持されたシリコン融液１２０２の量が増加し、ある一定以上の量になると、副坩堝１２０１に設けられた開口からシリコン融液１２０２が融液搬送部１３０１に流れ込むこととなる。

以上のような構成の溶融炉１０００を用いて板状シリコン４を製造する場合には、まず坩堝１１０１にシリコン融液１１０２を保持させるとともに副坩堝１２０１にシリコン融液１２０２を保持させる。

そして、図１０に示されるように、成長基板浸漬装置に成長基板３を設置し、成長基板３を坩堝１１０１に保持されたシリコン融液１１０２に接触させることによって、成長基板３の表面上にシリコン融液１１０２を付着させ、その付着したシリコン融液１１０２が凝固することによって成長基板３の表面上に板状シリコン４を形成する。

ここで、シリコン融液１１０２に成長基板３を接触させるときの成長基板３の表面温度は、１１００℃以下であることが好ましい。１１００℃を超えると、板状シリコン４の成長速度が遅くなるとともに、成長基板３と板状シリコン４とが固着して生産性が低下するからである。このようにして形成した板状シリコン４は、チャンバ内で成長基板３から剥離してもいいし、チャンバ外に搬出してから成長基板３を剥離してもよい。

（板状半導体を形成するステップ）
図１３および図１４は、本実施形態の消波構造付容器を用いて、図１２の成長基板の表面に板状半導体を成長させた後の状態を示す模式的な断面図である。図１２の成長基板を図２中の矢印に示される方向に、成長基板３の成長面が融液に接触するように左から右に移動させる。このとき、成長基板３の温度が融液の融点よりも低いため、成長基板３に接触した点状の凸部３ｊに優先的に結晶核が発生し、この結晶核を中心として結晶成長が始まる。

上記の点状の凸部３ｊから成長した曲面形状の結晶は、隣り合う点状の凸部３ｊから放射状に結晶成長が始まる。そして、凸部３ｊから成長した結晶が互いにつながり、凹凸を有する板状シリコン４が形成される。このため、板状シリコン４の凹凸形状は、成長基板３の凹凸形状に対応するものとなる。すなわち、成長基板３の点状の凸部３ｊに接する点（成長基板３の融液と接触する点）に対応する板状シリコン４の表面が板状シリコン４の凸部４ｋとなる。

したがって、成長基板３の点状の凸部３ｊの間隔は、板状シリコン４の凹凸面における凸部４ｋの間隔にほぼ一致する。なお、上記においては、図１２に示す成長基板を用いて板状シリコンを形成する場合を説明したが、この成長基板を用いる場合のみに限られるものではなく、図１１に示される成長基板３を用いて板状シリコンを形成する場合も同様である。

ここで、板状シリコンの成長基板３側の形状は、融液の表面張力、成長基板の温度、融液に成長基板３を浸漬させる時間、成長基板３の凹凸構造の形状などの諸因子によって決まる。たとえば融液の温度が低い場合、成長基板３の温度が低い場合、または結晶成長の時間が短い場合、図１３に示されるように、結晶核から融液側の方向に放射状に結晶成長が進む。これは、成長基板３の点状の凸部３ｊから結晶成長が始まり、融液が凹凸構造の凹部まで進入しないうちに固化するためである。

一方、融液の温度が高い場合、成長基板３の温度が高い場合、または結晶成長の時間が長い場合、図１４に示されるように、結晶核から成長基板３の凹部に向かう方向に結晶成長が進む。これは、シリコン融液と成長基板３の温度が高いために、融液が凹凸構造の凹部に進入してから固化するためである。

このように、融液の温度、成長基板３の温度、または結晶成長の時間を適宜調整することにより、成長基板３との接触面側に成長する板状シリコン４の平滑性を調整することができる。

本実施形態の消波構造付容器は、図２に示されるように、融液の表面から外気に露出している支持体１１３の部分が、その支持体１１３付近の融液の温度が低下しやすい。特に、融液の液面は、外気に触れて温度が低くなりやすいため、支持体１１３と融液の液面とが接する部分付近から凝固が始まりやすい。そして、その凝固が生じ始めた部分から成長基板が浸漬する部分まで凝固が進むと、成長基板を浸漬できなくなる場合がある。これに対し、融液の温度を高くするという解決方法も考えられるが、これにより浸漬するときの融液の温度に制限が加わり、良好な板状シリコンを作製しにくくなる。

このことは消波構造の上面が融液から一部出ている場合も同様のことが言える。また、消波構造が融液から出ていなくても、消波構造の上面と融液の液面との距離が狭くなると、その部分の融液は、その他の領域にある融液に比して対流が十分でなくなる。このとき、その部分にある融液の温度が下がって、凝固が進行し、成長基板を浸漬できなくなる。以下に説明する実施形態２は、かかる融液の凝固の問題を解消し得る。

＜実施形態２＞
図３は、本実施形態の消波構造付容器の一例の上面図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ’面で切断したときの断面図である。本実施形態の消波構造付容器は、図３および図４に示されるように、実施形態１の消波構造付容器に対し、坩堝１１０１の上面の一部に断熱材１１６を設置したことが異なる他は、実施形態１の消波構造付容器と同様のものである。

このように坩堝１１０１の上面の一部に断熱材１１６を設置することにより、融液１１５の表面から外部に熱が放出されることなく、融液１１５の表面に輻射されることになり、融液１１５の表面温度を高く維持することができる。これにより融液１１５の液面が凝固するのを防ぐことができ、もって板状半導体を連続して作製し得る枚数を増やすことができる。以下においては、本実施形態で用いる断熱材１１６を説明する。

（断熱材）
本発明の消波構造付容器において、断熱材１１６は、図３に示されるように、坩堝１１０１と支持体との間に設けられることを特徴とする。かかる断熱材１１６は、その坩堝１１０１の上面を覆う面積が大きいほうが好ましい。坩堝１１０１の上面を覆うほど融液の液面の冷却を抑制することができる。

ここで、坩堝の底面から垂直方向に向けて消波構造１１２を投影すると、消波構造１１２の投影像の全てが断熱材１１６に投影されることが好ましい。すなわち、消波構造１１２の上面には、断熱材１１６が設けられていることが好ましい。このような位置に断熱材１１６を設けることにより、消波構造１１２の上面にある融液の冷却を抑制し、その部分の融液１１５が凝固されにくくなる。これにより板状半導体を連続して作製し得る枚数を増やすことができる。

上記の断熱材１１６が坩堝１１０１の一端から相対する一端まで設けられることがより好ましい。これにより成長基板の移動方向に垂直であって、融液の液面の方向に対する融液温度を均一にすることができ、もって作製される板状半導体の厚みを均一にすることができる。

上記の支持体１１３の融液１１５から出ている部分の直上に、断熱材１１６を備えることが好ましい。上述のように融液の表面から外気に露出している支持体１１３の部分周辺の融液の液面は、外気に触れて温度が低くなりやすく、支持体１１３と融液の液面とが接する部分付近から凝固が始まりやすい。上記のように支持体１１３の融液１１５から出ている部分の直上に、断熱材１１６を備えることにより、成長基板を浸漬させない部分の融液の液面の温度を上げることができ、もって支持体１１３とシリコン融液の液面とが接する付近の融液の凝固を抑制することができる。

本発明における断熱材１１６は、アルミナボード、カーボン、およびカーボンコンポジットからなる群より選択される１種以上を含むことが好ましい。このような材料は、断熱性に優れることから、融液から放出される熱を、再び融液に戻すように輻射することができる。

本実施形態で用いられる断熱材１１６は、融液の液面からの距離が５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の位置に設けることが好ましい。このような位置に断熱材１１６を設けることにより、熱の輻射を増やすことができ、もって融液表面の温度が低下するのを抑制することができる。断熱材１１６の位置が融液の液面から５ｍｍ未満であると、成長基板を浸漬させて融液に波が生じたときに、その融液が断熱材１１６に接触し、断熱材１１６の断熱性能が低下したり、融液に不純物が混入することになるため好ましくなく、５０ｍｍを超えると、断熱材１１６の輻射量が低減して、融液表面の温度が低下しやすくなる。

＜実施形態３＞
本実施形態の消波構造付容器は、実施形態１で用いた消波構造５１２の上面に対し、図５に示されるように、消波構造５１２の坩堝の底面側とは反対側の表面に、１以上の突起物５２１を設けることが異なる他は、実施形態１の消波構造付容器と同様のものである。このように１以上の突起物５２１を設けることにより、消波構造付容器の消波性能を高めることができる。以下においては、本実施形態で用いる突起物５２１を説明する。

（突起物）
本実施形態で用いる突起物５２１は、円柱状のものであり、その底面が消波構造５１２に接触して設けられるものである。図５に示されるように、融液の液面の波の進行方向に垂直な方向に突起物５２１を形成することにより、波が反射するときに波の位相が均一でなくなるため、略直方体の消波構造のみからなる場合よりも波の減衰効果を高めることができる。なお、図５においては、４つの突起物５２１を設けた場合を説明しているが、かかる突起物５２１の個数は特に限定されない。

上記の突起物５２１を消波構造５１２上に複数設ける場合、隣り合う突起物同士の間の距離５２１ｄは、５０ｍｍ以下であることが好ましい。５０ｍｍを超えると、波の位相をずらす効果を十分に得られず、波の減衰効果が小さくなるためである。また、突起物５２１の高さ５２１ｈは、融液面から突起物５２１が出ない程度の高さであることが好ましい。これにより突起物による消波性能を高めることができる。

また、突起物５２１の上面は、融液に生じる波が乗り越えられる高さよりも低いことが好ましい。これにより波が突起物５２１の上面を乗り越えるときに、大きなエネルギーを消費し、波の減衰効果を顕著に得られるからである。

ここで、突起物５２１が融液の液面から飛び出している場合、融液から出ている部分の突起物５２１の表面積は小さくすることが好ましい。これにより消波構造５１２の突起物５２１への輻射量、雰囲気温度、および融液温度によって、突起物５２１の先端から融液の凝固が発生し、これが成長基板の浸漬を妨げるまで融液が結晶成長するのを抑制することができる。

＜実施形態４＞
本実施形態の消波構造付容器は、実施形態３で用いた突起物が、図６に示されるような三角柱状のものであることが異なる他は、実施形態３の消波構造付容器と同様のものである。本実施形態のように突起物６２１として三角柱状のものを用いる場合、波の進行方向と垂直の方向に三角柱の側面が設置されていないことが好ましい。波の進行方向と垂直の方向に多角柱の側面が設置されると、三角柱の側面で反射される波を減衰する効果が低下するためである。

なお、本実施形態では、三角柱状の突起物６２１を示したが、三角柱状のみに限られるものではなく、多角柱状であればいかなる形状であってもよい。

＜実施形態５＞
本実施形態の消波構造付容器は、図７に示されるように、実施形態３で用いた円柱状の突起物の上面の一部が削られていることが異なる他は、実施形態３の消波構造付容器と同様のものである。

本実施形態のように、突起物７２１の上面が融液の液面に対して平行となっておらず、突起物７２１の坩堝の壁面に近い側の高さ７２１ｈが、突起物７２１の坩堝の壁面から遠い側の高さ７２１ｉよりも高くなっていることが好ましい。これにより坩堝の壁面に遠い側から突起物７２１を乗り越える波に対して、坩堝の壁面側から突起物７２１を乗り越える波が少なくなり、坩堝の壁面と突起物７２１との間で波が反射を繰り返し、波を減衰させる効果を高めることができる。

＜実施形態６＞
本実施形態の消波構造付容器は、図８に示されるように、実施形態４で用いた三角柱状の突起物の上面の一部が削られていることが異なる他は、実施形態４の消波構造付容器と同様のものである。これにより実施形態５で得られる効果と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、突起物の底面が三角形である場合を示しているが、三角形のみに限られるのではなく、多角形であればよい。

＜実施形態７＞
本実施形態の消波構造付容器は、図９に示されるように、実施形態１で用いた消波構造に対し、その上面に坩堝の壁面側から坩堝の中央側に傾斜する傾斜構造体が設けたことが異なる他は、実施形態１の消波構造付容器と同様のものである。すなわち、坩堝の壁面側の消波構造の高さ９１２ｈを高くし、その部分から坩堝の中央側に傾斜させるという構造のものである。これにより坩堝の壁面に遠い側から消波構造９１２を乗り越える波に対して、坩堝の壁面側から消波構造９１２を乗り越える波が少なくなり、坩堝の壁面と突起物９２１との間で波が反射を繰り返し、波を減衰させる効果を高めることができる。

以下、実施例を挙げて本発明の坩堝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。

（実施例１）
本実施例では、図１に示される消波構造付容器を作製した。まず、坩堝１１０１としては、内寸が縦５００ｍｍ（図１中の１１１ｗ）×横１０００ｍｍであって、高さが１５０ｍｍの角型の高純度カーボン製のものを用いた。この坩堝１１０１の上面に、断面が１０ｍｍ×２０ｍｍであって長さが約７００ｍｍの直方体からなる保持体１１４を２本固定した。この保持体１１４は、カーボンコンポジット製のものを用いた。

次に、上記保持体１１４の坩堝１１０１側の面にそれぞれ、４００ｍｍの間隔で２本（合計４本）の支持体１１３を取り付けた。この支持体１１３は、直径が１５ｍｍで高さが４０ｍｍの円柱形状であり、この支持体１１３の先には、縦４５０ｍｍ（図１中の１１２ｗ）×横３００ｍｍで高さが１０ｍｍの直方体からなる消波構造１１２が一体として取り付けられている。消波構造１１２および支持体１１３はいずれも、高純度カーボン製のものを用いた。消波構造１１２は、図１に示されるように、坩堝１１０１の底面に略平行になるように設置した。以上のようにして本実施例の消波構造付容器を作製した。

（実施例２）
実施例１の消波構造付容器に対し、坩堝１１０１と保持体１１４との間にカーボン製の断熱材１１６を設けたことが異なる他は、実施例１と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した。ここで、断熱材１１６は、図３に示されるように、坩堝１１０１の上面の一部を覆うように坩堝１１０１の上面に設置した。

（実施例３）
本実施例では、図５に示されるように、実施例１の消波構造付容器に用いられる消波構造の上面に対し、直径が１５ｍｍであって高さが５ｍｍの円柱形状の突起物５２１を４０ｍｍの間隔で横並びに１０本取り付けたことが異なる他は、実施例１と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した（図５では、便宜的に４本の円柱形状の突起物を取り付けた場合を示している）。

（実施例４）
実施例３の消波構造付容器に対し、円柱形状の突起物の高さを１０ｍｍに変えたことが異なる他は実施例３と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した。

（実施例５）
本実施例では、図６に示されるように、実施例１の消波構造付容器に用いる消波構造の上面に対し、１辺が１５ｍｍの正三角形を底面とし、高さが５ｍｍの三角形状の突起物６２１を４０ｍｍの間隔で横並びに１０本取り付けたことが異なる他は、実施例１と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した（図６では、便宜的に３本の三角形状の突起物を取り付けた場合を示す）。

（実施例６）
実施例５の消波構造付容器に対し、三角形状の突起物の高さを１０ｍｍに変えたことが異なる他は実施例５と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した。

（実施例７）
本実施例では、図７に示されるように、実施例４の消波構造付容器に用いる円柱形状の突起物の上面をカットし、円柱形状の突起物の最も高い部分の高さ７２１ｈを１８ｍｍとし、円柱形状の突起物の最も低い部分の高さ７２１ｉを１０ｍｍとしたことを除いては実施例４と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した（図７では、便宜的に４本の円柱形状の突起物を取り付けた場合を示す）。

（実施例８）
本実施例では、図８に示されるように、実施例５の消波構造付容器に用いる三角柱状の突起物の上面をカットし、三角柱状の突起物の最も高い部分の高さ８２１ｈを１８ｍｍとし、三角柱状の突起物の最も低い部分の高さ８２１ｉを１０ｍｍとしたことを除いては実施例５と同様の方法により本実施例の消波構造付容器を作製した（図８では、便宜的に３本の三角柱状の突起物を取り付けた場合を示す）。

（実施例９）
本実施例では、図９に示されるように、実施例１の消波構造の坩堝側の端部の高さ９１２ｈを２０ｍｍとし、そこから３０ｍｍの距離９１２ｄまでを滑らかな斜面となるようにした。

（比較例１）
比較例１では、実施例１の消波構造付容器において、消波構造を設けず、内寸が縦５００ｍｍ×横１０００ｍｍの坩堝のみのものを用いた。

＜消波機能の評価＞
実施例１〜９の消波構造付容器および比較例１の坩堝を、図１０に示される溶融炉にセットして、以下の手順によって成長基板上に板状シリコン基板を作製し、本発明の消波構造付容器の消波性能を確認した。

まず、板状シリコン基板の比抵抗が２Ω・ｃｍになるようにホウ素の濃度を調整したシリコン原料１００ｋｇを、実施例１の消波構造付容器に入れたとともに、シリコン原料５ｋｇを副坩堝１２０１に入れた。そして、チャンバ内を真空ポンプによって真空引きし、２．６６×１０^-3Ｐａ以下に減圧した。

次に、チャンバ内にアルゴンガスを導入して常圧まで戻し、その後は、チャンバの上部から１０×１０^-3ｍ³／ｍｉｎの速度でアルゴンガスを流し続けた。このようにアルゴンガスを流し続けることにより、シリコン融液１１０２の液面を常に清浄な状態に保つようにした。

一方、消波構造付容器の側面に備えられた坩堝加熱装置１１０４および副坩堝加熱装置１２０４を約１３００℃まで１０℃／ｍｉｎ以上５０℃／ｍｉｎ以下の昇温速度で昇温した。その後、徐々に１５００℃まで昇温し、シリコン原料を全て溶融させてシリコン融液１１０２、１２０２とした。このように段階的に消波構造付容器および副坩堝１２０１を昇温することにより、消波構造付容器の角部に熱応力が集中的に加わって破損することを防止した。

シリコン原料が溶融したことで、シリコン融液の液面が低くなるが、シリコン融液１１０２の上面が、消波構造付容器の上面から３０ｍｍ下になるように、副坩堝１２０１から融液搬送部１３０１を通って消波構造付容器にシリコン融液を導入し続けた。

そして、シリコン融液１１０２の温度を１４１０℃まで下げて、その温度で３０分間保持して安定化させた。このときにシリコン融液の上面から消波構造１１２の下面までの距離が２０ｍｍであった。

上記のシリコン融液に対し、縦１７ｃｍ×横１７ｃｍの大きさであって、図１２に示されるような点状の凸部３ｊを有する成長基板３を５００℃に調節した上で浸漬させた。この凸部の間隔は、１．５ｍｍであり、その凹凸の高さの平均が０．３ｍｍであった。

上記の成長基板３を５００ｃｍ／ｍｉｎの移動速度で１０秒間に１回の割合で浸漬させて、２０枚の板状シリコン基板を作製した。このようにして作製した板状シリコンの断面を確認し、２０枚の板状シリコンの全てが図１４に示される断面となったときを合格と判定した。

一方、２０枚の板状シリコンのうちの１枚でも図１５に示される断面のように、板状シリコン基板にシリコン融液が食い込んだときを不合格と判定した。このように不合格になった理由は、２０枚の成長基板を浸漬する間隔が早すぎて、シリコン融液の液揺れがおさまらないうちに次の成長基板が投入されたことによるものと考えられる。

したがって、不合格の板状シリコン基板が１枚でも作製されたときは、成長基板を浸漬させる時間間隔を０．５秒長くして、再度２０枚の成長基板を浸漬させる実験を行なった。各実施例および比較例１の消波構造付容器において、このような実験を２０枚の成長基板の全てが合格になるまで繰り返し、合格になったときの成長基板を浸漬させる時間間隔（以下においてはこの時間間隔を「浸漬タクト」とも記す）を算出した。

各実施例および比較例の消波構造付容器を用いて、浸漬可能タクトを評価したときの評価結果を以下の表１に示した。

表１に示される結果から、本発明の消波構造付容器を用いて、成長基板上に板状シリコンを作製することにより、浸漬可能タクトを短くすることができることが明らかとなった。このように実施例１〜９の消波構造付容器を用いて板状シリコンを作製したときに浸漬タクトを短くできるのは、成長基板を浸漬させたときに生じるシリコン融液の波を消波構造が減衰させたことによるものと考えられる。

＜実施例１と実施例２との対比＞
実施例１の消波構造付容器を用いて板状シリコンを連続して作製すると、板状シリコンの作製を開始した直後から支持体１１３周辺に結晶が成長し、３０００枚の板状シリコンを作製した時点で、支持体１１３から結晶が成長し、成長基板を浸漬させることができなくなった。これに対し、実施例２の消波構造付容器を用いて板状シリコンを連続して作製すると、３万枚の板状シリコンを作製した後でも支持体１１３から結晶が成長することはなかった。

このように実施例２の消波構造付容器を用いて板状シリコンを作製したときに、支持体から結晶が成長しなかったのは、坩堝の上面に断熱材を設けたことによるものと考えられる。

以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

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。

本発明の消波構造付容器は、太陽電池用の板状シリコンをシリコン融液から直接作製することができる。この容器を用いることにより、平滑性に優れた板状シリコンを低コストで作製することができる。

３ 成長基板、３ｈ，３ｊ，４ｋ 凸部、４ｍ 凹部、４ 板状シリコン、１００ 消波構造付容器、１１１Ｗ 坩堝の幅、１１２，５１２，９１２ 消波構造、１１２Ｗ 消波構造の幅、１１２ｄ 融液の液面と消波構造の上面との間の距離、１１３ 支持体、１１４ 保持体、１１５ 融液、１１６ 断熱材、５２１，６２１，７２１ 突起物、９１２ｄ 距離、１０００ 溶融炉、１０５１，１０５２ 電気配線、１１０１ 坩堝、１１０２，１２０２ シリコン融液、１１０３，１２０３，１３０３ 断熱膜、１１０４ 坩堝加熱装置、１１０５，１２０５ 耐火煉瓦、１１０７ 坩堝昇降装置、１２０１ 副坩堝、１２０４ 副坩堝加熱装置、１３０１ 融液搬送部、１３０４ 融液搬送部加熱装置、１４０１ 固体原料投入装置、１４０２ シリコン原料、１５０３ 検知器、１５０５，１５０７ 経路、１５０６ 固体原料投入制御装置。

Claims (11)

1. 金属材料または半導体材料のいずれか一方を含有する融液に、成長基板を浸漬させるための坩堝と、
   前記坩堝の上面に接して取り付けられた保持体と、
   前記保持体の前記融液の液面側に取り付けられた支持体と、
   前記支持体に接触して設けられた消波構造とを含む、消波構造付容器。
2. 前記保持体と前記支持体とは、ネジ部、またははめ込み部によって取り付けられており、
   前記ネジ部、または前記はめ込み部は、前記融液に接触しない位置に設ける、請求項１に記載の消波構造付容器。
3. 前記坩堝と前記支持体との間に、断熱材を備え、
   前記坩堝の底面から垂直方向に向けて前記消波構造を投影すると、前記消波構造の投影像の全てが前記断熱材に投影される、請求項１または２に記載の消波構造付容器。
4. 前記断熱材は、前記坩堝の一端から相対する一端まで設けられる、請求項３に記載の消波構造付容器。
5. 前記支持体の前記融液から出ている部分の直上に、前記断熱材を備える、請求項３または４に記載の消波構造付容器。
6. 前記断熱材は、アルミナボード、カーボン、およびカーボンコンポジットからなる群より選択される１種以上を含む、請求項３〜５のいずれかに記載の消波構造付容器。
7. 前記消波構造は、略直方体であり、
   前記消波構造の底面は、前記坩堝の底面に略平行に設けられる、請求項１〜６のいずれかに記載の消波構造付容器。
8. 前記消波構造の前記坩堝の底面側とは反対側の表面に、１以上の突起物を設ける、請求項１〜７のいずれかに記載の消波構造付容器。
9. 前記突起物は、三角柱状または円柱状である、請求項８に記載の消波構造付容器。
10. 前記消波構造は、その上面に傾斜構造体が設けられており、
    前記傾斜構造体は、前記坩堝の壁面側から前記坩堝の中央側に傾斜している、請求項１〜９のいずれかに記載の消波構造付容器。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の消波構造付容器に対し、前記融液の液面が前記保持体と前記消波構造との間になるように融液を準備するステップと、
    前記融液に対し、前記成長基板を浸漬させることにより、前記成長基板の表面に板状半導体を形成するステップとを含む、板状半導体の製造方法。

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