JP3788907B2 - Crystal sheet manufacturing apparatus and crystal sheet manufacturing method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属もしくは半導体の融液から板状の基体である結晶シートを製造する結晶シート製造装置および製造方法に関するものである。特に低コスト太陽電池用シート状Si(シリコン)基板の製造装置および製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
太陽電池に用いられている多結晶Siを作製する従来の代表的な技術として、不活性雰囲気中でリンあるいはボロン等のドーパントを添加した高純度Si材料を坩堝中で加熱溶融させ、この融液を鋳型に流込んで冷却し、多結晶インゴットを得る鋳造方法がある。この多結晶インゴットは、さらにスライシング工程を経て太陽電池に使用されるシート状Si基板が得られる。
【0003】
従来方法では、Si鋳造工程に加え、高いコストを要するスライシング工程が必要なこと、またこのスライシング工程でワイヤまたは内周刃の厚み分以上の材料ロスを生じること等、低コスト化を図るうえで大きな障害になっていた。
【0004】
これにかわり、他の従来の技術としてスライシング工程を省略し、溶融Siからシート状のSi基板を直接作製する方法として、平坦なシート生成面を有する冷却体をSi融液中に一定時間浸漬させ、冷却体のシート生成面にSiを付着、成長させるSiシート製造方法が本件出願人によって提案されている。
【0005】
図10は、冷却体を用いた従来の結晶シート製造装置100を示す断面図である。図10に示すように、結晶シート製造装置100は、Si融液122が貯留される坩堝123の上方に回転機構を有する円筒状の回転体92が配置される。回転体92は回転軸90を有し、回転軸90の軸線は、水平に配置される。また回転体92の外周部を覆うようにSiを凝固、成長させるための冷却体93が複数(図10中では12個)配置される。回転軸90に接続される回転機構によって複数の冷却体93と回転体92とが一体に回転する。
【0006】
このとき回転体92の最も下方に位置する冷却体93aだけが、Si融液中に浸漬する。冷却体93のシート生成面94は、Si融液よりも低温に保持され、一定時間Si溶液中に浸漬されることによって、Si結晶が凝固、成長し、冷却体93aのシート生成面94aに沿って、シート状のSi結晶が形成される。したがって、回転体92が回転するとともに、複数の冷却体が順次Si融液に浸漬し、各冷却体93にシート状のSi結晶を形成することができる。次に形成された結晶シートをシート生成面94から剥離させることによって、結晶シートを得ることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
図10に示すような従来の技術の結晶シート製造装置100は、Si融液中に浸漬する複数の冷却体93を回転体92の外周部を覆うように配置される。これら冷却体93が回転軸90と一体に回転するので、冷却体93の最外周部が描く軌跡は、冷却体93のシート生成面94の寸法によって異なる。
【0008】
図11は、冷却体93の回転移動の模式図を示す該略図である。たとえば150mm×150mmの正方形のSiシートを形成する場合、冷却体93の最外周部の描く軌跡S2の半径Rは299.4mmとなる。また最下方に位置する冷却体93aの回転方向Cの寸法B2(シート幅方向寸法)は150mmとなる。ここで上下方向Z1,Z2は鉛直な方向であり、幅方向X1,X2は、回転体の軸線方向と上下方向Z1,Z2とに対して直交する方向である。
【0009】
また1つの冷却体93aが坩堝123内の融液122内に浸漬したときの、冷却体93aの下面から融液面122hまでの寸法(深さ)h1は15mm、融液面122hと坩堝上端123Eとの間の寸法h3は5mmとする。必要な構造上の要件として、冷却体最外周部96が坩堝上端123Eとの接触を避けなければならない。したがって、冷却体最外周部96が描く軌跡S2と坩堝上端123Eとの上下方向Z1,Z2の間に余裕を持たせたスペースが必要となり、ここではスペースの寸法h2を10mmとする。
【0010】
これらの寸法R,h1,h2,h3から坩堝123の幅方向寸法W2を計算すると、261.3mmになる。これは、本来製作するシート幅方向寸法B2である150mmの1.74倍にあたり、坩堝123の幅方向寸法W2が必要以上に大きくなりがちであった。
【0011】
また装置のメンテナンスによる停止時、特にSi融液122については冷却により膨張することから坩堝123を損傷しやすく、前述したように実質的に必要寸法以上の大きさの坩堝123を用いていることから、コスト負担はきわめて大きかった。
【0012】
さらに、図10に示すように、冷却体93が融液122に浸漬開始するとき、冷却体93のシート生成面94と融液面との成す侵入角度α1は浸漬開始時の融液の揺らぎを抑える目的のために、さらに融液122からの引上げるとき、冷却体93のシート生成面94と融液面との成す引き上げ角度α2は融液の液たれを低減する目的のために、重要な要素である。しかし、回転体92に冷却体93を取付けた場合、当該角度調整を行うことが困難であり、品質向上の障害になっていた。これらの特性低下は、形成される結晶シートの品質低下のみならず、冷却体93の結晶シート剥離時の不良発生原因にもなり、生産性向上を図るうえでも大きな障害になっていた。
【0013】
したがって本発明の目的は、浸漬している冷却体の表面に結晶を付着、成長させる結晶シート製造方法において、融液が貯留される坩堝の小形化を図り、かつ冷却体の侵入角度および引き上げ角度の最適化を図ることができる結晶シート製造装置および製造方法を提供する。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属もしくは半導体材料の融液を坩堝に貯留し、冷却体を融液内に浸漬し、金属もしくは半導体材料を前記冷却体の一表面であるシート生成面で凝固成長させる結晶シート製造装置であって、
冷却体を、シート生成面が下方に配置される状態で、前記シート生成面の反対側の面で支持する支持基板と、
支持基板に支持される冷却体を、坩堝上に水平方向に移動させる水平移動手段と、
支持基板に支持される冷却体を、上下方向に移動させる上下移動手段と、
支持基板に支持される冷却体を、前記支持基板上の水平な回転中心軸線まわりに回転させる回転手段と、
前記水平移動手段、前記上下移動手段および回転手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記上下移動手段および前記回転手段を用いて、前記冷却体の姿勢を任意の角度で融液内に一定時間浸漬させ、融液中に浸漬された状態の冷却体を前記回転中心軸線まわりに回転させることを特徴とする結晶シート製造装置である。
【0015】
本発明に従えば、冷却体のシート生成面を下方に配置して、一定時間融液内に浸漬することによって、シート生成面に融液の結晶が凝固、成長することで、シート生成面に結晶シートを生成することができる。また結晶シート製造装置は、冷却体を水平方向、上下方向および水平な回転中心軸をまわる回転方向に変位させることができるので、任意の姿勢で任意の方向から冷却体を、坩堝に浸漬させることができる。したがって複数の冷却体のうち、1つの冷却体のみが坩堝上から下降して坩堝に浸漬することで、従来の技術に比べて坩堝開口部の面積を小型化することができる。
【0016】
また回転手段によって、融液面に対して冷却体のシート生成面を任意に傾斜させて融液内へ侵入させることができる。これによって、冷却体は融液の揺らぎを抑えて浸漬することができる。同様に回転手段によって、融液面に対して冷却体のシート生成面を任意に傾斜させて融液内から引き上げることができる。これによって、冷却体の引き上げ時に生じる融液のたれを抑えることができる。したがってシート生成面に形成される結晶シートの品質を向上するとともにシート剥離不良を減少させて結晶シートの生産性を向上することができる。
【0017】
また本発明は、前記冷却体の回転中心軸は、冷却体のシート生成面に平行であることを特徴とする。
【0018】
本発明に従えば、冷却体の回転中心軸は、冷却体のシート生成面に平行でありまた水平に形成される。これによって冷却体のシート生成面を、坩堝に満たされる融液の液面と平行な位置に配置することができる。
【0019】
また本発明は、前記冷却体の姿勢調整および上下動作を前記坩堝上で行わせる制御手段を有することを特徴とする。
【0020】
本発明に従えば、水平移動手段、上下移動手段および回転手段によって冷却体の姿勢調整および上下動作を前記坩堝上で行わせる制御手段を有するので、冷却体を水平、上下および、回転中心軸まわりに変位させて、良好な結晶シートを形成することができる姿勢位置に調整および配置することができる。
【0025】
また本発明は、金属もしくは半導体材料の融液を坩堝に貯留し、冷却体を融液内に浸漬し、金属もしくは半導体材料を前記冷却体の一表面であるシート生成面で凝固成長させる結晶シート製造方法であって、
冷却体を、シート生成面が下方に配置される状態で、前記シート生成面の反対側の面で支持する支持基板に支持させ、支持基板に支持される冷却体を水平方向に移動させて坩堝上に位置決めするステップと、
坩堝上の位置で、支持基板に支持される冷却体を、前記支持基板上の水平な軸まわりに回転させて、シート生成面が融液面に対して傾斜するように、冷却体の姿勢を調整するステップと、
シート生成面が融液面に対して傾斜する姿勢で、支持基板に支持される冷却体を下降させて融液に一定時間浸漬するステップと、
浸漬後に、冷却体を水平な軸まわりに回転させて、シート生成面が水平になるように、支持基板に支持される冷却体の姿勢を調整するステップとを含むことを特徴とする結晶シート製造方法である。
【0026】
本発明に従えば、冷却体を、シート生成面が下方に配置される状態で支持し、最初のステップで冷却体が坩堝上の所定の位置に位置決めされ、次のステップでシート生成面が任意の角度に保持されて、さらに次のステップで冷却体が下方に移動し融液内に浸漬される。複数の冷却体のうち、1つの冷却体が坩堝上方から下降して浸漬することによって、坩堝の開口の面積を小型化することができる。さらにシート生成面が、任意の角度に保持されて融液内に浸漬することによって、融液の揺らぎを抑えて浸漬することができ、良好な結晶シートを形成することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。図1に本発明の結晶シート製造装置1を示し、図2に結晶シート製造装置1の平面図を示す。結晶シート製造装置1は断熱材で構成される炉壁21を有し、炉壁21によって囲まれる炉が形成される。炉内に配置される坩堝23には、Si融液22が貯留される。結晶シート製造装置1は、この融液内に冷却体30を浸漬させ、冷却体30にSi結晶を凝固、成長させて平板状の結晶シートを形成させる装置である。
【0028】
さらに結晶シート製造装置1は4つの製造工程を行うことができる。第1の工程は炉外の冷却体30を炉内に順次収納する収納工程、第2の工程は冷却体30に結晶シートを形成する前に予備加熱を行う予熱工程、第3の工程は冷却体30に結晶シートを形成する形成工程、第4の工程は結晶シートが形成された結晶シート付き冷却体を炉内から順次取り出し、結晶シートと冷却体30とを剥離する取出工程である。
【0029】
また結晶シート製造装置1は、炉内の冷却体30を搬送する製造装置本体110を有し、製造装置本体110は、冷却体30を水平方向に移動させる水平移動手段、上下方向に移動させる上下移動手段、水平な水平軸まわりに回転させる回転手段を含んで構成され、これらは図示しない制御手段によって制御される。
【0030】
図1に示すように、製造装置本体110は、断熱材で構成された炉壁21の内部に、垂直回転軸4を固定している回転基板2と、回転基板2に一体に固定される上部回転側板3と下部回転側板3−2とが配設される。垂直回転軸4は、軸受基板5内のベアリング7に保持される。本体駆動モータ6の駆動力は、本体駆動モータ6の軸に直結したギア8−1からギア8−2に伝達される。ギア8−2は、垂直回転軸4に同軸固定されている。本体駆動モータ6の回転動作により回転基板2、上部回転側板3および下部回転側板3−2は、垂直回転軸4まわりに一体的に転動し、図2に示す90°分割された位置(冷却体30−1,30−2,30−3,30−4)で停止する。図に示す冷却体30−1の位置で金属もしくは半導体(本実施例ではSi)の凝固成長が行われる。
【0031】
冷却体30および冷却体30と一体に固定されて成る支持基板31の斜視図を図3に示す。支持基板31に形成される垂直方向板面には回転軸穴29h、一対の取付穴29h1が設けられる。冷却体30の厚み方向一方側の面に支持基板31が設けられ、厚み方向他方側の面にシート生成面30aが形成される。このシート生成面30aは、製造装置本体110に取り付けられた状態で下方に配置され、融液内に浸漬し、シート生成面上に結晶シートが形成される。
【0032】
冷却体30の材質の一例として、耐熱性に優れた黒鉛性の材料を使用しているが、本発明の例で示すSi融液22の温度よりも融点が高く、融液との反応性が小さい炭化珪素、石英、窒化ケイ素、アルミナ、酸化ジルコニウム等から融液材料に適した材料を選択することができる。
【0033】
図1に示すように坩堝23のSiは、誘導加熱装置39で加熱溶解される。坩堝23は、坩堝移動モータ26の駆動によりSi融液22の湯面高さをコントロールすることを目的に上下方向に駆動されて位置決めされる。冷却体30は、リンク機構部に装着され水平駆動軸13によって、Si融液22への浸漬角度、およびSi融液22の引上げ角度の調整が可能である。水平回転軸13は、カップリング12で回転シリンダ10−1の軸11に結合されている。回転シリンダ10−1は回転駆動源であって取付板91に固定され、取付板91は摺動内金具14−1に固定され、摺動内金具14−1に摺動外金具14−2が固定され、摺動内金具14−1と摺動外金具14−2とで上部回転側板3を摺動可能に把持している。
【0034】
上部回転側板3には冷却部材9−1が密着固定され、冷却部材9−1内部には冷却水路が設けられてあり、垂直回転軸4内から冷却管96を配し、分岐管97を介し、各冷却部材9−1,9−2,9−3に冷却水が供給され、周辺部品の冷却を行う。上記で説明した冷却体30、回転リンク機構、および回転シリンダ12の一連の構造部は、図2に示すように4つのブロックすなわち4カ所にそれぞれ設けられている。
【0035】
上記冷却体30の回転および上下動の具体的実施例について、図4、図5および図6を用いて説明する。図6に示すように、冷却体30と一体に固定された支持基板31の取付穴29h1にリンク17−2に設けてあるピン29P1を嵌合させることによって、冷却体30と支持基板31とで形成される冷却体部は、製造装置本体110に装着される。
【0036】
図4および図5に示すように、リンク17−2とリンク17−1および、リンク18−1とリンク18−2は、それぞれ同一形状であって、ピン39−1とピン39−2によって回転可能に連結され、平行リンク構造を構成してある。リンク17−1の中心には、水平回転軸13が固定され、回転シリンダ10−1によりリンク17−1は回転駆動される。リンク機構部が左右にぶれるのを防止するため、リンク17−2の中心に取付けたピン29P0を保持金具28で保持する。保持金具28は、リンク保持基板15に固定されている。前記水平回転軸13のリンク17−1に連結する軸受16(図1)は、このリンク保持基板15に設けられている。これにより、リンク17−2に装着された冷却体30は、支持基板31の回転軸穴29hの軸線29を中心に回転することになる。したがって、冷却体30の回転中心軸29は、シート生成面30aに平行に形成される。
【0037】
リンク保持基板15は、図1に示すリンク保持側板15−2に連結固定され、このリンク保持側板15−2は、上下シリンダ19−1の駆動により、リンク保持基板15、リンク機構部が上下運動することになる。なお、リンク保持側板15−2は、摺動軸20−1により上下方向に直線運動が可能である。回転基板3に前記上下シリンダ19−1、摺動軸20−1のガイド軸受が設けられてある。リンク機構部の下方には、坩堝23、坩堝受け24および坩堝基板25が上記リンク機構部とは独立して設けられてある。
【0038】
したがって、冷却部材30は、水平移動手段である本体駆動モータ6によって垂直回転軸4まわりに水平移動することができ、回転手段である回転シリンダ10およびリンク機構部によって水平軸まわりに回転移動することができ、上下移動手段である上下シリンダ19によって、上下方向に移動することができる。
【0039】
図7は、冷却体30が融液内に浸漬する過程を示す断面図である。図7(1)に示すように、冷却体30は、Si融液22の貯留される坩堝23の上方から、はずれた位置にある。次に図7(2)に示すように、冷却体30は坩堝23上を水平移動し、次に必要な侵入角度に支持基板31の水平な回転軸線29を中心に一方向Jまわり(図7では、時計まわり)に回転し、その姿勢を保持する。なお、冷却体30の水平移動と回転は並行して行われてもよい。図7(2)に示す冷却体30の傾いた状態で冷却体30を下降させる。
【0040】
次に図7(3)に示すように坩堝23の中のSi融液22に冷却体30のエッジ部30E1を浸漬させる。この浸漬時には、Si融液の揺れを抑えるように移動させることが望ましい。図7(4)では、浸漬された状態の傾いた冷却体30を回転軸線29を中心に他方向Kまわり(図7では、反時計まわり)に回転させ、Si融液22の液面と平行、したがってシート生成面30aを水平にする。次に成長させるSi板厚によって、このシート生成面30aを水平に保持する時間の調整を行う。
【0041】
図8は、冷却体30が融液内から引き出される過程を示す断面図である。図8(1)で冷却体30を回転軸線29を中心に他方向Kまわりに回転させ、冷却体30のエッジ部30E1からSi融液22を上面より引上げていく。このとき支持基板31の回転軸線29を中心に冷却体30は回転しながら、同時に冷却体30の上方向への移動も並行して進行する。冷却体30の回転は、設定した引き上げ角度α3まで回転する。なお、冷却体30を回転させた後、上方向へ移動してもよい。
【0042】
図8(2)に示すように、設定した引き上げ角度α3に回転、上昇したら図8(3)に示すように冷却体30をSi融液22より上方向に引上げる。本工程の最後に図8(4)に示すように、坩堝23上方を水平に移動し、所定の位置で停止する。この直後、冷却体30は、水平な回転軸線29を中心に一方向Jまわり(図8では、時計まわり)に回転し、水平に保持される。なお、前記冷却体30の水平移動と回転は、並行して行われてもよい。また、回転をさきに終了した後、水平移動してもよい。
【0043】
図9は、上記図7および図8で説明した本発明の実施の形態を利用した場合の冷却体30と、坩堝23の関係を示す断面図である。図9において本発明の冷却体30は、冷却体30に一体的に固定された支持基板31上の回転軸線29を中心に回転する。回転軸線29から冷却体30の下面したがってシート生成面30aまでの寸法r1を、45mm、冷却体幅B1を、150mmとすると、冷却体30が回転する最外周回転半径r2は87.5mm、これによって最外周回転直径dは175mmとなる。坩堝一方の端部の内壁と最外周回転直径dとのクリアランスcを15mmとすると、坩堝寸法W1は205mmとなる。これは従来の技術で261mmを必要とするのに対し、寸法比で約78%まで小型化することができる。
【0044】
図2において第1ブロック位置の冷却体30−1は、Siシートを生成後、生成したSiシートを冷却体30−1に付着させた状態で、垂直回転軸4のまわりに、第2のブロック位置の冷却体30−2に回転移動する。扉37−1で遮蔽された取出し装置41が、冷却体30−2に面する炉壁21の外側に設けられ、本取出し装置41の内部も炉壁21の内部と同様のガスで満たされている。取出し装置41の扉37−1を開き、炉壁21の窓36−1より分離テーブル42がシリンダ47により摺動レール46をスライドし、冷却体30−2の下面に移動する。次に冷却体30−2が上下シリンダ19−2により下降し、分離テーブル42の面上に下降した後、シリンダ45によりブロック43がブロック44側に移動し、冷却体30−2を把持固定する。この把持固定した冷却体30−2を、シリンダ47により取出し装置41内に移動させることにより、支持固定板31−2と一体に固定された冷却体30−2がリンク機構部から分離される。したがって、結晶シート製造装置1は、取り出し手段として取り出し装置41を有する。
【0045】
この分離移載完了後に扉37−1は閉じられる。本取出し装置41に移載されたシート付き冷却体30−2は、シャッタ49で仕切られた別室の徐冷手段である徐冷装置50に移載される。この移載については突出し方式か、把持移載等(図示省略)で徐冷装置50内のコンベア51−1上に搭載される。
【0046】
徐冷装置50内では、コンベア51−1がJJ方向に進行し、必要な温度に段階的に低下させていく。必要な温度にまで冷却が完了すると、徐冷装置50からシート分離装置60のブロック60−1,60−2に移載・固定され、剥離手段であるバキュームパッド61により剥離分離される。この取出工程の一連の作業は、他のブロック位置で行われる工程とは独立して動作可能である。
【0047】
冷却体部を取除いた機構部が次の第3のブロック位置に回転移動した後の動作を図2を用いて説明する。第3のブロック位置では、支持基板31−3と一体の冷却体30−3をリンク機構部に装着する装着工程が行われる。図2では、冷却体30−3を装着完了した後の状況を示す。冷却体30−3をストックし、かつ搬送するローダ装置80でコンベア51−2はKK方向に搬送する。ローダ装置80と装着装置71の間のシャッタ79を開き、別途移載送り装置(図示せず)により装着テーブル72上に位置決め移載し、ブロック73およびブロック74にシリンダ75を用いて冷却体を固定する。
【0048】
装着手段である装着装置71によって、扉37−2を開き、シリンダ77で冷却体30−3を固定したテーブルを炉内のリンク機構部の下方に移動する。冷却体30−3と一体の支持基板31−3に設けた2個の穴(図6で29h1に該当)にリンク部ピン(図6で29P1に該当)を挿入すると同時に、シリンダ75によりブロック73が後退し、ブロック74との把持を解消する。その後、冷却体30−3と一体のリンク機構部を上下シリンダ19−3により上昇せしめ、装着テーブル72がローダ装置80内に後退し、扉37−2が閉じられ、装着作業は完了する。この第3のブロック位置の一連の装着工程は、他のブロック位置で行われる工程とは独立して動作可能である。
【0049】
第3のブロック位置で装着された冷却体30−3、および支持基板31−3は、次の第4のブロック位置に移動し、位置決め停止した後、予備加熱手段である誘導加熱装置34により予備加熱される。本工程では、次のSi融液22の温度以下に加熱される。本加熱の終了は、結晶シート生成を行う次工程への移送の直前が最もよい。
【0050】
なお図1で、坩堝23内のSi融液22の輻射熱による機構部の温度上昇を防止するため、以下に説明する断熱構造になっている。
【0051】
リンク保持基板15により、水平回転軸13、リンク保持側板15−2、上部回転側板3、摺動金具14−2が断熱保護される。上部回転側板3で仕切られた最上部97は、上下シリンダ19−1(19−2,19−3,19−4)およびガイド軸20−1(20−2,20−3,20−4)が断熱保護される。上部回転側板3で仕切られた中央部96では、回転シリンダ10−1(10−2,10−3,10−4)、取付金具91およびカップリング11が断熱保護される。下部回転側板3−2で仕切られた駆動空間95では、本体駆動モータ6、ギア8−1、ギア8−2、垂直回転軸4、ベアリング7および軸受基板5が断熱保護されてある。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却体のシート生成面を下方に配置して、一定時間融液内に浸漬することによって、シート生成面に融液の結晶が凝固、成長することで、シート生成面に対応する結晶シートを生成することができる。また結晶シート製造装置は、冷却体を水平方向、上下方向および水平な回転中心軸をまわる回転方向に変位させることができるので、任意の姿勢および任意の方向から冷却体を、坩堝に浸漬させることができる。したがって複数の冷却体のうち、1つの冷却体のみが坩堝上から下降して坩堝に浸漬することで、残余の冷却体が坩堝に接触することを防止することができるので、坩堝開口部の面積を小型化することができる。また坩堝の配置を従来の装置に比べて水平方向の任意の位置に設定することができる。したがって、坩堝の小形化によってメンテナンス性が向上し、生産コスト低減を行うことができる。
【0053】
また回転手段によって、冷却体は融液の揺らぎを抑えて浸漬することができるとともに冷却体の引き上げ時に生じる融液のたれを抑えることができる。これによって、良好な結晶シートを形成することができ、結晶シートの品質を向上することができる。
【0054】
また本発明によれば、冷却体が回転中心軸まわりに回転し最下方に配置されるとき、冷却体のシート生成面を、坩堝に満たされる融液の液面と平行な位置に配置することができる。
【0055】
また本発明によれば、水平移動手段、上下移動手段および回転手段によって冷却体の姿勢調整および上下動作を前記坩堝上で行わせる制御手段を有するので、冷却体を水平、上下および、回転中心軸まわりに変位させて、複雑な姿勢位置に調整および配置することができる。
【0058】
また本発明によれば、冷却体を、シート生成面が下方に配置される状態で支持し、最初のステップで冷却体が坩堝上の所定の位置に位置決めされ、次のステップでシート生成面が任意の角度に保持されて、さらに次のステップで冷却体が下方に移動し融液内に浸漬される。複数の冷却体のうち、1つの冷却体が坩堝上方から下降して浸漬することによって、残余の冷却体が坩堝に接触することを防止して坩堝の開口の面積を小型化することができる。さらにシート生成面が、任意の角度に保持されて融液内に浸漬することによって、融液の揺らぎを抑えて浸漬することができ、良好な結晶シートを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の結晶シート製造装置1の実施の一形態を示す横断面図である。
【図2】本発明の結晶シート製造装置1を示す平面図である。
【図3】冷却体30と支持基板31とを示す斜視図である。
【図4】冷却体30が水平位置に保持された状態を示す断面図である。
【図5】冷却体30が傾斜位置に保持された状態を示す断面図である。
【図6】冷却体30とリンク17ー2とを示す側面図である。
【図7】冷却体30の下降および回転機構を示す部分断面図である。
【図8】冷却体30の上昇および回転機構を示す部分断面図である。
【図9】冷却体30の回転動作を説明する概略図である。
【図10】回転体表面に冷却体93を付設した従来の装置100を示す断面図である。
【図11】従来の冷却体93の回転動作を説明する概略図である。
【符号の説明】
1 結晶シート製造装置
2 回転基板
3,3−2 回転側板
4 垂直回転軸
5 軸受基板
6 本体駆動モータ
7 ベアリング
8−1,8−2 ギア
10,10−1,10−2,10−3 回転シリンダ
12 カップリング
13 水平回転軸
17−1,17−2 リンク
18−1,18−2 リンク
19 シリンダ
21 炉壁
22 Si融液
23 坩堝
24 坩堝受け
30,30−1,30−2,30−3,30−4 冷却生成体
31,31−3 支持基板
30a シート生成面
34 誘導加熱装置
41 取出し装置
42 分離テーブル
43,44,73,74 ブロック
60 シート分離装置
71 装着装置
80 ローダ装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a crystal sheet manufacturing apparatus and a manufacturing method for manufacturing a crystal sheet which is a plate-like substrate from a melt of metal or semiconductor. In particular, the present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method for a sheet-like Si (silicon) substrate for low-cost solar cells.
[0002]
[Prior art]
As a typical conventional technique for producing polycrystalline Si used in solar cells, a high-purity Si material to which a dopant such as phosphorus or boron is added is heated and melted in a crucible in an inert atmosphere. There is a casting method in which a polycrystalline ingot is obtained by pouring into a mold and cooling. The polycrystalline ingot is further subjected to a slicing process to obtain a sheet-like Si substrate used for a solar cell.
[0003]
In the conventional method, in addition to the Si casting process, a costly slicing process is required, and in addition, a material loss exceeding the thickness of the wire or the inner peripheral blade is generated in this slicing process. It was a big obstacle.
[0004]
Instead of this, as another conventional technique, a slicing step is omitted and a sheet-like Si substrate is directly produced from molten Si. A cooling body having a flat sheet generating surface is immersed in the Si melt for a certain period of time. The present applicant has proposed a Si sheet manufacturing method in which Si is deposited and grown on the sheet generating surface of the cooling body.
[0005]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional crystal
[0006]
At this time, only the
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the crystal
[0008]
FIG. 11 is a schematic diagram showing a schematic diagram of the rotational movement of the
[0009]
When one
[0010]
When the width direction dimension W2 of the
[0011]
Further, when the apparatus is stopped due to maintenance of the apparatus, the
[0012]
Furthermore, as shown in FIG. 10, when the
[0013]
Accordingly, an object of the present invention is to reduce the size of a crucible in which a melt is stored in a crystal sheet manufacturing method in which crystals are attached to and grow on the surface of a submerged cooling body, and the intrusion angle and pulling angle of the cooling body A crystal sheet manufacturing apparatus and manufacturing method that can optimize the above are provided.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention stores a melt of metal or semiconductor material in a crucible and cools it.BodyImmerse it in the melt and apply the metal or semiconductor material to theOne surface of the cooling bodyA crystal sheet manufacturing apparatus for solidifying and growing on a sheet generating surface,
A support substrate that supports the cooling body on a surface opposite to the sheet generation surface in a state where the sheet generation surface is disposed below;
Supported by support substrateCooling body,On the crucibleHorizontal moving means for moving in the horizontal direction;
Supported by support substrateCooling body,Up and down moving means for moving up and down;
Supported by support substrateCooling body,On the support substrateHorizontal rotation center axislineRotating means to rotate around,
Control means for controlling the horizontal movement means, the vertical movement means and the rotation means,
The control means uses the up-and-down moving means and the rotating means to immerse the cooling body in an arbitrary angle in the melt for a predetermined time, and rotate the cooling body in a state immersed in the melt. Rotate around central axisThis is a crystal sheet manufacturing apparatus.
[0015]
According to the present invention,coldThe sheet generation side of the rejectionPlace it below for a certain timeBy immersing in the melt, the crystal of the melt is solidified and grows on the sheet generation surface, so that a crystal sheet can be generated on the sheet generation surface. In addition, since the crystal sheet manufacturing apparatus can displace the cooling body in the horizontal direction, the vertical direction, and the rotation direction around the horizontal rotation center axis, the cooling body can be immersed in the crucible from any direction in any posture. Can do. Therefore, only one cooling body of the plurality of cooling bodies descends from the crucible and is immersed in the crucible, so that the area of the crucible opening can be reduced as compared with the conventional technique.
[0016]
Further, the sheet generating surface of the cooling body can be arbitrarily inclined with respect to the melt surface by the rotating means, and can enter the melt. Thereby, the cooling body can be immersed while suppressing fluctuation of the melt. Similarly, the sheet generating surface of the cooling body can be arbitrarily inclined with respect to the melt surface by the rotating means, and can be pulled up from the melt. Thereby, it is possible to suppress melt dripping that occurs when the cooling body is pulled up. Accordingly, the quality of the crystal sheet formed on the sheet generation surface can be improved and the sheet peeling failure can be reduced to improve the productivity of the crystal sheet.
[0017]
In the invention, it is preferable that a rotation center axis of the cooling body is parallel to a sheet generation surface of the cooling body.
[0018]
According to the present invention, the rotation center axis of the cooling body is parallel to the sheet generation surface of the cooling body and is formed horizontally. Accordingly, the sheet generating surface of the cooling body can be disposed at a position parallel to the melt surface filled in the crucible.
[0019]
The present invention also provides the cooling body.Figure ofIt is characterized by having a control means for performing the force adjustment and the vertical movement on the crucible.
[0020]
According to the present invention, the cooling body is horizontally, vertically, and rotated around the rotation center axis because it has control means for adjusting the posture of the cooling body and the vertical movement on the crucible by the horizontal movement means, the vertical movement means, and the rotation means. And can be adjusted and arranged at a position where a good crystal sheet can be formed.
[0025]
The present invention also provides a melt of a metal or semiconductor material.坩CrucibleStorage, Cooling bodyIn the meltImmerse the metal or semiconductor materialOne surface of the cooling bodyA crystal sheet manufacturing method for solidifying and growing on a sheet generation surface,
The cooling body is supported by a support substrate supported by a surface opposite to the sheet generation surface in a state where the sheet generation surface is disposed below, and is supported by the support substrate.Moving the cooling body horizontally and positioning it on the crucible;
Supported by the support substrate at a position on the crucibleCooling body,On the support substrateRotate around a horizontal axis, So that the sheet generation surface is inclined with respect to the melt surface,Adjusting the posture of the cooling body;
The sheet generation surface is supported by the support substrate in a posture inclined with respect to the melt surface.Lower the cooling body into the meltFixed timeSoaking step and,
After the immersion, rotating the cooling body around a horizontal axis and adjusting the posture of the cooling body supported by the support substrate so that the sheet generation surface is horizontal; andIt is a crystal sheet manufacturing method characterized by including these.
[0026]
According to the present invention,The cooling body is supported in a state where the sheet generation surface is disposed below,In the first step, the cooling body is positioned at a predetermined position on the crucible. In the next step, the sheet generation surface is held at an arbitrary angle. In the next step, the cooling body moves downward and is immersed in the melt. Is done. Of the plurality of cooling bodies, one cooling body descends from the top of the crucible and is immersed, whereby the area of the crucible opening can be reduced. Further, the sheet generation surface is held at an arbitrary angle and immersed in the melt, so that it can be immersed while suppressing fluctuation of the melt, and a good crystal sheet can be formed.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a crystal
[0028]
Furthermore, the crystal
[0029]
The crystal
[0030]
As shown in FIG. 1, the manufacturing apparatus
[0031]
FIG. 3 is a perspective view of the cooling
[0032]
As an example of the material of the cooling
[0033]
As shown in FIG. 1, Si in the
[0034]
A cooling member 9-1 is tightly fixed to the upper
[0035]
Specific examples of the rotation and vertical movement of the cooling
[0036]
As shown in FIGS. 4 and 5, the link 17-2 and the link 17-1 and the link 18-1 and the link 18-2 have the same shape, and are rotated by the pin 39-1 and the pin 39-2. They are connected so as to form a parallel link structure. A horizontal
[0037]
The
[0038]
Therefore, the cooling
[0039]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a process in which the
[0040]
Next, as shown in FIG. 7 (3), the
[0041]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a process in which the
[0042]
As shown in FIG. 8 (2), after rotating and raising to the set pulling angle α3, the cooling
[0043]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the relationship between the cooling
[0044]
In FIG. 2, the cooling body 30-1 at the first block position is the second block around the
[0045]
After this separation and transfer is completed, the door 37-1 is closed. The sheet-mounted cooling body 30-2 transferred to the take-out
[0046]
Within the
[0047]
The operation after the mechanism part with the cooling body part removed rotates to the next third block position will be described with reference to FIG. At the third block position, a mounting step of mounting the cooling body 30-3 integral with the support substrate 31-3 on the link mechanism unit is performed. FIG. 2 shows a situation after the mounting of the cooling body 30-3 is completed. The conveyor 51-2 is transported in the KK direction by the
[0048]
With the mounting
[0049]
The cooling body 30-3 and the support substrate 31-3 mounted at the third block position are moved to the next fourth block position, stopped after positioning, and then spared by the
[0050]
In FIG. 1, in order to prevent the temperature of the mechanism portion from rising due to the radiant heat of the
[0051]
By the
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention,coldThe sheet generation side of the rejectionPlace it below for a certain timeBy immersing in the melt, the crystal of the melt solidifies and grows on the sheet generation surface, so that a crystal sheet corresponding to the sheet generation surface can be generated. In addition, since the crystal sheet manufacturing apparatus can displace the cooling body in the horizontal direction, the vertical direction, and the rotation direction around the horizontal rotation center axis, the cooling body can be immersed in the crucible from an arbitrary posture and an arbitrary direction. Can do. Therefore, since only one cooling body descends from the crucible and is immersed in the crucible among the plurality of cooling bodies, the remaining cooling body can be prevented from coming into contact with the crucible. Can be miniaturized. Moreover, the arrangement of the crucible can be set at an arbitrary position in the horizontal direction as compared with the conventional apparatus. Therefore, maintainability is improved by reducing the size of the crucible, and the production cost can be reduced.
[0053]
Further, the rotating body can immerse the cooling body while suppressing the fluctuation of the melt, and can suppress the dripping of the melt that occurs when the cooling body is pulled up. Thereby, a good crystal sheet can be formed, and the quality of the crystal sheet can be improved.
[0054]
Further, according to the present invention, when the cooling body rotates around the rotation center axis and is disposed at the lowermost position, the sheet generating surface of the cooling body is disposed at a position parallel to the liquid level of the melt filled in the crucible. Can do.
[0055]
Further, according to the present invention, since the cooling means is controlled by the horizontal movement means, the vertical movement means, and the rotation means, the posture adjustment and the vertical movement of the cooling body are performed on the crucible. It can be displaced around and adjusted and placed in complex posture positions.
[0058]
Also according to the invention,The cooling body is supported in a state where the sheet generation surface is disposed below,In the first step, the cooling body is positioned at a predetermined position on the crucible. In the next step, the sheet generation surface is held at an arbitrary angle. In the next step, the cooling body moves downward and is immersed in the melt. Is done. Of the plurality of cooling bodies, one cooling body descends from the upper part of the crucible and is immersed, whereby the remaining cooling body can be prevented from coming into contact with the crucible and the area of the crucible opening can be reduced. Further, the sheet generation surface is held at an arbitrary angle and immersed in the melt, so that it can be immersed while suppressing fluctuation of the melt, and a good crystal sheet can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a crystal
FIG. 2 is a plan view showing the crystal
3 is a perspective view showing a cooling
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which a
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a
FIG. 6 is a side view showing a cooling
7 is a partial cross-sectional view showing a mechanism for lowering and rotating the cooling
8 is a partial cross-sectional view showing a mechanism for raising and rotating the cooling
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the rotation operation of the cooling
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a
FIG. 11 is a schematic diagram for explaining a rotation operation of a
[Explanation of symbols]
1 Crystal sheet manufacturing equipment
2 Rotating substrate
3, 3-2 Rotating side plate
4 Vertical rotation axis
5 Bearing substrate
6 Body drive motor
7 Bearing
8-1, 8-2 Gear
10, 10-1, 10-2, 10-3 Rotating cylinder
12 Coupling
13 Horizontal rotation axis
17-1, 17-2 links
18-1, 18-2 link
19 cylinders
21 Furnace wall
22 Si melt
23 crucible
24 crucible holder
30, 30-1, 30-2, 30-3, 30-4 Cooling product
31, 31-3 Support substrate
30a Sheet generation surface
34 Induction heating device
41 Unloader
42 separation table
43, 44, 73, 74 blocks
60 Sheet separator
71 Mounting device
80 Loader device
Claims (4)
冷却体を、シート生成面が下方に配置される状態で、前記シート生成面の反対側の面で支持する支持基板と、
支持基板に支持される冷却体を、坩堝上に水平方向に移動させる水平移動手段と、
支持基板に支持される冷却体を、上下方向に移動させる上下移動手段と、
支持基板に支持される冷却体を、前記支持基板上の水平な回転中心軸線まわりに回転させる回転手段と、
前記水平移動手段、前記上下移動手段および回転手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記上下移動手段および前記回転手段を用いて、前記冷却体の姿勢を任意の角度で融液内に一定時間浸漬させ、融液中に浸漬された状態の冷却体を前記回転中心軸線まわりに回転させることを特徴とする結晶シート製造装置。A crystal sheet manufacturing apparatus that stores a melt of metal or semiconductor material in a crucible, immerses a cooling body in the melt, and solidifies and grows the metal or semiconductor material on a sheet generation surface that is one surface of the cooling body. ,
A support substrate that supports the cooling body on a surface opposite to the sheet generation surface in a state where the sheet generation surface is disposed below;
Horizontal moving means for moving the cooling body supported by the support substrate horizontally on the crucible;
A vertical movement means for moving the cooling body supported by the support substrate in the vertical direction;
The cooling body supported by the supporting substrate, and rotating means for rotating around a horizontal rotation center axis on said supporting substrate,
Control means for controlling the horizontal movement means, the vertical movement means and the rotation means,
The control means uses the up-and-down moving means and the rotating means to immerse the cooling body in an arbitrary angle in the melt for a predetermined time, and rotate the cooling body in a state immersed in the melt. A crystal sheet manufacturing apparatus that rotates around a central axis .
冷却体を、シート生成面が下方に配置される状態で、前記シート生成面の反対側の面で支持する支持基板に支持させ、支持基板に支持される冷却体を水平方向に移動させて坩堝上に位置決めするステップと、
坩堝上の位置で、支持基板に支持される冷却体を、前記支持基板上の水平な軸まわりに回転させて、シート生成面が融液面に対して傾斜するように、冷却体の姿勢を調整するステップと、
シート生成面が融液面に対して傾斜する姿勢で、支持基板に支持される冷却体を下降させて融液に一定時間浸漬するステップと、
浸漬後に、冷却体を水平な軸まわりに回転させて、シート生成面が水平になるように、支持基板に支持される冷却体の姿勢を調整するステップとを含むことを特徴とする結晶シート製造方法。 A crystal sheet manufacturing method in which a melt of a metal or a semiconductor material is stored in a crucible, a cooling body is immersed in the melt, and a metal or a semiconductor material is solidified and grown on a sheet generation surface that is one surface of the cooling body. ,
The cooling body is supported by a support substrate that is supported on a surface opposite to the sheet generation surface in a state where the sheet generation surface is disposed below, and the cooling body supported by the support substrate is moved in the horizontal direction to move the crucible. Positioning on,
At a position on the crucible, the cooling body supported by the support substrate is rotated about a horizontal axis on the support substrate, and the posture of the cooling body is set so that the sheet generation surface is inclined with respect to the melt surface. Adjusting steps,
The sheet generating surface is inclined with respect to the melt surface, and the cooling body supported by the support substrate is lowered and immersed in the melt for a certain period of time;
After immersion, by rotating the cooling body about a horizontal axis, so that the sheet product surface is horizontal, crystal you; and a step of adjusting the posture of the cooling body supported by the support substrate Sheet manufacturing method .
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