JPH0375514B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は帯状シリコン結晶の製造方法に関す
る。

［発明の技術的背景］ 太陽光発電コストの低下のため、太陽電池用シ
リコン基板の価格低下が望まれており、帯状シリ
コン結晶は、インゴツト状結晶を切断・加工する
際に生じるような材料損失がなく、加工費も極く
わずかであることから有望視されている。帯状シ
リコン結晶を安価に製造するためのひとつの重要
点は、結晶成長を長時間連続させることである。

帯状シリコン結晶を製造するためのひとつの方
法として以下に述べる手法がある（T.F.Ciszek
et al.Proceedings of the Symposia on
Electronic and Optical Properties of
Polycrystalline or Impure Semiconductors
and Novel Silicon Growth Methods，1980，
Electrochem.Soc.，Pennington，NJ；vol.80−
５；pp213−222およびT.F.Ciszek et al.
Electrochem.Soc.，129（1982）2838など）この
方法の原理を第２図に示す。底部に２個の小孔２
ａ，２ｂのあるるつぼ１にシリコン融液３を収容
し、一方、２本の結晶端支持材４ａ，４ｂをそれ
ぞれるつぼ１の下部から上方に配置し、その後、
前記２本の支持材４ａ，４ｂの間のシリコン融液
３と２本の支持材４ａ，４ｂとの種結晶５を接触
させ、この種結晶５を引上げるというものであ
る。これにより、２本の支持材４ａ，４ｂおよび
種結晶５の間に表面張力によつて張られたシリコ
ン融液（すなわち、メニスカス）６が連続的に結
晶化することにより、帯状シリコン結晶７が得ら
れる。通常るつぼ１等の高温部は不活性ガスを満
たした外囲器（図示せず）に収納されている。

本方法に用いる結晶端支持材４ａ，４ｂおよび
支持材４ａ，４ｂのるつぼ１への配置の手法は次
のように行われていた。すなわち、 支持材４ａ，４ｂとしてグラフアイト棒、石
英棒、サフアイア棒など、シリコン融液に浸し
ても支持材の直線性が失われ難いものを用い、
第３図に示すように、支持材４ａ，４ｂを種結
晶５に予め接続させておき、この第３図に示し
た種結晶５−支持材４ａ，４ｂの一体物をシリ
コン融液３を収容したるつぼ１に上方から挿入
し、種結晶５がシリコン融液３に接触した後引
上げる。この際、るつぼが十分深ければ底部に
孔はなくともよい。

るつぼ１の底が浅い場合、第３図の種結晶５
−支持材４ａ，４ｂの一体物をシリコン融液３
上方から挿入していき、るつぼ１の底部にあけ
た小孔２ａ，２ｂに支持材４ａ，４ｂを通す。
種の結晶５の部分がシリコン融液３に接触した
後、引上げを開始する。

支持材４ａ，４ｂとして、前記に述べた如
きシリコン融液中でも比較的直線性を保つ素材
を用い、るつぼ１内でシリコンが溶融している
時点でるつぼ等を収納した外囲器の外の下方か
ら、支持材４ａ，４ｂをるつぼ１の底にあけた
小孔２ａ，２ｂに通るように挿入する。しかる
後、シリコン融液３の上方から種結晶５をおろ
して、シリコン融液３および支持材４ａ，４ｂ
と接触させた後引上げる。

支持材４ａ，４ｂとして、直径数十μmの炭
素繊維、炭化硅素繊維など（数百−数千本）束
ねた織糸を用い、結晶成長前の装置組込みの際
（室温で）るつぼ１底部の小孔２ａ，２ｂに上
記支持材４ａ，４ｂを通しておき、同時にシリ
コン原料をるつぼに入れる。しかる後、温度を
上昇させてシリコン原料を融解させた後、種結
晶５を上方からおろしてシリコン融液３および
支持材４ａ，４ｂと接触させて結晶成長を開始
する。

［背景技術の問題点］ 前述した，，の従来方法では、それぞれ
以下のような問題があつた。すなわち、 の方法では、長尺の帯状シリコン結晶を得よ
うとすればるつぼの深さを相当深くしなければな
らず、実用的でない。また、種結晶と支持材を一
体化した部品を結晶成長ごとに製作しなければな
らず、甚だ手数がかかる方法である。

の方法では、のようにるつぼを深くする必
要はないが、長い帯状シリコン結晶を得るには支
持材を長くし、これをシリコン融液上方からるつ
ぼ底部の小孔に通さねばならず、この操作はかな
り困難である。というのは、支持材がシリコン融
液に浸つても比較的直線性を保つとはいつても、
多少の変形が生じるからであり、これをシリコン
融液に隠れて見えないるつぼ底部の２個の小孔に
同時に通すことは困難である。

の方法では、るつぼを深くせずとも長い帯状
シリコン結晶を得ることができ、また、支持材を
配置するにものような困難さはない。しかしな
がら、，についても言えることであるが、グ
ラフアイト棒、石英棒、サフアイア棒などのよう
なシリコン融液中でも直線性を保つ材料は高価で
あり、支持材だけを結晶からはずして再使用する
こともほとんど不可能であるため、得られるシリ
コン結晶基板も高価になつてしまう。また、結晶
成長の連続性の目的には長い支持材が必要である
が、上述の材料による長い素材は入手し難い。光
通信用などのグラスフアイバは長尺物が入手でき
るが、それほど安価ではなく、小さく巻いておく
ことができず（直径250μmのフアイバでは巻取り
直径は30−40cm必要）、装置が大型化する。

これに対し、に述べた炭素繊維などの織糸
は、長さ数Kmのものでも容易に入手でき、価格も
前記のグラフアイト棒、石英棒などとは比較にな
らないほど安く、支持材として適した材料と言え
る。しかしながら、炭素繊維などの織糸は結晶成
長の過程で切れてしまうことがある。これは、シ
リコン融液中にある程度の時間浸しておくと、シ
リコンと炭素が反応して織糸が細くなることがひ
とつの原因である。に述べたような、織糸を予
めるつぼに組込んでおく方法によれば、上述のよ
うに結晶成長の過程で織糸が切れた場合や、なん
らかの理由により、結晶成長を種付けからやり直
そうとする場合、そのままではもはや成長を行う
ことができず、結晶製造装置の温度を下げ、再び
組込みから始める以外に方法がなかつた。すなわ
ち、炭素繊維などの織糸はシリコン融液中では外
力がなければ直線性を保てず、外囲器外部からる
つぼの小孔を通してシリコン融液上に出すという
に述べた手法を執ることはでない。

これまで述べたように、結晶端支持材を用いて
帯状シリコン結晶を製造するに際しては、長尺の
結晶を連続してしかも安価に得る方法がなかつ
た。

［発明の目的］ 本発明は前述の従来方法のさまざまな問題点に
鑑みてなされたもので、結晶端支持材を用いて製
造する帯状シリコン結晶を、長時間連続して、し
かも安価に製造する帯状シリコン結晶の製造方法
を提供することを目的とする。

［発明の概要］ 上記目的を達成する本発明の概要は以下の通り
である。すなわち、結晶端支持材それぞれの先端
にエポキシ系樹脂、フオトレジスト、化学接着
材、化学のり等のバインダ材を塗布し前記結晶端
支持材の前記バインダ材塗布部分に張力を加えな
がら乾燥させ、しかるのち結晶製造を開始するに
あたり、前記るつぼ内でシリコンを溶融させた状
態下において、前記結晶端支持材を、るつぼ等の
高温部を収納しておく外囲器の外部から、前記る
つぼの小孔および前記シリコン融液に貫通させる
ことで前記結晶端支持材を所定位置に配置させた
後、結晶製造を行うことを特徴とするものであ
る。

また、結晶端支持材として、それぞれ棒状の素
材に糸状の素材を接続して成るものを用い、しか
るのち結晶製造を開始するにあたり、前記るつぼ
内でシリコンを溶融させた状態下において、前記
結晶端支持材を、るつぼ等の高温部を収納してお
く外囲器の外部から、前記るつぼの小孔および前
記シリコン融液に貫通させることで前記結晶端支
持材を所定位置に配置させた後、結晶製造を行う
ことを特徴とするものである。

［発明の実施例］ 本発明を実施するにあたつて用いた帯状シリコ
ン結晶の製造装置を第２図を参照して説明する。
シリコン融液３を収容するるつぼ１として、グラ
フアイト製で底部に径約1.5mmの小孔２ａ，２ｂ
を100mm間隔で２カ所あけたものを使用し、グラ
フアイト製の抵抗加熱ヒータ（図示せず）で加熱
できるようにした。るつぼ１，ヒータ等の高温部
は外囲器（図示せず）に収納し、アルゴンガスで
外囲器内部を満たした。一方、るつぼ１の底部に
あけた２個の小孔２ａ，２ｂとその下方の外囲器
とは、支持材４ａ，４ｂをそれぞれ導くための２
本の案内路（図示せず）にて連結した。すなわ
ち、内径２mm程度の円筒状グラフアイトを前記案
内路としてるつぼ１と外囲器の間に設置すること
で、支持材４ａ，４ｂ用のそれぞれの通路ができ
ることとなる。この通路長は約20cmであつた。

前記るつぼ１内にシリコン原料を入れ、前記ヒ
ータにて所定温度まで加熱しシリコンを融解させ
た。この状態下において、直径１mmのグラフアイ
ト棒、石英棒などの外力を加えずとも直線性を保
つ材料を前記案内路を通して外囲器外部から前記
るつぼ１内のシリコン融液３の液面上に出すこと
ができた。ところが、帯状シリコン結晶を連続し
て長尺に、しかも安価に製造するに適した素材で
ある炭素織糸を同様に案内路を通して外囲器外部
から挿入しても、シリコン融液面上に出るどころ
か、るつぼ底部の小孔の部分で行止まり、その後
いくら織糸を挿入しても案内路内に織糸を詰まる
状態になるだけであつた。

そこで、本発明に係る帯状シリコン結晶の製造
方法では、以下のような手法を実施した。第１図
は本発明の一実施例であり、結晶端支持材４ａ，
４ｂとする炭素織糸を３ｍずつ２本用意し、それ
ぞれ直径３cmのドラム８ａ，８ｂに巻付け、それ
ぞれの織糸先端の約20cm程度の部分９ａ，９ｂに
炭素質の接着剤を塗布し、前記部分９ａ，９ｂに
張力を加えながら乾燥させた。乾燥させた後はこ
の部分９ａ，９ｂは外力を加えずとも直線性を保
つている棒状となつた。前記るつぼ１内でシリコ
ンを融解させた状態において、第１図の先端部を
固めた支持材４ａ，４ｂの棒状部分９ａ，９ｂを
外囲器外部から案内路に挿入することで、支持材
４ａ，４ｂをシリコン融液面上に出すことに成功
した。前記ドラム８ａ，８ｂをそれぞれ外囲器下
方に取付け、引続き種結晶５を上方からシリコン
融液３および支持材４ａ，４ｂに接触させ引上げ
ることにより、長さ３ｍ、幅10cmの帯状シリコン
結晶を製造することができた。

また、結晶成長途中になんらかの原因により織
糸自体が切れてしまい、成長が中断するという現
象が生じることがあつた。支持材４ａ，４ｂを室
温状態でるつぼに配置しておくという従来の手法
では、このような状況になるともはや結晶成長が
できないのであるが、本発明の方法では、切れて
しまつた織糸のかわりに先端を固めた新しい織糸
を再び挿入し直すことにより成長を再開すること
ができた。種結晶としては、成長が中断した結晶
をそのまま用いた。この間の時間損失は数分であ
つた。結晶成長が中断した後の再開の手段は上述
に限らず、切れた織糸を案内路から抜出し、その
先端を固めて再び使用してもよい。この手段は上
述より多少時間がかかる。或いは、それまでに成
長した結晶を取出し、新しい支持材と種結晶とで
成長を始めからやり直すこともできる。

上記の実施例においては、結晶端支持材として
の織糸の先端部分を固めるのに炭素質の接着剤の
使用について述べたが、これに限らず、エポキシ
系樹脂、フオトリソグラフイ用のレジスト材、化
学接着材、化学のり等を用いても同様の効果が得
られた。

さて、結晶端支持材の先端部分を固めてシリコ
ン融液中を通すため、得られる帯状シリコン結晶
中に太陽電池素子とした場合に悪影響を及ぼす不
純物が混入することが心配された。得られた結晶
中のFe，Cu，Ti，Ｖ等の金属不純物について分
析した結果、いずれも数ppbもしくはそれ以下
で、太陽電池の素子特性上問題はなかつた。この
理由は、支持材を案内路に挿入した際、案内路の
るつぼ付近の部分が高温であるため、バインダ中
の不純物が溶剤などとともに抜けてしまうこと、
および、バインダで固めた部分が短く、融液中に
浸つている時間がごく短いため、バインダ中の不
純物がシリコン融液にあまり溶けないこと、更に
はシリコン融液中に不純物が溶けても結晶成長の
際の偏析により、結晶中には取込まれないことが
考えられる。

［発明の他の実施例］ 前述の実施例においては、支持材として炭素織
糸の先端部をバインダ等で固めたものを用いる方
法について述べたが、他の実施例として次のよう
な方法もある。すなわち、支持材の先端を固める
かわりに、例えば長さ約20cm、直径１mmのグラフ
アイト棒の下端に炭素織糸を炭素質の接着剤など
で接続し、グラフアイト棒の上端を前述のように
案内路を通して外囲器外からるつぼへ導くのであ
る。この手法によつても前述と同様の効果が得ら
れた。

また、以下のような手法もとれる。すなわち、
上記のグラフアイト棒の上端に炭素織糸を接続
し、炭素織糸を下方へ垂らす。グラフアイト棒と
炭素織糸を共に案内路へ通して外囲器外からるつ
ぼへ挿入し、種付けを行う。グラフアイト棒と炭
素織糸の接続を弱くしておき、種付けにより種結
晶と支持材である織糸とを接触させた後に、グラ
フアイト棒と炭素織糸とがはずれるようにしてお
けば、グラフアイト棒を何度も使用することがで
きる。

その他、本発明の変形例として、目的に応じて
支持材の先端部のみではなく、ある途中の部分を
固めたり、または、例えば先端から１ｍは織糸、
そこから10cmはグラフアイト棒や石英棒、そこか
ら後はまた織糸というように、各種材質の支持材
をつぎ足したものにより結晶成長を行うこともで
きる。

尚、本発明に係る帯状シリコン結晶の製造方法
は、これまでに述べた実施例に限られるものでは
なく、支持材の材質、バインダの材質など様々な
変形が可能であり、本発明の趣旨の範囲で実施す
ることができる。

［発明の効果］ 上述のように、本発明に係る帯状シリコン結晶
の製造方法によれば、２本の結晶端支持材同志の
間で結晶を成長させる手法において、支持材とし
て安価で長尺のものが容易に入手できる炭素繊維
織糸や炭化硅素繊維織糸を用いて、シリコン原料
が融解している状態でも外部から所定の位置に支
持材を配置することができる。このため、従来の
如くグラフアイト棒、石英棒などを支持材として
使用する長尺の帯状シリコン結晶が容易に得られ
るうえ、支持材自体が切れるなど結晶成長が中断
しても極く短い時間内に成長を再開できるという
効果がある。従つて、結晶成長の時間的な歩留り
が向上し、一方、支持材も安価であるため、帯状
シリコン結晶の製造コストの低下に功を奏する等
の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る帯状シリコン結晶製造に
用いる支持材の一例を示す説明図、第２図は帯状
シリコン結晶製造原理の説明図、第３図は従来技
術である種結晶−支持材一体物の構成図である。 １…るつぼ、２ａ，２ｂ…小孔、３…シリコン
融液、４ａ，４ｂ…結晶端支持材、５…種結晶、
６…メニスカス、７…帯状シリコン結晶、８ａ，
８ｂ…ドラム、９ａ，９ｂ…棒状部分。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 底部に少なくとも２個の小孔のあいたるつぼ
   の下部より、少なくとも２本の結晶端支持材を、
   前記小孔それぞれを通じて前記るつぼの上方に配
   置し、また、前記るつぼにシリコン融液を収容
   し、その後、前記結晶端支持材同志間の前記シリ
   コン融液と前記結晶端支持材とに種結晶を接触さ
   せ、この種結晶を引上げることにより、前記結晶
   端支持材の間に表面張力により張られたシリコン
   融液を連続的に結晶化させて帯状シリコン結晶を
   製造する方法において、前記結晶端支持材それぞ
   れの先端にエポキシ系樹脂、フオトレジスト、化
   学接着材、化学のり等のバインダ材を塗布し前記
   結晶端支持材の前記バインダ材塗布部分に張力を
   加えながら乾燥させ、しかるのち結晶製造を開始
   するにあたり、前記るつぼ内でシリコンを溶融さ
   せた状態下において、前記結晶端支持材を、るつ
   ぼ等の高温部を収納しておく外囲器の外部から、
   前記るつぼの小孔および前記シリコン融液に貫通
   させることで前記結晶端支持材を所定位置に配置
   させた後、結晶製造を行うことを特徴とする帯状
   シリコン結晶の製造方法。 ２ 底部に少なくとも２個の小孔のあいたるつぼ
   の下部より、少なくとも２本の結晶端支持材を、
   前記小孔をそれぞれを通じて前記るつぼの上方に
   配置し、また、前記るつぼにシリコン融液を収容
   し、その後、前記結晶端支持材同志間の前記シリ
   コン融液と前記結晶端支持材とに種結晶を接触さ
   せ、この種結晶を引上げることにより、前記結晶
   端支持材の間に表面張力により張られたシリコン
   融液を連続的に結晶化させて帯状シリコン結晶を
   製造する方法において、前記結晶端支持材とし
   て、それぞれの棒状の素材に糸状の素材を接続し
   て成るものを用い、しかるのち結晶製造を開始す
   るにあたり、前記るつぼ内でシリコンを溶融させ
   た状態下において、前記結晶端支持材を、るつぼ
   等の高温部を収納しておく外囲器の外部から、前
   記るつぼの小孔および前記シリコン融液に貫通さ
   せることで前記結晶端支持材を所定位置に配置さ
   せた後、結晶製造を行うことを特徴とする帯状シ
   リコン結晶の製造方法。