JP3883394B2

JP3883394B2 - シリコン材料供給装置

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Publication number: JP3883394B2
Application number: JP2001114445A
Authority: JP
Inventors: 巖佐藤; 健二寺尾; 秀之磯崎
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2007-02-21
Anticipated expiration: 2021-04-12
Also published as: JP2002316890A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池等の用途に好適なシリコンの帯状結晶を結晶成長炉のシリコン融液から引き上げる、シリコン帯状結晶の引上装置に係り、特にその結晶成長炉に粒状シリコン材料を連続的に供給するシリコン材料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、太陽電池等の用途に好適なシリコンの帯状結晶を結晶成長炉から引き上げるには、高温で溶融したシリコン融液を収容したるつぼから種結晶を引き上げ、これに引き続いてシリコンの帯状結晶が引き上げられる。るつぼの周囲にはヒータを備え、電源から供給される電流を制御することによりヒータの発熱温度が制御され、これによりシリコン溶融液の温度が精密に制御される。シリコンの帯状結晶は連続的に引き上げられるので、るつぼにはシリコン溶融液の原材料である粒状シリコン材料を連続的に投入する必要がある。この粒状シリコン材料の投入量と、連続的に引き上げられるシリコンの帯状の結晶の量がバランスする事により、るつぼ内のシリコン溶融液の液面を一定レベルに保つことができ、またその温度を正確に制御する事が可能となり、これにより円滑な帯状結晶の連続引き上げが行われる。
【０００３】
図６は、従来のシリコン材料供給装置の構成例を示す。一対のローラ１，２が当接するように近接して配置され、この一対のローラ１，２は互いに逆方向に回転し、図示するように下り勾配に配置されている。シリコン溶融液の原材料である粒状シリコン材料が貯留槽３から供給され、一対のローラ１，２間の略当接した溝部に沿ってローラの回転により送られて一対のロータの端部Ａから落下し、るつぼへ導くガイド４に投入される。
【０００４】
係るシリコン材料の供給装置によれば、貯留槽３から供給される粒状シリコン材料を１個づつバラバラにした状態でるつぼへ連通するガイド４に投入することができる。しかしながら、貯留槽から供給される粒状シリコン材料のるつぼへの投入はばらつきがでてしまうという問題がある。仮に貯留槽３から供給される粒状シリコン材料の量が一分間あたりで一定量となるように送出するとしても、るつぼ側に投入されるシリコン粒状材料の量が秒単位で見ると大きなばらつきがでてしまうという問題がある。
【０００５】
このため、一定温度に制御されているるつぼ内のシリコン溶融液に投入されるシリコン原材料の量にばらつきが生じると、例えばシリコン溶融液に熱的な外乱が印加され、シリコン溶融液の温度が変動することになる。シリコン溶融液の温度は良質の帯状結晶を引き上げる上で、その制御精度が±０．１℃程度の高い精度が要求されている。しかしながら、上述したように粒状シリコン材料の秒単位で見た投入量ににばらつきが生じると、この秒単位のシリコン溶融液温度の変動に伴い、良質な結晶の引き上げの継続が困難となり、作業のやり直しを余儀なくされる等の場合が生じていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、一定の時間間隔で少量の固体粒状シリコン材料をるつぼ内のシリコン溶融液に補給し、これによりシリコン溶融液の熱的な揺らぎを生じさせることなく、安定した結晶引き上げが行えるシリコン材料供給装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のシリコン材料供給装置は、シリコン結晶成長炉に、粒状シリコン材料を供給するシリコン材料供給装置において、円筒面にねじ溝が形成された第１のローラと円筒面の第２のローラとからなる一対のローラが略当接するように近接して平行に配置され、該一対のローラはその近接部の一方の端部が低く他方の端部が高くなるように傾けて配置され、該第１のローラと第２のローラとは互いに反対方向に回転し、前記一対のローラ間の近接部の低い方に粒状シリコン材料が投入され、前記ローラのねじ溝の回転によって前記粒状シリコン材料が高い方の端部に送られ、該端部から前記結晶成長炉に供給されることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記第１のローラは、多条ねじ溝を用いることが好ましい。また前記第１のローラと第２のローラとは、同一径であることが好ましい。また前記一対のローラは、３０°程度傾けて配置することが好ましい。
【０００９】
また、本発明の粒状シリコン材料の供給方法は、所定範囲の寸法の粒状シリコン材料を選別し、円筒面にねじ溝が形成された第１のローラと円筒面の第２のローラとからなる一対のローラを略当接するように近接して平行に配置し、該一対のローラを傾斜させて低い方の送り元に前記粒状シリコン材料を供給して、前記一対のローラを互いに逆方向に回転させることで前記粒状シリコン材料を高い方に送りつつ、前記一対のローラの近接部において各溝に１個ずつ整列させ、高い方の端部から１個ずつ落下させて結晶成長炉に供給することを特徴とする。ここで、前記粒状シリコン材料は、その直径が０．６−１．２ｍｍに選別したものを用いることが好ましい。
【００１０】
上述した本発明によれば、一方のローラにねじ溝が施され、これと略当接する他方のローラは円筒面を備えるので、これらの回転によって粒状シリコン材料がローラ間の近接部に沿って高い方の端部に送られる。一方のローラにねじ溝が付されているので、一対のローラの近接部には、ねじ溝に対応して一個づつ粒状シリコン材料がねじ溝と円筒面の近接部に保持された状態で、ローラの回転に伴い一定速度で高い方の端部側に送られる。これにより粒状のシリコン材料を一粒づつ等時間間隔でシリコン溶融液のるつぼに投入することができる。それ故、投入量のばらつきがほとんどないので、シリコン溶融液に与える熱的な外乱が生ぜず、安定した帯状結晶の引き上げの継続が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図５を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態のシリコン材料供給装置を備えたシリコン帯状結晶引上装置を示す。この装置は、外囲器１１内にるつぼ１３を備え、該るつぼ１３内にシリコンの高温の溶融液Ｙを収納する。るつぼ１３の周囲には、ヒータ１５を備え、電源１６から供給される電流によりヒータ１５の発熱温度が制御され、これによりシリコン溶融液Ｙの温度が制御される。るつぼ１３の近傍には熱電対１８が配置され、検出した温度を制御装置２０に出力する。電源１６は制御装置２０の指令によりシリコン溶融液３の温度を０．１℃の単位で精密に制御する。るつぼ１３の上部にはリッド１７が配置され、このリッド１７の略中央部に帯状結晶を引き上げるための開口であるグローススロット１９が配置されている。
【００１３】
外囲器１１の上部中央部には、帯状結晶を引き上げるための開口が設けられ、その上部に引上装置２１が配置されている。引上装置２１は、種子結晶１を引き下ろし、または引き上げる種子結晶の昇降装置２２と、帯状結晶を連続的に引き上げる帯状結晶引上装置２３とから構成されている。種子結晶１０の昇降はモータ２４の回転により、ボールネジ２９が回動し、種子結晶を固定した固定具２５が昇降することにより行われる。種子結晶の昇降速度および昇降位置は、制御装置２０により制御される。種子結晶の昇降装置２２は、その最上部まで種子結晶とこれに接続した帯状結晶を引き上げると、以降の帯状結晶の引き上げは、帯状結晶引上装置２３に渡される。
【００１４】
帯状結晶引上装置２３は、２本のベルトの間に帯状結晶を挟み込み、モータ２６が回転することにより帯状結晶を連続的に引き上げる。種子結晶の昇降装置２２および帯状結晶の引上装置２３は、それぞれステージモータ２８，２７により水平方向の任意の位置に高精度で移動可能となっている。この装置によれば、例えば幅３．５ｃｍ〜８ｃｍ、厚さ１００μｍ程度の帯状結晶を成長させることができる。
【００１５】
この装置においては、粒状シリコン材料供給装置５１とその供給装置から一定時間間隔で供給される粒状シリコン材料をるつぼ１３に導くガイド５２とを備えている。この供給装置５１からは、０．６−１．２ｍｍの範囲のサイズの粒状シリコン材料がるつぼ１３に連続的に補給され、この補給量は引き上げられるシリコン帯状結晶の量と等しく設定されている。したがって、これによりるつぼ１３内のシリコン溶融液の液面の高さが変わらず、また熱的な外乱を与えることなく、シリコン溶融液温度を一定温度に保ちつつシリコン帯状結晶が引き上げられる。
【００１６】
図２は、本発明の実施形態のシリコン材料供給装置を示す。この装置５１は、一対の逆方向に回転するローラ６１，６２により粒状シリコン材料Ｘを貯留槽６３から所定の時間間隔で一粒づつ、その端部からガイド５２の入口５２ａに投入するシリコン材料供給装置である。ここで、一方のローラ６１は、ねじ溝が形成された第１のローラであり、他方のローラ６２は円筒面の第２のローラである。この２本のローラ６１，６２は、略当接するように近接して平行に配置され、その近接部の一方の端部が低く、他方の端部が高くなるように角度θの傾斜を設けて配置されている。ローラ６１，６２間の近接部の低い方の端部には堰６５が設けられ、貯留槽６３から供給される粒状シリコン材料Ｘが下方に流出しないようになっている。ローラ６１，６２には図示しないが互いに逆方向に同速度で回転する回転駆動機構が備えられている。
【００１７】
ここで、２本のロータ６１，６２は、例えば直径が２５ｍｍ程度であり、その長さが７５ｍｍ程度であり、２本とも同サイズとなっている。このロータ６１，６２の材料はステンレス材を用いて構成することが好ましい。第１のローラ６１のねじ溝は、例えば溝深さが０．５ｍｍ程度であり、その溝幅が２ｍｍ程度であり、溝と溝との間隔が２ｍｍ程度に設定されている。そして、これらを例えば毎分４０回転程度の速度で回転させる。なお、ねじ溝は多条ねじ溝を用いることが好ましく、ここでは４条ねじを用いて構成している。
【００１８】
次に、このシリコン材料供給装置の動作について説明する。まず、粒状シリコン材料の粒径の選別をおこなう。図３に示すように、粒状シリコン材料の粒径は、その購入時には粒径が０．２ｍｍ程度から１．８ｍｍ程度の間に広く分布している。しかしながら、上述したシリコン材料供給装置は、等時間間隔で１個ずつ粒状シリコン材料をるつぼに投入するものであるので、粒径の大きさが異なると、これによりるつぼ内のシリコン溶融液の温度に与える影響の大きさが異なることになる。このため、粒径をこの実施形態においては０．６ｍｍ〜１．２ｍｍに制限して用いている。これにより極端に大きな粒径のもの、または小さな粒径のものが混じることによるシリコン溶融液の温度への影響を小さくすることが出来る。なお、粒状シリコン材料の粒径分布の選別は、例えば最初に１．２ｍｍのメッシュで粒径サイズの大きなものを取り除き、次に０．６ｍｍのメッシュでふるい分けすることにより粒径サイズの小さなものを取り除くことによって行われる。このようなふるい分けにより、例えば１０００個中の粒状シリコンのうち、約７００個程度がシリコン材料供給装置の貯留槽６３に投入される。
【００１９】
貯留槽６３の出口６３ａからは粒状シリコン材料Ｘが一対のローラ６１，６２間の低部側端部に供給される。この粒状シリコン材料は堰６５でせき止められるので、堰６５の上方に滞留する。ここで、溝の深さが０．５ｍｍであり、粒状シリコン材料Ｘは、その直径が０．６ｍｍから１．２ｍｍ程度に選別されているので、図４に示すように２本のローラ６１，６２が略当接する近接部において各溝に１個づつ粒状シリコン材料Ｘが係留され、スクリューねじの回転により図中の矢印で示す方向にロータ間の当接部に沿って送られる。即ち、ロータ６１，６２がそれぞれ外側に向けて回転しつつ、粒状シリコン材料を送るので、ロータ間に噛み込むという問題がなく、確実に貯留槽６３の出口６３ａから出てその近傍に滞留した粒状シリコン材料を１個ずつねじ溝に載せて搬出することが出来る。
【００２０】
各溝の他方のローラ６２の当接面に１個づつ粒状シリコン材料Ｘを係留するためには、溝の深さは最も小さな粒状シリコン材料の直径よりも小さく、かつその１／２の高さよりも大であることが好ましい。ロータ６１，６２間のねじ溝により係留された粒状シリコン材料Ｘは、その端部まで運ばれると落下して、るつぼへのガイド５２の投入口５２ａに投入される。したがって、ロータの回転数が一定である以上、一定の時間間隔ごとに粒状シリコン材料Ｘが１個ずつ供給されることになる。
【００２１】
この実施形態においては４条からなる多条ねじが用いられている。このため、４条ねじによればロータ６１が１回転で４個の粒状シリコン材料Ｘを投入口５２ａに供給することが出来る。すなわち１条ねじを用いた場合には、ローラ１回転で１個のみしか供給されないが、多条ねじを用いることによって１回転でその多条の条数分だけ粒状シリコン材料を供給することが可能である。これにより回転駆動機構の回転数を下げることが出来、機械的な安定性を高めることができる。即ち、単位供給量に対して回転数を下げることができるので、機械的に設計が容易となり且つ安定に動作させることが容易である。
【００２２】
ここで粒状シリコン材料の平均粒径は０．９ｍｍであり、シリコンの比重が２．３３ｇ／ｃｍ^３であることから、１個当たりの重量は０．６３ｍｇとなる。一方で帯状結晶成長時の毎分当たりのシリコン溶融液の消失量は、帯状結晶の厚みを１００μｍとし、幅を３５ｍｍ−８０ｍｍとすると、０．１６ｇ−０．３７ｇとなる。このため、粒状シリコン材料の補給量は、毎分当たり１８０個−４１６個となる。従って、成長する帯状結晶の幅等を測定しつつ、消失量（引上げ量）に見合った量の粒状シリコン材料を投入するように、ロータの回転速度の制御を行う。即ち、このシリコン材料供給装置においては、ロータの回転数を調整することで、任意の粒状シリコン材料の供給量を設定することができ、これにより引き上げる単結晶の幅および厚み等に対応して適宜にその速度を調整することが必要である。ここで粒状シリコンはペレット状シリコンでも構わない。
【００２３】
図５は、本発明のシリコン材料供給装置と従来のシリコン材料供給装置との粒状シリコン材料の供給間隔を示している。（ａ）は本発明のシリコン材料供給装置によるもので、（ｂ）は図６に示す従来のシリコン材料供給装置によるものである。これによれば、本発明のシリコン材料供給装置においては、一定の時間間隔で粒状シリコン材料が供給される。即ち、図５（ａ）によれば、３秒間に７個の割で、秒単位の正確な時間間隔でるつぼに粒状シリコン材料を供給することができる。これにより、シリコン溶融液の温度を一定に保ち、安定した帯状結晶の引上げができることは上述したとおりである。
【００２４】
これに対して、従来のシリコン材料供給装置においては、この時間間隔にむらがあることがわかる。即ち、図５（ｂ）によれば、１秒間に数個の粒状シリコン材料が供給される時間間隔と、全く供給されない図示の例では３秒間の時間間隔が存在する。係る粒状シリコン材料の供給にむらがあると、シリコン溶融液温度に外乱を与え、安定な結晶引き上げを阻害することがあることは上述したとおりである。
【００２５】
なお、上記実施の形態においては、０．６−１．２ｍｍの粒状シリコン材料を供給する例について説明したが、シリコン以外の材料、また寸法の異なる粒状材料の結晶成長炉への供給についても、本発明の趣旨を同様に適用することが可能である。
【００２６】
なお、本発明のシリコン材料供給装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のシリコン材料供給装置によれば、粒状シリコン材料を安定に等時間間隔でるつぼに投入でき、これによりシリコン溶融液に熱的な外乱を与えることなく安定したシリコン帯状結晶の引き上げが行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のシリコン帯状結晶引上装置の（ａ）正面図（ｂ）側面図である。
【図２】図１におけるシリコン材料供給装置の斜視図である。
【図３】粒状シリコン材料の選別を示すグラフである。
【図４】スクリューねじローラによって粒状シリコン材料が１個づつ各ねじ溝に係留されて運ばれる状態を示した図である。
【図５】粒状シリコン材料の供給時間間隔を示した図であり、（ａ）は本発明のシリコン材料供給装置によるもので（ｂ）は従来のシリコン材料供給装置によるものである。
【図６】従来のシリコン材料供給装置の斜視図である。
【符号の説明】
５１シリコン材料供給装置
５２ガイド
５２ａガイド投入口
６１スクリューねじロータ
６２円筒面ロータ
６３貯留槽
６３ａ貯留槽出口
６５堰
Ｘ粒状シリコン材料

Claims

シリコン結晶成長炉に、粒状シリコン材料を供給するシリコン材料供給装置において、
円筒面にねじ溝が形成された第１のローラと円筒面の第２のローラとからなる一対のローラが略当接するように近接して平行に配置され、該一対のローラはその近接部の一方の端部が低く他方の端部が高くなるように傾けて配置され、該第１のローラと第２のローラとは互いに反対方向に回転し、前記一対のローラ間の近接部の低い方に粒状シリコン材料が投入され、前記ローラのねじ溝の回転によって前記粒状シリコン材料が高い方の端部に送られ、該端部から前記結晶成長炉に供給されることを特徴とするシリコン材料供給装置。
前記第１のローラは、多条ねじ溝を用いたことを特徴とする請求項１に記載のシリコン材料供給装置。
前記第１のローラと第２のローラとは、同一径であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン材料供給装置。
前記請求項１乃至３のいずれかに記載のシリコン材料供給装置を備えたことを特徴とするシリコン帯状結晶の引上装置。
所定範囲の寸法の粒状シリコン材料を選別し、円筒面にねじ溝が形成された第１のローラと円筒面の第２のローラとからなる一対のローラを略当接するように近接して平行に配置し、該一対のローラを傾斜させて低い方の送り元に前記粒状シリコン材料を供給して、前記一対のローラを互いに逆方向に回転させることで前記粒状シリコン材料を高い方に送りつつ、前記一対のローラの近接部において各溝に１個ずつ整列させ、高い方の端部から１個ずつ落下させて結晶成長炉に供給することを特徴とする粒状シリコン材料の供給方法。