JP2013116842A

JP2013116842A - 結晶成長炉及びその動作方法

Info

Publication number: JP2013116842A
Application number: JP2011265673A
Authority: JP
Inventors: Wen Yuan Chang; 張文垣
Original assignee: Real Green Material Technology Corp
Current assignee: Real Green Material Technology Corp
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-13

Abstract

【課題】シリコンインゴットの取り出しや保守等の作業が容易な結晶成長炉及び当該結晶成長炉の動作方法を提供する。
【解決手段】結晶成長炉１０であって、上蓋１０２と、上蓋に結合可能な中段炉体１０４と、中段炉体に結合可能であるとともに坩堝１０６２を載置可能な下部炉体１０６と、上蓋を結晶成長炉と整備エリアの上方との間で搬送可能な第１搬送機構を有する上蓋移動機構１０８と、中段炉体を鉛直方向に移動可能な中段炉体移動機構１１２と、下部炉体を下側で移動可能な第２搬送機構を有する下部炉体移動機構１１４と、を備え、結晶成長炉の坩堝内に収容したシリコン原料をシリコンインゴットに成長させたのち、それぞれの移動機構を通じて、上蓋を結晶成長炉の外部に移動させ、中段炉体を鉛直方向に引き上げ、下部炉体を結晶成長炉の下側で移動させることによって、坩堝内で成長したシリコンインゴットを取り出し可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、結晶成長炉及び当該結晶成長炉の動作方法に関し、特に、上蓋、中段炉体、及び下段炉体を備え、シリコンインゴットの取り出しや保守等の作業が容易な結晶成長炉及び当該結晶成長炉の動作方法に関する。

太陽電池の光電変換効率は、多結晶シリコン製と単結晶シリコン製とでは大きな差はない。また、多結晶シリコンの製造に用いられるシリコン材料の純度は、単結晶シリコンの製造に用いられるシリコン材料の純度まで要求されることがない上に、その製造コストも多結晶シリコンの場合の方が単結晶シリコンの場合と比べて割安である。このため、多結晶シリコンは、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する材料（例えば太陽電池等）の主流となっている。

図１は、多結晶シリコンの結晶成長炉の破断斜視図である。同図に示されるように、結晶成長炉２’は、（１）天板１１’の連絡口１１１’を画成する底面開口部２１１’を有する上方室２１’と、（２）連絡口１１１’を閉塞又は開放可能な上面開口部２２１’を有する底蓋２２’と、（３）底蓋２２’を上下駆動させてその上面開口部２２１’を連絡口１１１’に対し選択的に密着又は離間させることが可能な昇降装置１４’と、を備えている。この昇降装置１４’を駆動して炉の底蓋２２’を上方に移動させこれを上方室２１’と合わせることによって結晶成長炉２’が形成され、その内部に炉内空間が形成される。

この結晶成長炉２’は、既に方向性固化法による多結晶シリコンプロセッシングに使用されているが、同結晶成長炉２’には以下の課題がある。
（Ａ）炉の上方室２１’のチャンバーの鉛直方向の奥行きが深過ぎるが故に、予防保全（ＰｒｅｖｅｎｔＭａｉｎｔｅｎａｎｃｅ；ＰＭ）に際し作業者が同チャンバーの内部に入らなければならない。しかし、これは非常に不便である。
（Ｂ）ウェハーの結晶成長プロセスを完了した後に坩堝４６’を加熱チャンバーの外部へ搬出する場合、作業者は、先ず昇降装置１４’を操作して炉の底蓋２２’を下方に移動させ、次に坩堝搬送専用の坩堝搬送装置を使用して坩堝４６’を搬送しなければならない。しかし、これも非常に不便である。
（Ｃ）この結晶成長炉２’は、４５０キログラム級の水晶インゴットを成長させるには好適であるが、もし仮に８００キログラム級の水晶インゴットを成長させようとすると、坩堝搬送装置の出入スペースの狭さが原因となって、坩堝４６’と結晶成長炉２’とが衝突して、互いに損傷する虞れがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、結晶成長炉の上蓋の整備作業の利便性及び下部炉体からの坩堝の取り出し作業の容易性をともに向上させることにある。

前記課題を解決するための発明は、結晶成長炉であって、上蓋と、前記上蓋に結合可能な中段炉体と、前記中段炉体に結合可能であるとともに坩堝を載置可能な下部炉体と、前記上蓋を、当該結晶成長炉と、前記上蓋を整備するための整備エリアの上方と、の間で搬送可能な第１搬送機構を有する上蓋移動機構と、前記中段炉体を鉛直方向に移動可能な中段炉体移動機構と、前記下部炉体を下側で移動可能な第２搬送機構を有する下部炉体移動機構と、を備え、（１）前記上蓋移動機構、前記中段炉体移動機構、及び前記下部炉体移動機構を通じて、前記上蓋、前記中段炉体、及び前記下部炉体を結合して当該結晶成長炉を形成し、（２）当該結晶成長炉を形成した後、前記坩堝内に収容したシリコン原料をシリコンインゴットに成長させ、（３）前記シリコン原料を前記シリコンインゴットに成長させた後、前記上蓋移動機構を通じて前記上蓋を当該結晶成長炉の外部に移動させ、前記中段炉体移動機構を通じて前記中段炉体を鉛直方向に引き上げ、前記下部炉体移動機構を通じて前記下部炉体を当該結晶成長炉の下側で移動させることによって、（４）前記坩堝内で成長したシリコンインゴットを取り出し可能とする。

尚、前記課題を解決するためのもう一つの発明は、前述した結晶成長炉を用いて、前記下部炉体移動機構を通じて前記下部炉体を前記結晶成長炉の下側で移動させる工程と、前記中段炉体移動機構を通じて前記中段炉体を鉛直方向に移動させて前記下部炉体と結合又は分離させる工程と、前記上蓋移動機構を通じて前記上蓋を前記整備エリアの上方と前記結晶成長炉との間で移動させる工程と、前記下部炉体、前記中段炉体、及び前記上蓋を結合させて、その内部でシリコン原料をシリコンインゴットに成長させる工程と、前記下部炉体と前記中段炉体とを分離させて、前記坩堝の内部に成長したシリコンインゴットを取り出す工程と、を備えた結晶成長炉の動作方法である。

結晶成長炉の上蓋の整備作業の利便性及び下部炉体からの坩堝の取り出し作業の容易性がともに向上する。

多結晶シリコンの結晶成長炉の破断斜視図である。本実施の形態の結晶成長炉の正面図である。本実施の形態の結晶成長炉のもう１つの正面図である。本実施の形態の結晶成長炉のまたもう１つの正面図である。本実施の形態の結晶成長炉の更にもう１つの正面図である。本実施の形態の結晶成長炉の底蓋装置の模式図である。本実施の形態の結晶成長炉の動作方法のフロー図である。

以下、図面を参照しつつ、本実施の形態の結晶成長炉とその動作方法とについて詳しく説明する。

図２は、本実施の形態の結晶成長炉１０の正面図である。同図に示されるように、本実施の形態の結晶成長炉１０は、上蓋１０２と、中段炉体１０４と、下部炉体１０６とを備え、これらが結合して構成されている。

上蓋１０２は、上蓋移動機構１０８を通じて結晶成長炉１０の上方から当該結晶成長炉１０まで移動可能となっている。この上蓋移動機構１０８は、搬送機構１０８２（第１搬送機構）及び移動装置１０８４を更に有している。移動装置１０８４を通じて上蓋１０２を中段炉体１０４から分離し、搬送機構１０８２を通じて上蓋１０２を水平方向に整備エリア１１０まで移動させることができる。

中段炉体１０４は、その内部に加熱装置１０４２が設けられている。均一加熱のために、本実施の形態における加熱装置１０４２は、中段炉体１０４の内部のみならず、上蓋１０２や下部炉体１０６等の内側にも設けられている。これにより、炉内部の温度の高速上昇が可能であるとともに、坩堝１０６２の周囲の均一加熱が可能となっている。中段炉体移動機構１１２は、結晶成長炉１０の両側に取り付けられるとともに中段炉体１０４に連結されており、中段炉体１０４を鉛直方向に移動させることが可能である。
本実施の形態の中段炉体移動機構１１２は、図２の紙面左右側にそれぞれ１台で合計２台が設けられているが、これに限定されることなく、３台以上設けられていてもよい。本実施の形態の中段炉体移動機構１１２は、好適には、モーター１１２２と、伝動軸１１２４と、駆動装置１１２６とを有している。各伝動軸１１２４は各モーター１１２２に接続され、駆動装置１１２６は中段炉体１０４の両側に設けられるとともに伝動軸１１２４に接続されている。モーター１１２２の回転が伝動軸１１２４に伝搬して駆動装置１１２６を移動させ、この駆動装置１１２６を通じて中段炉体１０６が移動するようになっている。

下部炉体１０６は、坩堝１０６２を載置するものである。下部炉体移動機構１１４は、結晶成長炉１０の底部に取り付けられるとともに、下部炉体１０６に取り付けられて、搬送機構１１４２（第２搬送機構）を通じて下部炉体１０６を移動させ、これを結晶成長炉１０から移動させるようになっている。

本実施の形態において、搬送機構１０８２（第１搬送機構）及び搬送機構１１４２（第２搬送機構）は、好適には、ガイドレールである。一方、上蓋移動機構１０８及び下部炉体移動機構１１４では、搬送機構１０８２及び搬送機構１１４２に対しガイドレール車輪ユニット１０６６及びガイドレール車輪ユニット１１４４がそれぞれ設けられている。この他、搬送機構１０８２及び搬送機構１１４２は、例えば案内溝をそれぞれ有している。他方、上蓋移動機構１０８及び下部炉体移動機構１１４では、搬送機構１０８２及び搬送機構１１４２に対し案内溝車輪ユニットがそれぞれ設けられている。但し、他の実施の形態として、搬送機構１０８２及び搬送機構１１４２を伝動軸を通じてそれぞれ移動させてもよく、つまり、上蓋移動機構１０８及び下部炉体移動機構１１４は本実施の形態に限定されるものではない。

以上、本実施の形態の結晶成長炉１０の基本構造について説明した。そこで以下、前述した構成を備えた結晶成長炉１０による結晶成長プロセス後の工程の詳細について、図２とともに、図３Ａ−Ｃの各工程での結晶成長炉１０の正面図を参照しつつ説明する。尚、図３Ａ−Ｃに示される各部材は、図２に示される部材と対応しているため、符号を省略した。

先ず、図２に示されるように、上蓋１０２と、中段炉体１０４と、下部炉体１０６とを結合して結晶成長炉１０を形成し、加熱装置１０４２で加熱することによって、坩堝１０６２内のシリコン原料をシリコンインゴットに成長させる。
次に、シリコン原料がシリコンインゴットに成長した後に実施される工程をその手順に従って説明する。

第１に、図３Ａに示すように、上蓋移動機構１０８の移動装置１０８４を通じて上蓋１０２を鉛直方向上方に移動させて中段炉体１０４から分離し、上蓋移動機構１０８の搬送機構１０８２を通じて上蓋１０２を水平方向に結晶成長炉１０の上方から整備エリア１１０の上方へ移動（摺動）させる。
第２に、上蓋１０２を整備エリア１１０の上方まで摺動させた後の工程では、図３Ｂに示すように、中段炉体移動機構１１２のモーター１１２２を駆動して、駆動装置１１２６及び中段炉体１０４を伝動軸１１２４の回動を通じて上方に移動させる。

第３に、図３Ｃに示すように、下部炉体１０６を押し込んで搬送機構１１４の上部まで摺動させ、当該下部炉体１０６を結晶成長炉１０の外部へ移動させる。これにより、坩堝１０６２の内部で成長したシリコンインゴットを容易に取り出し可能であるとともに、作業者は坩堝１０６２を容易に交換し、次回のシリコン原料の結晶成長プロセスに備えることが可能となる。

特に、図３Ｂに示すように、上蓋１０２を整備エリア１１０の上方に摺動させた後、作業者は、人員補助機構１１０２から上蓋１０２の保守作業を実施できる。また、本実施の形態の結晶成長炉１０では、コスト節減の程度に応じて、人員補助機構１１０２を、例えば、昇降梯子、エレベータ、繰り出しはしご、又は梯子等としてもよく、特定の機構に限定されるものではない。

図４は、底蓋装置の模式図である。同図に示すとおり、結晶成長のプロセスにおいて、結晶成長炉１０の内部から熱を迅速に除去する必要があるため、下部炉体１０６の底部には底蓋装置１１６が設けられている。この底蓋装置１１６は、複数のゲート１１６２を備えており、当該複数のゲート１１６２は、それぞれに対応する複数のゲート駆動装置１１６４によって駆動される。本実施の形態の結晶成長炉１０の構造に対し底蓋装置１１６を設置する目的は、シリコン原料を加熱した後に底蓋装置１１６におけるゲート駆動装置１１６４を通じてゲート１１６２を一斉に開放し、下部炉体１０６の底部に形成された矩形の開口部を通じて、結晶成長炉１０の内部の高温ガスを放出させて、温度を降下させるためである。
図５は、結晶成長炉１０の動作方法のフロー図である。同図に示すように、本実施の形態の結晶成長炉１０の動作方法は、以下の工程を備えている。

工程５０１において、下部炉体移動機構１１４を結晶成長炉１０の下側まで移動させ、この下部炉体移動機構１１４を通じて下部炉体１０６を結晶成長炉１０の下側で移動させ、作業者がより広いスペースを以て坩堝１０６２を結晶成長炉１０から取り出せるようにする。
工程５０２において、中段炉体移動機構１１２を通じて結晶成長炉１０の中段炉体１０４を鉛直方向に移動させて、下部炉体１０６に対し結合又は分離させる。
工程５０３において、上蓋移動機構１０８を通じて結晶成長炉１０の上蓋１０２を整備エリア１１０の上方から結晶成長炉１０まで移動させることによって、作業者は、整備エリア１１０で上蓋１０２の検査及び保守作業を実施した後、この上蓋１０２を中段炉体１０４に対し結合する。
工程５０４において、上蓋１０２、中段炉体１０４、及び下部炉体１０６を結合させ、結晶成長炉１０を形成して、シリコン原料の結晶成長プロセスを開始する。
工程５０５において、下部炉体１０６と中段炉体１０４とを分離させ、坩堝１０６２の内部で成長したシリコンインゴットを取り出す。
その他の実施態様として、結晶成長炉１０の動作方法では、下部炉体１０６の底蓋装置１１６が備える複数のゲート１１６２を開放させ、結晶成長炉１０の内部の高温ガスを放出させる。

尚、本実施の形態の底蓋装置１１６の複数のゲート１１６２として４つのゲート１１６２を取り付けることが好ましい。つまり、これら４つのゲート１１６２を開放して形成した矩形の開口部を通じて、熱放射を迅速に開口部より放出させて、結晶成長炉１０の内部の温度を低下させることができる。
また、中段炉体１０４の移動では、中段炉体移動機構１１２のモーター１１２２を駆動し、これによる伝動軸１１２４の回転を通じて中段炉体１０４を鉛直方向に移動させる。
また、上蓋１０２を整備エリア１１０の上方に移動させる理由として、作業者による保守作業の利便性がある。
また、下部炉体１０６を結晶成長炉１０の下側で移動させることによって、坩堝１０６２の取り出しに容易性が生じる。
また、本実施の形態における結晶成長炉１０の動作方法として、移動装置１０８４を通じて上蓋１０２を移動させ、上蓋１０２と中段炉体１０４とを分離させるようにしてもよい。

以上、本実施の形態の結晶成長炉とその動作方法とによれば、以下の効果が奏される。
１．本実施の形態の結晶成長炉は、上蓋、中段炉体、下部炉体を備え、これらを結合して構成されている。上蓋、中段炉体、下部炉体は、上蓋移動機構及び下部炉体移動機構を通じて移動可能である、これにより、例えば、上蓋を整備エリアに移動したり、下部炉体を炉体の外部に移動したりすることができる。作業者にとって、上蓋の整備作業の利便性が向上するのみならず、坩堝を下部炉体より取り出して交換する作業の容易性も向上する。
２．下部炉体は、下部炉体移動機構の上方に設けられ、作業者がより大きい坩堝に交換する場合（例えば新たに８００キログラム級の坩堝）は、下部炉体移動機構を通じて下部炉体を結晶成長炉から移動させることによって、坩堝の交換作業の容易性が向上する。
３．本発明の結晶成長炉とその動作方法とによれば、作業者は、いわゆる標準操作手順に基づき結晶成長炉を制御し、シリコンインゴットの成長プロセスを容易に実施できる。

１０結晶成長炉
１０２上蓋
１０４中段炉体
１０４２加熱装置
１０６下段炉体
１０６２坩堝
１０８上蓋移動機構
１０８２搬送機構（第１搬送機構）
１０８４移動装置
１０８６ガイドレール車輪ユニット
１１０整備エリア
１１０２人員補助機構
１１２中段炉体移動機構
１１２２モーター
１１２４伝動軸
１１２６駆動装置
１１４下部炉体移動機構
１１４２搬送機構（第２搬送機構）
１１４４案内レール車輪ユニット
１１６底蓋装置
１１６２ゲート
１１６４ゲート駆動装置
５０１−５０５工程
１’ 隔離室
２’ 結晶成長炉
３’ 人工制御室
１１’ 天板
１２’ 側壁
１３’ 側壁
１１１’ 連絡口
１１２’ 補強リング
２１’ 炉の上方室
２２’ 炉の底蓋
１４’ 昇降装置
２２１’ 上面開口部
２１１’ 底面開口部
１２１’ 隔離ドア
１３１’ 空気清浄装置
４’ 加熱チャンバー
４６’ 坩堝
４０’ ヒーター
４１’ 上部仕切板
４２’ 側面仕切板
４３’ 下部仕切板
５１’ 噴霧冷却システム

Claims

結晶成長炉であって、
上蓋と、
前記上蓋に結合可能な中段炉体と、
前記中段炉体に結合可能であるとともに坩堝を載置可能な下部炉体と、
前記上蓋を、当該結晶成長炉と、前記上蓋を整備するための整備エリアの上方と、の間で搬送可能な第１搬送機構を有する上蓋移動機構と、
前記中段炉体を鉛直方向に移動可能な中段炉体移動機構と、
前記下部炉体を当該結晶成長炉の下側で移動可能な第２搬送機構を有する下部炉体移動機構と、を備え、
（１）前記上蓋移動機構、前記中段炉体移動機構、及び前記下部炉体移動機構を通じて、前記上蓋、前記中段炉体、及び前記下部炉体を結合して当該結晶成長炉を形成し、（２）当該結晶成長炉を形成した後、前記坩堝内に収容したシリコン原料をシリコンインゴットに成長させ、（３）前記シリコン原料を前記シリコンインゴットに成長させた後、前記上蓋移動機構を通じて前記上蓋を当該結晶成長炉の外部に移動させ、前記中段炉体移動機構を通じて前記中段炉体を鉛直方向に引き上げ、前記下部炉体移動機構を通じて前記下部炉体を当該結晶成長炉の下側で移動させることによって、（４）前記坩堝内で成長したシリコンインゴットを取り出し可能とする
ことを特徴とする結晶成長炉。
前記下部炉体は、複数のゲートを有する底蓋装置と、当該複数のゲートにそれぞれ連結された複数のゲート駆動装置と、を備え、
シリコンインゴット原料をシリコンインゴットに成長させた後、前記複数のゲート駆動装置によって前記複数のゲートを同時に開放させて温度を降下させる
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
複数の加熱装置を更に備え、
当該複数の加熱装置は、前記上蓋と、前記中段炉体と、前記下部炉体とにそれぞれ取り付けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
前記中段炉体移動機構は、少なくとも１つのモーターと、当該少なくとも１つのモーターにそれぞれ接続される少なくとも１つの伝動軸と、前記中段炉体と前記伝動軸とに連結される少なくとも１つの駆動装置と、を備え、
前記モーターを駆動し前記伝動軸の回転を通じて前記駆動装置を移動させることによって前記中段炉体を移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載された結晶成長炉を用いて、
前記下部炉体移動機構を通じて前記下部炉体を前記結晶成長炉の下側で移動させる工程と、
前記中段炉体移動機構を通じて前記中段炉体を鉛直方向に移動させて前記下部炉体と結合又は分離させる工程と、
前記上蓋移動機構を通じて前記上蓋を前記整備エリアの上方と前記結晶成長炉との間で移動させる工程と、
前記下部炉体、前記中段炉体、及び前記上蓋を結合させて、その内部でシリコン原料をシリコンインゴットに成長させる工程と、
前記下部炉体と前記中段炉体とを分離させて、前記坩堝の内部に成長したシリコンインゴットを取り出す工程と、
を備えたことを特徴とする結晶成長炉の動作方法。
前記底蓋装置が備える複数のゲートを開放し、前記結晶成長炉内部の高温ガスを放出させることを特徴とする請求項５に記載の結晶成長炉の動作方法。
前記中段炉体移動機構が備える少なくとも１つのモーターを駆動させることによって、少なくとも１つの伝動軸を回転させて前記中段炉体を移動させることを特徴とする請求項５に記載の結晶成長炉の動作方法。
少なくとも１人の作業者の保守作業のために前記上蓋を前記整備エリアに移動させ、
前記坩堝を取り出すために前記下部炉体を移動させて前記結晶成長炉の下側で当該結晶成長炉から離間させる
ことを特徴とする請求項５に記載の結晶成長炉の動作方法。
前記上蓋移動機構を通じて前記上蓋を移動させて前記中段炉体から分離させる工程を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の結晶成長炉の動作方法。