JP4059639B2 - 結晶の引上装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンドレスベルトによって帯状の半導体結晶（ウェブ結晶）をるつぼから連続的に引上げる結晶の引上装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
太陽電池等の用途に、シート状の大面積のシリコン単結晶又は多結晶基板が生産されている。係る単結晶又は多結晶基板は、所定温度に調整されたシリコン原料を溶融したるつぼから、所定方位の結晶軸に沿って種結晶を引上げることで、帯状（シート状）の結晶を成長させて生産することができる。即ち、この結晶をエンドレスベルトに挟んで引上げることで、長尺の結晶を連続的に引上げることができる。そして、帯状の結晶を適当な寸法で裁断することにより、矩形シート形状のシリコン単結晶又は多結晶基板が得られる。尚、帯状の結晶は厚さが例えば１００μｍ程度と薄いため、可撓性を有し、エンドレスベルトに挟んで鉛直方向に引上げた後に、緩やかな円周面に沿って曲げて、裁断装置に導入することができる。
【０００３】
このようなエンドレスベルトに挟んで結晶を連続的にるつぼから引上げるに際して、結晶の成長が必ずしも厳密に真上に成長するのではなく、ずれを生じる場合がある。即ち、一対のエンドレスベルトに挟んで結晶を連続的に引上げるのであるが、引上げている途中で結晶がベルトの中央からずれてしまい、ベルトから外れる方向に成長してしまう場合がある。このような場合には、後段の裁断装置に円滑に結晶を送り込むことができなくなり、また、結晶がエンドレスベルトから外れた場合には結晶の円滑な引上げ自体も困難となる。
【０００４】
このような結晶の連続引上げに際して、その成長方向がベルト中央部からずれを生じた場合に、従来はこの結晶の引上げ中の位置ずれを作業者の手作業により修正していた。即ち、作業者がるつぼ内の結晶の引上げ状態を監視し、手作業でエンドレスベルトの引上げ位置を調整することなどで、結晶の引上げ方向がエンドレスベルトの略中央部に位置するように調整を行っていた。この作業は、引上げ中の結晶に余分な衝撃を加えないように行う必要があるため、作業に熟練が必要であるばかりでなく、常に引上げ状態を監視する必要があり、大変煩わしい作業であった。また、結晶は線状の種結晶からその成長が始まり、帯状の結晶の幅が徐々に拡大して一定幅の帯状の結晶になるので、常に結晶のベルトに対する相対位置を調整することが必要であり、人手のかかる作業であった。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、煩わしい人手による作業を要することなく、エンドレスベルトによって安定に結晶の連続的な引上ができるようにした結晶引上装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、帯状の半導体結晶をるつぼから連続的に引上げる結晶の引上装置において、前記結晶の引上げ経路に該結晶の幅方向の位置を自動的に調整する位置制御装置を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上述した本発明によれば、結晶の幅方向の位置を自動的に調整する位置制御装置を備えたので、帯状の結晶の成長方向がずれて成長しても常に結晶を、エンドレスベルトの略中央部に保持しつつ、安定した引上げを行うことができる。
【０００８】
また、本発明の位置制御装置は、前記結晶の幅方向両側に配置された前記結晶の幅方向に移動可能な一対のブロック体を備え、該ブロック体には前記結晶の端縁部を検出する位置センサと、前記結晶の端縁部が接触することでその引上方向を調整する摺接面とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
結晶の端縁を検出する位置センサと、結晶の端縁部が接触する摺接面を備え、所定時間又は所定引上長毎に結晶の端縁を位置センサにより検出して、位置センサの端縁検出位置から例えば０．５ｍｍ程度離隔した位置に摺接面を固定する。従って、結晶は摺接面に接触すると、その部分で幅方向の移動が拘束され、その結果として成長方向が修正され、これにより引上げ用エンドレスベルトの略中央部に結晶を保持しつつ引上げることができる。
【００１０】
また、本発明の位置制御装置は、前記一対のブロック体をスタート位置から同時に移動させ、そのいずれか一方のブロック体が前記結晶の端縁を検出することで、両方のブロック体の移動を停止させる制御機構を備えたことを特徴とする。
【００１１】
これにより、定期的にブロック体をスタート位置に一旦戻し、同時に両方から内側に移動させるようにスタートさせ、そのいずれか一方のブロック体が結晶の端縁を検出することでブロック体の移動を停止させることにより、帯状の結晶の幅が徐々に拡大しても、移動方向が逆転しても、ブロック体の摺接面を結晶の一方の端縁近傍に配置することができる。従って、結晶の成長にずれが生じた場合には、結晶の端縁がブロック体の摺接面に摺接することで、その端縁位置が拘束され、その結果として結晶の成長方向が正しい方向に修正される。上述した装置によれば、係るブロック体の固定位置の設定を定期的に行うので、結晶の幅が引上長に対応して変化しても、常に安定した結晶成長方向の修正作業を安定に行うことができる。
【００１２】
また、本発明の結晶の連続引上方法は、帯状の半導体結晶を連続的に引上げる結晶の連続的な引上げにおいて、前記引上げ中の結晶の幅方向の端縁位置を検出し、該端縁位置の近傍に摺接面を固定し、前記結晶の幅方向の移動を拘束するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の結晶の連続引上方法は、前記結晶の端縁の位置検出と、前記摺接面の位置調整は、前記結晶の幅方向の寸法の変化に対応して、間欠的に行うことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態の結晶引上装置を示す。この装置において、（ａ）は種結晶の引上げ段階を示し、（ｂ）はエンドレスベルトによる帯状の結晶の連続的な引上げ状態を示す。結晶成長炉１１の中央部にはるつぼ１２を備え、るつぼ１２内では溶融したシリコンが所定温度に保持され、種結晶１４を浸漬して引上げることで、帯状の結晶１５が成長しつつ引上げられる。ここで、種結晶１４の結晶軸を所定の方位に選定することで、シート状の帯状シリコン単結晶又は多結晶が引上げられる。種結晶１４は、種結晶保持部１６に保持され、駆動モータ１８の回転により、鉛直方向の直進引上げ機構１７により鉛直方向に引上げられる。
【００１６】
種結晶１４がエンドレスベルト引上機構２０よりも上方に到達し、種結晶１４に引続いて形成される結晶１５の部分がエンドレスベルト引上機構２０の上方位置まで到達すると、一対のエンドレスベルトからなる連続引上機構２０がモータ２１の回転により結晶１５を挟み込む位置まで移動する。そして、連続引上機構２０は一対のエンドレスベルト間に結晶１５を挟み込み、種結晶１４を切断する。それ以降は駆動モータ２２の回転によりエンドレスベルトが結晶を挟み込みつつ回転することで結晶１５が連続的に引上げられる。結晶は、その幅が例えば７０−８０ｍｍ程度であり、その厚さが１５０μｍ程度と薄いため、可撓性を有し、図示しない裁断機構側に送られる。そして、帯状の結晶が裁断されて、矩形シート状の結晶板が得られる。係る結晶板は矩形且つシート状であるため、拡散等の処理を施した後に太陽電池パネルに装着される。
【００１７】
この結晶引上装置においては、エンドレスベルト引上機構２０の下方に結晶が正しい位置で引上げられるようにその位置調整を行う位置制御装置２３を備えている。この位置制御装置２３は、結晶の端縁が摺接することで、結晶の幅方向の移動を拘束し、これにより結晶がエンドレスベルトの中央部で引上げられるように、その成長方向が制限される。従って、この引上装置においては、結晶を連続的に引上げるのであるが、位置制御装置２３により常にその中央部に結晶が引上げられるように案内されるので、例えば数百ｍの長い距離の引上げを行っても、常にエンドレスベルトの中央部に結晶を位置させつつ、安定に引上げることができる。なお、結晶の連続的引上げに際しては、るつぼ内に新規のシリコン原料を投入する必要があり、この投入量と引上量とをバランスさせることによりるつぼ内でシリコン溶融体の位置を一定に保ちつつ、連続的な引上げが可能である。
【００１８】
次に、図２乃至図４を参照して位置制御装置の構成及び動作について説明する。位置制御装置２３はこの実施形態においては、エンドレスベルトの連続引上装置２０の直下に配置されていて、引上げる結晶の位置を調整する一対のブロック体２５を備えている。ブロック体２５は、結晶の端縁位置を検出する位置検出センサ２６と、結晶の端縁が摺接する摺接面２７とを備えている。一対のブロック体２５は、図示しない駆動機構により、結晶の端縁から十分に離隔したスタート位置から、内方に等速度で移動し、いずれか一方の結晶端縁をその位置検出センサで検出することで移動を停止して、その場に固定されるようになっている。また、位置制御装置は、一対のブロック体２５を信号により適当な時間間隔でスタート位置に復帰させて内方に移動して結晶端縁検出位置で停止させる機能を有している。
【００１９】
ブロック体２５は、上述したように図中の左右に移動可能であり、結晶の幅に対応してその固定位置を調整することができる。即ち、結晶１５は、種結晶から引上げ直後と、１００ｍ乃至数百ｍを引上げた後とでは、その幅が異なる。即ち、結晶の幅は、種結晶の引上げ当初は、例えば４０−５０ｍｍ程度であり、引上げが進むにつれて徐々に拡大していき、約１００ｍ程度の引上げを行うと、上述したように例えば７０−８０ｍｍ程度の一定幅となる。このため、図中実線で示すスタート位置Ａと、図中点線で示す固定位置Ｂは、その対象とする結晶の幅に応じて決められる。ブロック体２５は、結晶１５の端縁位置を検出する位置検出センサ２６を備え、この位置検出センサ２６は、例えば光ファイバセンサであり、発光部２６ａと受光部２６との間に結晶１５の端縁が挿入され、これにより光が遮られることで結晶１５の端縁を検出することができる。そして、光ファイバセンサ２６の光軸から微少距離ｌ（例えば０．５ｍｍ程度）外方に摺接面２７を備えている（図３（ａ）参照）。従って、結晶引上げ中は、図中点線で示すブロック体のスタート位置Ａから結晶端縁側にブロック体２５を近づけた時に、摺接面２７から０．５ｍｍ以下の距離で位置センサ（光ファイバセンサ）２６がこの結晶端縁位置を検出し、これにより信号が出力されてブロック体２５の移動を停止させて、そのブロック体２５を固定する。
【００２０】
結晶１５が何らかの原因により、エンドレスベルトで挟み込んだ中心位置から幅方向にずれが生じた場合には、このブロック体２５の摺接面２７に結晶１５の端縁が接触し、摺接面２７が固定されていることから、結晶はその端縁が摺接面２７に摺接して引上げられ、それ以上の結晶のずれが抑止される。
【００２１】
上述したエンドレスベルトで結晶を挟むときに、両側のブロック体を移動させ、ブロック体２５の原点（スタート）位置から結晶の端縁までの距離を測定することにより、一対のブロック体２５が原点位置にあるときの両ブロック体間の中心位置と、引上げ中の結晶の中心位置の位置ずれを求めることができる。上述したように、この位置制御装置は、結晶の位置ずれが発生する方向を自動的に検出し、ブロック体の摺接面を固定することで、結晶の位置ずれを阻止する機能を有する。しかしながら、その機能を十分に発揮するためには、まずエンドレスベルトで結晶を挟んだときに結晶がどの位置にあるのかを見極め、それ以降の結晶の引上げ方向の位置ずれを修正する必要がある。エンドレスベルト２０ａ、２０ｂで結晶１５を挟む直前に結晶の中心位置検出を行えば、それぞれの中心のずれを補正するようにエンドレスベルトによる引上機構２０もしくは位置制御装置２３の位置を調整し、両方の中心を一致させることで、結晶をエンドレスベルトの中央部に挟んで連続引上げを開始することができる。また、エンドレスベルトで挟んだ後にこのエンドレスベルトの中心位置と、結晶の中心位置との検出を行い、これらの中心位置ずれを補正して中心が一致するようにブロック体の原点位置をずらすことでも同様な効果が得られる。
【００２２】
最初に、結晶の中心位置に対してエンドレスベルト２０ａ，２０ｂの中心位置を合わせた後は、結晶の幅が引上長（時間）に応じて変化するため、定期的に一対のブロック体２５をその原点位置から結晶１５の方向に向かって移動させ、先に結晶端縁を検出した側のブロック体をその場所に止め、他方のブロック体を原点位置に戻す操作を行う。図３は、この状態を示し、結晶１５が角度θのずれを生じて引上げられている時に、ブロック体２５がその位置検出センサ２６の光軸により、結晶端縁を検出して停止した状態を示している。即ち、ブロック体２５は停止位置Ｂに固定され、他方のブロック体は原点に復帰している。
【００２３】
図４は、図３の状態から結晶の引上げが進行し、結晶１５の端縁の引上げ摺接面２７に摺接して、引上げ角度のずれが補正され、正規の方向に引上げられていることを示している。即ち、結晶１５の引上方向にずれを生じた場合に、固定したブロック体２５の摺接面２７に結晶１５の端縁が摺接し、これにより結晶の幅方向への移動が拘束され、正しい方向に引上げが継続される。即ち、ブロック体をそれぞれの原点位置から結晶の方向に同時にスタートさせて移動させ、先に結晶の端縁を検出したブロック体がその場で固定されることで、結晶の引上げ方向のずれをそれ以上起こさせず、結晶引上げの方向を修正することができる。
【００２４】
図５は、結晶幅の広がり状態を示す。線状の種結晶を用いて、鉛直方向の引上げ装置により種結晶を引上げることで、両側にデンドライト状の結晶が成長し、その間に帯状且つシート状の結晶の成長が始まる。この結晶を引上げて、所定高さまで到達すると種結晶を切断してエンドレスベルトによる引上機構に引き渡すことは上述したとおりである。このエンドレスベルトに引き渡した直後の幅をＷ_０（例えば、４０−５０ｍｍ）とし、その後の時間の経過と共に結晶幅が徐々に広がり、定常状態に到達すると、結晶幅は幅Ｗ_２（例えば、７０−８０ｍｍ）の一定幅となる。又、引上げ速度は略一定であるため、図５において横軸は結晶の引上長であるが、これは時間に比例している。
【００２５】
図示するように引上長がＬ_０〜Ｌ_１迄のステップ１においては、結晶幅の広がり速度が比較的大きい。このため、上述したブロック体の原点位置への復帰及び次の結晶端縁の検出及びブロック体の固定動作を比較的頻繁に行う必要がある。従って、このステップ１におけるブロック体の位置設定の周期は、（１）式に従って行う。
Ｔ_１＝２ｌ／（Ｗ_１−Ｗ_０）／（Ｌ_１−Ｌ_０） （１）
ここで、（１）式においてｌは、センサが結晶端縁を検出したときの結晶端縁とブロック体の摺接面との距離である（図３（ａ）参照）。この繰り返し周期の開始時期は、引上長Ｌ_１に到達すると、次のステップに移行する。
【００２６】
ステップ２は、結晶幅の広がり速度が緩やかな時期であり、同様に繰り返しの周期は（２）式による。
Ｔ_２＝２ｌ／（Ｗ_２−Ｗ_１）／（Ｌ_２−Ｌ_１） （２）
そして、ステップ３においては結晶幅の広がりは殆どないので、ブロック体の位置は固定したままとする。
【００２７】
図６は、上記本発明のブロック体による結晶の位置制御を実施した場合の例を示す。図中横軸は結晶の引上長であり、縦軸は結晶の中心位置を示す。図中×印は結晶の中心位置を示し、△印は結晶の傾き角度を示す実測データである。図中のＰ_０はエンドレスベルトの中心線を示し、角度はずれがない状態、即ち０゜であることを示している。図中に示す曲線Ｐ_１は、実測データの傾向を示したものであり、この結果、結晶の端縁間の中心位置は多少変動するが、修正されて略一定位置に保持されていることがわかる。
【００２８】
これに対して、図７は比較例であり、ブロック体による位置制御装置を用いない場合を示す。ここで、図中×印は結晶中心位置を示し、△印は結晶の傾き角度を示す実測データであることは図６と同様である。ここで、×印がベルトの中心位置０からずれることは、結晶幅の中心位置がエンドレスベルトの中心位置からずれていることを意味し、△印が０からずれることは、結晶の成長方向がベルトの中心線方向からずれた角度となっていることを示している。結晶の中心位置及び引上角度を示す曲線Ｐ_１は、大幅に変動し、結晶の中心位置が引上長Ｌｘにおいてベルト幅から外れてしまったことを示している。
【００２９】
このように、従来のエンドレスベルトによる結晶の連続引上げにおいては、その引上げ中に結晶の引上方向にずれが生じ、ベルトから外れてしまう場合が多々あることを示している。上述した本発明の位置制御装置を用いることにより、結晶の引上（成長方向）がブロック体の摺接面により拘束され、エンドレスベルトの中心位置に対して結晶の中心位置に殆どずれが生ぜず、連続的な引上げが可能となることが分かる。そして、上述したように結晶の幅は引上げ開始時から徐々に拡大して一定幅に到るのであり、その間に結晶幅が変化するが、ブロック体の原点復帰及び位置設定を結晶幅の広がり速度に対応した周期で定期的に行うことにより、常に安定した引上げを行うことが可能となる。
【００３０】
なお、上述したブロック体の構成等は本発明の一実施例として示したものであり、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、結晶の引上経路にその結晶の幅方向の位置を自動的に調整する位置制御装置を備えたので、人手による調整等を一切必要とすることなく、エンドレスベルトを用いて結晶を安定に引上げることができる。従って、熟練を要し、且つ煩雑な結晶の引上調整作業から解放されるのみならず、品質の安定した結晶を安定に量産することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の結晶の引上装置の全体構成を示す図であり、（ａ）は種結晶の引上段階を示す正面図であり、（ｂ）はエンドレスベルトによる連続引上段階を示す側面図である。
【図２】図１における結晶の幅方向の位置を自動的に調整する位置制御装置を示す（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図３】位置制御装置の結晶の端縁検出動作を示す図であり、（ａ）は結晶の成長方向に垂直な面の断面を示し、（ｂ）は結晶を正面から見た図である。
【図４】位置制御装置の結晶の端縁摺接動作を示す図であり、（ａ）は結晶の成長方向に垂直な面の断面を示し、（ｂ）は結晶を正面から見た図である。
【図５】結晶の幅方向の広がりの一例を示す図である。
【図６】本発明の位置制御装置を用いた場合の結晶の中心位置及び引上方向の実測例を示す図である。
【図７】本発明の位置制御装置を用いない場合の結晶の中心位置及び引上方向の実測例を示す図である。
【符号の説明】
１５ 結晶
２０ エンドレスベルトによる連続引上装置
２０ａ，２０ｂ エンドレスベルト
２３ 位置制御装置
２５ ブロック体
２６ 位置検出センサ
２７ 摺接面
Ａ 原点（スタート）位置
Ｂ 固定（停止）位置
ｌ 位置検出センサの光軸（検出軸）と摺接面との間隔（距離）

Claims (4)

1. 帯状の半導体結晶をるつぼから連続的に引上げる結晶の引上装置において、前記結晶の引上げ経路に該結晶の幅方向の位置を自動的に調整する位置制御装置を備え、
   前記位置制御装置は、前記結晶の幅方向両側に配置された前記結晶の幅方向に移動可能な一対のブロック体を備え、該ブロック体には前記結晶の端縁部を検出する位置センサと、前記結晶の端縁部が接触することでその引上方向を調整する摺接面とを備えたことを特徴とする結晶の引上装置。
2. 前記位置制御装置は、前記一対のブロック体をスタート位置から同時に移動させ、そのいずれか一方のブロック体が前記結晶の端縁を検出することで、両方のブロック体の移動を停止させる制御機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の結晶の引上装置。
3. 帯状の半導体結晶を連続的に引上げる結晶の連続的な引上げにおいて、前記引上げ中の結晶の幅方向の端縁位置を検出し、該端縁位置の近傍に摺接面を固定し、前記結晶の幅方向の移動を拘束するようにしたことを特徴とする結晶の連続引上方法。
4. 前記結晶の端縁の位置検出と、前記摺接面の位置調整は、前記結晶の幅方向の寸法の変化に対応して、間欠的に行うことを特徴とする請求項３記載の結晶の連続引上方法。

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