JPH01148792A - シリコン粒状材料の連続溶融装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、シリコン・リボン連続水平引抜き用の溶融
槽と連通管原理に従って連結された溶融体貯槽内のシリ
コン粒状材料の連続溶融装置に関するものである。

〔従来の技術〕

これに類似した装置とリボン状ンリコン結晶の水平引抜
き法とその装置は欧州特許出願公開第０１７０１１９号
公報により公知である。

このＳウェブ法と呼ばれている製法とその装置により溶
融シリコンがら約１ｍ／ｍｉｎの裔速度でシリコン・リ
ボンを引き抜くことができる。この方法の性能を経済的
に完全利用するためには数時間又は数日に亘って連続的
に引抜き操作を続けなければならない。これに対しては
引抜き操作の全時間中溶融槽内の溶融シリコンの表面を
常に同じ高さに保持することが前提となる。

この場合解決しなければならない問題は、リボン引抜き
を妨害することなく溶融槽にシリコン素材を連続的に補
給することである。例えば幅３゜■、厚さ０６５箇のリ
ボンを１ｍ／ｍｉｎの引抜き速度で引抜く場合毎分３５
０ｇのシリコンを連続的に補給することが必要である。

シリコン素材は粒状材料として入手可能である。固体シ
リコンの密度は液状のものより低いから、粒状体は溶融
体に散布したとき沈下することなく浮かんでいる。従っ
て融体から粒状体への熱移動は良くない。未溶融の粒状
体は充填口の下の溶融体表面に集まる。

８１重なった粒状体内の熱の移動は溶融体と粒状体の間
よりも更に悪い。鉄と鋼の公知溶融法の場合補強された
材料は固体と液体の密度比がシリコンの場合と逆である
ことに基いて完全に融体内に沈下するから上記のような
問題は生じない。

低い熱移動にも拘らず極めて急な温度勾配によって充分
な熱出力が粒状体に移されるようになるまでシリコン溶
融体の温度を上げることはいくつかの理由によって不可
能である。その理由の１つは融体ならびに引抜き槽の材
料として使用される石英がシリコンの融点以上の温度で
機械的不安定となることである。その外に石英と液体シ
リコンの間の化学反応速度が温度と共に上昇する。この
反応によりシリコンの酸化物が発生し、周囲の高温度に
よって融体から蒸発して高温に加熱されたグラファイト
面（加熱体、蓋等）において−酸化炭素を形成する。こ
の−酸化炭素は溶融シリコンに再溶解し、次式 ％式％ に従って炭化シリコンとなる。このＳｉＣはシリコン・
リボン内に組み込まれ太陽電池への使用を著しく阻害す
る。

〔発明が解決しようとする課題］ この発明の目的は、所要量のシリコン粒状材料を各粒子
が充分な量の溶融体で包囲されて必要とする溶融エネル
ギーを受取るように溶融シリコンの表面に一様に分布さ
せることができる装置を提供することである。この場合
公知の加熱装置によって融体から粒状体に移された熱工
Ｚルギーを融体に再補給することができる。

〔ｊＪ題を解決するための手段〕

この目的はこの発明により、連通管原理に従いシリコン
・リボンの連続水平引抜き用の溶融槽と連結された溶融
体貯槽内のシリコン粒状材料の連続溶融装置において、 （ａ）　　溶融体貯槽の容器を、全面的に熱絶縁され粒
状体導入スリント開口を蓋部分に備える環状槽として構
成すること、 （ｂ）　　環状槽の中心軸に遠心加速用の回転皿を設け
ること、 （Ｃ）回転皿の角速度又は回転数を１つの上限値と下限
値の間で連続的に変化させる装置を設けること、 （ｄ）　　回転皿の上にシリコン粒状材料のための管状
収集器を固定し、この収集器に粒状材料を回転軸の方向
に導く導管と環状槽に向かう排出部を設けること によって達成される。

この発明の一つの実施態様によれば、収集器が４５″か
ら９０°の間の角度で結合された少くとも２つの管部分
から構成され、管軸に垂直に延びる管部分には粒状材料
の送り込み部が設けられ、排出孔を含む管部分は粒状体
の加速区間となる。

この外に多数の加速管が１つの送り込み管に設けられ、
加速管が例えば十字形に共通送り込み管の周囲に配置さ
れた管の組合せ構造を使用することも可能である。

その他の実施態様は特許請求の範囲の請求項５以下に示
されている。

〔実施例〕

以下第１図ないし第６図についてこの発明を更に詳細に
説明する。

爪上皿：　　エネルギー消費をできるだけ低くするため
溶融体貯槽７は、熱伝導又は熱放射によるエネルギー損
失ができるだけ小さくなるように公知技術により熱絶縁
されている。この熱絶縁と貯槽７の加熱装置および回転
運動４に対する駆動モータは図を節単にするため示され
ていない。

熱遮蔽にも拘らず溶融体表面に絶えず均等に粒状シリコ
ン８を散布する問題はこの発明により次の手段によって
解決される。

（１）溶融体貯槽を環状槽７として構成する。

（２）粒体８を次に説明する回転装置内で遠心力によっ
て加速して熱遮蔽のスリット形開口から溶融体表面に達
する特定の投射軌道を画くようにする。

（３）粒体８を回転装置（２，３，４）の軸に沿って導
入する。

（４）回転装置（２，３，４）の角速度を１つの下限値
と上限値の間で連続的に変化させ、粒体８の投射軌道が
環状槽７の幅全体に拡がるようにする。

粒体８導入用の加速管２は軸４を回転軸とする回転皿３
に固定される。加速用の管部分２ｂの排出孔は溶融体表
面１からＨの高さに置かれ、粒体８は管部分２ａを通し
て管部分２ｂに導かれる。

管部分２ａの充填口９は振動器５の下で軸４に同軸に回
転する。６は環状槽７と図に示されていないシリコン・
リボン引抜きるつぼとの結合を示す。

加速管２ｂの断面は円形、長円形又は長方形であり、そ
の寸法はその中で動く粒体８を妨害しないように選定さ
れる。回転皿３には第１図に示した単独管２の代りに多
数の加速管２ｂを例えば十字形にとりつけることができ
る。これらの加速管は総て１つの導入管２ａを共通にし
ている。管２ａ、２ｂの材料としては有害なくずを発生
しないもの例えば石英又はシリコンが使用される。

第２図：　加速装置（２，３，４、）に課せられるその
他の条件は粒子８の運動の解析によって求められる。以
下の計算は一例として送り込み管部分２ａと加速管部分
２ｂが角度９０°で交っている装置に対するものであっ
て、この発明による９０°と４５°の間の別の角度で交
る装置には触れない。粒子は力学の慣例に従い質点とし
て取扱い、その拡がりは無視する。この質点は軸４の周
りに角速度Ｗで回転する加速管２内で半径方向ｒに自由
に動き得るものとする。粒子はそれに作用する遠心力に
よりｒに関係する加速を受ける。摩擦力を無視すると加
速管内の粒子の運動は次の微分方程式で表される。

「“−ｗ２ｒ＝０　　　　　　　　　　　（１）ここで
「“はｒ”　（ｔ）＝α２ｒ／ｄ　ｔ”＝０をとると、
（１）の解は ｒ　＝　７　　（ｅ　″Ｌ十ｅ−″′ｔ）（２）加速管
の長さをｒａｒＡとすると、加速管を出るときの粒子の
半径方向速度ｒＡ　　′は次式で与えられる。

ｒａとｒ。の値が与えられていると、（２）の解として
の積ｗｔは固定値を示し、（４）の括弧内の関数も固定
値をとる。

第主割二　　式（４）からｒ０＝０にある粒子（８）は
動かないことになる。この情況は加速管２ｂの中心（ｒ
−０）に円錐１０を置き、送り込み管２ａ内を落下する
粒子を中心から側方に偏向させることによって防止する
ことができる。

工土ス二　粒子は加速管から放出される際半径方向速度
ｒＡ　′の外に接線速度Ｖｔ　＝ｗ・ｒ、を持つ。速度
ｒａ　　′とｖｔから次の合成速度が求められる。

ｖ＝ｒコ］（５） 第４図に溶融体表面に垂直に投影した運動経過を示す。

Ａ４は溶融体表面１からＨの高さにある放出点Ａの投影
である。加速管２ｂの終端が軸４の回りに画く円は１１
として示されている。角αに対しては が成立する。ｗｔはｒＡとｒｏの与えられた値に対して
式（２）の解としてＷに無関係な固定値をもつ。

従って式（６）によりαも固定値である。

加速管（２ｂ）の終端Ａから式（５）で与えられる速度
Ｖをもって水平に放出される粒子は放物線を画き、その
溶融体表面への投影Ｓは円１１の接線に角度αで交る。

点Ａの溶融体表面からの投射高さをＨとすれば、粒子は
投射距離Ｓの後溶融体表面に当たる。

第４図に示すように投射距離Ｓは溶融体に当たったとき
の円１１からの半径方向間隔Ｘと同一ではない。この間
隔Ｘは加速管２ｂの回転する放出孔によって規定される
ものであって、辺Ｓ、Ｘおよびｗ＋ｒＡの三角形と角α
＋９０°からで与えられる。式（８）においてｒＡとｓ
ｉｎ　αは固定値であり、Ｓは式（７）と（５）を通し
てＷの関数となる。

従って式（８）はＸをＷの関数として表わすものである
。以下に述べる実際的な計算例では角速度Ｗの代りにｎ
＝ｗ／　２πで与えられる回転数ｎが使用される。第４
図にはｒａ　＝１１ｃｍ、　　ｒｏ　＝５ｃｍとする２
つの計算例が示されている。これらの値から式（２）と
（６）によりα＝４１．６９°となる。回転数をｎ、＝
８５回転毎分又はｎｚ＝１１８回転毎分とすると、（８
）により間隔ＸはＬ＝８．５ｃｍ又はＸ２＝１２ｃｍと
なる。

’４５別は平均間隔Ｘの測定値と理論計算値の比較を示
す。実験に際しては１０１０ｍｍＸ１４の長方形断面を
もち、ｒＡ＝１１ｃｍ、Ｈ＝３ｃｍの石英加速管を使用
した。Ｓｉ粒の質量は２＋ｎｇから２００＋ｎｇＯ間で
あった。第５図に示した十字形は測定値であり、曲線は
計算値であって曲線ａではｒ。＝７ｃｍ、ｂではｒ０＝
５ｃｍ、Ｃではｒｏ＝３ｃｍである。

毎分約１００回転以上の回転数では測定値が直線形の計
算曲線すに近づく。低い回転数においての偏差は、遠心
力が低下すると摩擦力が無視できなくなるとして説明さ
れる。

筆旦区：　　環状の溶融体の全表面を均等に被覆するこ
とは、この発明により回転数を周期的に変化させること
によって可能である。第１時間区分Δｔ、−＋、におい
て回転数ｎは後で導かれる時間関係に従って１つの下＠
　Ｉｕ　ｎ　ｌから１つの上限値ｎ２まで上昇し、続い
て極めて短い時間区分ΔＬ２→１（（Δｔ１→２）中に
再びｎ、に低下する。この２つの周期は間断無く続けら
れる。回転数の時間関係ｎ　（ｔ）の導出は、周期Δｔ
１→２の開時間要素ｄＬ当り粒子ビームが走査する面積
要素ｄ　Ｆ＝２πＲ−ｄＲが一定でなければならないと
いう要請から出発する。ここでＲ≠ｒ、　＋Ｘ　（第４
図）は面積要素の半径である。この要請は で表される。Ｃは定数で、単位時間当り散布し溶融する
粒子の質量ｄｍ／ｄｔと散布層の面密度ρ。

（ｇ／ａｍ”　）によって決まる。これからｔ＝０でＲ
＝　Ｒ＋　””　ｒ　Ａ　＋　Ｘ　＋　という条件の下
に（９）を積分すると 式（ＩＩ）はＣ，ｒＡ及びＸｌの与えられた値において
溶融体表面を均等に被覆するために必要な間隔値Ｘの変
化を与える。このような時間経過をＸ　（ｔ）を達成す
るためにはそれに対応する回転数の時間関係を見出さな
ければならない。それにはＸとｎの関係が線型であると
いう第５図の結果を利用する。

Ｘりａ＋ｂｎ　　　　　　　　　　　　　Ｏり２つの定
数ａ、ｂの値は第５図の測定点を結ぶ直線から求める。

０りを０１１に入れると所望の時間区分ΔＬ、→２中の
回転数の時間関係が求められる。

時間区分Δ１．→２の長さは側がら Δ１．→、　＝　−（＋４） に こでＦは溶融体の全表面積である。

ΔＬｌ→２はその間にＲ＝Ｒ，＝ｒＡ＋Ｘ＋　において
散布された粒状材料が完全に溶融するような長さにしな
ければならない。これによって粒子ビームが常に未被覆
の溶融体表面に当るようになる。

炎； 加速管部分（２ｂ）は長さｒＡ−１１ＣＩｎ、投射高さ
Ｈ＝３α、環状の溶融体表面は内径Ｒ，＝１６ｃｍ、外
径Ｒ２＝２５ＣＩ１１であった。この両方の半径に粒子
が到達するためには第５図に示すように回転数ｎをｎ、
＝７０回転／分からｎＺ＝１４０回転／分まで変化させ
なければならない。単位時間当り送り込まれる粒体質量
ｄｍ／ｄｔは３５０ｇ／＋ａｉｎ　とする必要がある。

（これは幅３０−１厚さ０．５　ｖｒｍのＳｉリボンを
１ｍ／ｗｉｎの速度で引抜く場合に対応する。）ゆるく
散布された粒子層の面密度は０．０５　ｇ　／ｃｖａ”
付近にある。これから００）により 溶融体の全表面Ｆ＝１１５９印２は０滲により時間Δｔ
１→、＝Ｆ／Ｃ＝ｌ　ＯＳ内に走査される。式０４］中
の定数ａ、ｂは第５図の測定値からａ＝−４゜１６ＣＩ
Ｉ、ｂ　＝　８．０　ｃｍ　／　ｌ　／　Ｓとなる。

回転数ｎのｎ、とｎ２の間の時間関係は弐〇湯により で与えられる。

第６図は時間区分ΔＬ、→ｚ　；ｓ　１０　Ｓにおける
この回転数上昇を示す。第６図の実施例において時間区
分Δｔ２→１は回転数ｎが約０．５３の間にｎ２からｎ
ｌに戻るとして決められているが、その間の時間経過は
特に定められていない。

【図面の簡単な説明】

第１図は粒状材料回転送り込み部を備える溶融槽装置の
概略図、第２図は粒子の回転加速原理の説明図、第３図
は特殊形態の送り込み管の断面図、第４図は粒子運動過
程の溶融体表面への垂直投影図であり、第５図は平均間
隔幅の測定値と計算値の比較、第６図は回転数の周期的
変化の情況を示す。 ７・・・溶融体貯槽 ２・・・管状収集器 ３・・・回転皿 ５・・・振動器 ８・・・粒状シリコン材料 ・６１１Ｒ）代理人ヂ理士冨村　戸１．ｒ、ｍン一）、
１′と 「＼　ゴヨ） ＋１、−２ １、士

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）シリコン・リボンの連続水平引抜き用の溶融槽と連
   通管原理に従って連結された溶融体貯槽（７）内のシリ
   コン粒状材料（８）の連続溶融装置において、 ａ）溶融体貯槽の容器が全面的な熱絶縁を備え粒状体導
   入用のスリット形開口が蓋部分 に設けられている環状槽（７）として構成されているこ
   と、 ｂ）環状槽（７）の中心軸（４）に遠心加速用の回転皿
   （３）が設けられていること、 ｃ）回転皿（３）の角速度又は回転数を１つの上限値と
   下限値の間で連続的に変化させ る装置が設けられていること、 ｄ）回転皿（３）の上にシリコン粒状材料（８）のため
   の管状収集器（２）が固定され、この収集器が粒状材料
   を回転軸（４）の方向に導く導管（２ａ）と環状槽（７
   ）に向う排出孔（２ｂ）を備えていることを特徴とする
   シリコン粒状材料の連続溶融装置。 ２）収集器（２）が少なくとも２つの４５°と９０°の
   間の角度で結合された管部分（２ａ、２ｂ）の組合せか
   ら成り、回転軸に沿って垂直に延びる部分（２ａ）が粒
   状材料（８）の送り込み部を含み、排出孔を含む部分（
   ２ｂ）は粒状材料の加速区間となっていることを特徴と
   する請求項１記載の装置。 ３）多数の加速管（２ｂ）が１つの送り込み管（２ａ）
   に設けられている管組合わせ構造が使用されることを特
   徴とする請求項１または２記載の装置。 ４）加速管（２ｂ）が十字形に１つの共通送り込み管に
   設けられていることを特徴とする請求項３記載の装置。 ５）加速管が円形、長円形又は長方形の断面であること
   を特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の装置。 ６）管部分（２ａ、２ｂ）が石英又はシリコンであるこ
   とを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の装置。 ７）送り込み管（２ａ）の上端に漏斗状の充填孔（９）
   が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６の
   １つに記載の装置。 ８）充填孔（９）の上方に振動器（５）が設けられ、粒
   状シリコン材料はこの振動器を通して送り込み管（２ａ
   ）に導かれることを特徴とする請求項１ないし７の１つ
   に記載の装置。 ９）加速管の中心に粒状材料を送り込み管（２ａ）から
   転向させる円錐（１０）が設けられていることを特徴と
   する請求項１ないし８の１つに記載の装置。