JPH0479967B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は太陽電池その他の光電変換素子等に用
いられている多結晶シリコンシートの製造方法に
関する。

《従来の技術》 既に多結晶シリコンシートの製造方法としては
各種のものが実施されており、その一つであるリ
ボン法は第８図のように、不活性ガス雰囲気内に
あつて坩堝ａ内に存する溶融シリコンｂにダイｃ
を浸漬起立させ、ダイｃの上端口c′から引き出さ
れた溶融シリコンｂを、ダイｃの外である不活性
ガス雰囲気内で冷却固化させるようにしたもの
で、このリボン技術では、溶融シリコンｂのメニ
スカス（表面張力）を利用してシートを形成して
いるため、均一な厚さの多結晶シリコンシートを
得難く、この結果太陽電池のデイバイスとして用
いようとする際、これに電極を形成しようとして
も、スクリーン印刷法を適用することが困難とな
つてしまう欠陥がある。

また、上記の如く溶融シリコンとの濡れを活用
しようとするのがリボン技術であるため、ダイ、
フイラメント、基板など多くの消耗品を要するこ
とになるだけでなく、濡れのよいカーボン、SiC
等を用いることから、これが溶融シリコンへの不
純物源となつてしまう。

さらに、当該リボン法によるときは、結晶の成
長が、多結晶シリコンシートの引き出し方向への
成長であり、当該結晶の成長速度はあまり大きく
できず、品質および生産能率の点からも満足すべ
きものとなつていない。

さらに別途別謂キヤステイング法（鋳造法）な
るものも実施されているが、同法ではシリコン母
材を加熱して融液となし、これを製品ウエハの寸
法に応じた鋳型に流し込み、さらに当該型の可動
部分により融液を押圧成型して固化させるもので
あるが、同法によるときは、一度に所定形状のウ
エハが得られ、量産性の点で望ましい結果が期待
できるものの、上記のように融液は四方から押え
つけられることになる。

このため同法では鋳型の上下面と側面が上記融
液の固化に際し、シリコン結晶粒（グレイン）の
成長を抑制してしまうこととなり、固化製品の前
記各面と接する部分近傍が、非常に細かい結晶粒
となつて大きな結晶粒が得られず、太陽電池用シ
リコンウエハ等にあつて望ましいとされている大
結晶粒生成の要請を満足させることができないた
め、当該ウエハによつて得られた太陽電池の光電
変換効率も２〜３％と極度に悪くなつてしまう欠
陥をもつている。

そこで、本願人は既に上記難点を解消するた
め、前記キヤステイング法の利点を活用し、溶融
シリコンをモールドノズルに供給するが、不連続
でなく連続して供給すると共に、これをモールド
ノズル内にて固化してしまい、この固化シリコン
シートを連続的に引き出すようにすることで、均
一厚の多結晶シリコンシートを、不純物による汚
染の心配なしに量産可能とすると共に、各種の厚
さ寸法のものを容易に得られるようにし、デイバ
イス加工の工程でも、厚さの均一化処理などを不
要となし、歩留りの向上をも図ろうとする方法を
提案した。

その第１方法は第６図に示す如き製造装置を用
いて行うもので、同図にあつて１はアルゴン等の
不活性ガスか真空による不活性雰囲気１ａをもつ
炉体で、この中にはヒータ２ａ，２ｂによつて加
熱されるシリコン溶融管３と、ヒータ４によつて
加熱されるモールドノズル５とが設けられてお
り、シリコン溶融管３内に投入のシリコン母材
は、前記ヒータ２ａによつて溶融された後、不活
性ガス等による圧力Ｐを受けて、当該溶融シリコ
ンSiが、順次シリコン溶融管３の供給口３ａ、そ
してモールドノズル５の注入口５ａを介して当該
モールドノズル５内へ送り込まれるようになつて
いる。ここでモールドノズル５は、ノズル下板５
ｂとノズル上蓋板５ｃとからなり、ノズル下板５
ｂの上面に所定の凹溝５ｄが形成されてあること
で、図示されていないビス等により両板５ｂ，５
ｃを重積状態にて固定することにより、所定厚さ
と所定巾の鋳造路６が形成され、図中７が引出手
段としての引張り治具を示している。

この製造装置を用いて上記第１の方法を実施す
るには、石英等により形成したシリコン溶融管３
中にシリコン母材を投入しておき、これをヒータ
２ａの稼動によつて溶融（1450℃）し、前記不活
性ガスによる圧力Ｐ（0.01〜0.1Kg／cm²）を当該溶
融シリコンSiの上面に加え、ヒータ４によつて予
め1300℃〜1420℃の温度に加温してあるモールド
ノズル５内へ、その注入口５ａから連続的に当該
溶融シリコンSiを供給する。

これにより当該溶融シリコンSiはモールドノズ
ル５内にて固化することで固化シリコンシート
MSiとなるが、その先端は予め炉体１外に引き出
され、その端末が前記の引張り治具７に嵌着して
あり、この引張り治具７をモールドノズル５の長
手方向である矢印Ａへ向け連続的に引出すのであ
る。

ここで、前記の凹溝５ｄを深さ0.5mm、巾を25
mmにて250mmだけ固化シリコンシートを引き出し
たところ、製品である多結晶シリコンシートの厚
さは0.5mm、巾を25mmのものが得られたのであり、
モールドノズルの材質としては、カーボン製の本
体表面に窒化シリコンコーテイングを施すか、
Si₃N₄とSiO₂の混合物コーテイングを施して用い
るのがよい。

ところが、上記方法の実施に際しては、溶融シ
リコンが1450℃で溶融され、シリコン溶融管３の
供給口３ａ内で固化しないようにヒータ２ｂを臨
設することも必要であると共に、これに隣装のモ
ールドノズル５は、その温度をヒータ４によつ
て、溶融シリコンよりも50℃程度低温となるよう
に加熱しておかないと、当該モールドノズル５内
での適切な固化シリコンシートMSiの形成ができ
ないこととなる。

ところが上記第６図の如き製造装置による製法
では、シリコン溶融管３を加熱するヒータ２ａ，
２ｂの熱が、どうしてもモールドノズル５を昇温
させてしまうこととなるので、上記50℃程度の温
度差を設定すること自体困難となり、よい製品を
得ることができない。

そこで本願人は、さらに第７図に示す如き製造
装置を用いて行うことができる第２の方法を提案
した。

上記第６図のものは第７図のものと同じく炉体
１、不活性雰囲気１ａ、ヒータ２ａ，２ｂ、シリ
コン溶融管３、ヒータ４、モールドノズル５、鋳
造路６、引張り治具７、断熱材８の存在が、前記
のものと実質的に同一であり、相違している点は
シリコン溶融管３の下端に開口している下端細成
ノズル３ｂが、通常これから溶融シリコンが自然
流出しない程度に細成されており、従つてアルゴ
ン等による不活性ガスによつて圧力Ｐを、溶融シ
リコンSiに加えない限り、その流出はないよう設
定されており、実際上この下端細成ノズル３ｂの
直径は1.2mm程度とすればよく、図中３ｃはシリ
コン溶融管３の上端にＯリング３ｄを介して連結
した圧力付加用管を示している。

さらに相違する点は、上記のシリコン溶融管３
に連設して、図示例では同じ太さの落流管９が下
突されており、当該落流管９の下端に開口したス
リツト状等による下端連結通過ノズル９ａが、モ
ールドノズル５の注入口５ａに連着されている点
であり、もちろん下端細成ノズル３ｂの直下に配
設されていて、当該ノズル３ｂの流通断面よりも
大きく形成してあり、前記の断熱材８は落流管９
の外周側にあつて上下方向の熱遮断が行われるよ
う配設され、またヒータ２ｂは下端連結通過ノズ
ル９ａに臨設されている。

前掲第２の方法を上記の製造装置の利用によつ
て実施するには、ヒータ２ａによつてシリコン溶
融管３内のシリコン母材を溶融（1450℃）して、
これにより得られた溶融シリコンSiをアルゴンガ
ス等による圧力Ｐ（0.01Kg／cm²）の印加により、
下端細成ノズル３ｂから落流管９内へ流下させる
が、この際ヒータ４によつてモールドノズル５の
温度は1350程度に加温しておく。

上記した下端細成ノズル３ｂから流下された溶
融シリコンSiは、落流管９に触れることなく、そ
の管内空所９ｂ中を落下して行き、その真下に開
口の下端連結通過ノズル９ａを通過して、モール
ドノズル５の注入口５ａから鋳造路６内へ連続的
に供給されることとなる。

そこで、その後は前記第１の方法につき説示し
た如く引張り治具７を矢印Ａ方向へ引いて、モー
ルドノズル５内にて冷却固化された固化シリコン
シートMSiを連続して引き出すのであり、溶融シ
リコンSiの連続的供給量と、引出し速度が適切に
調整されれば、多結晶シリコンシートたる製品は
連続的に跡切れることなく生産される。

ところが、上記第１，第２何れの方法にあつて
も均一厚で均一巾長の多結晶シリコンシートを引
き出すためであるから、モールドノズル内の鋳造
路にあつて、溶融シリコンが固化する箇所は、丁
度得ようとする多結晶シリコンシートの寸法に合
致させた均一厚、均一巾長に形成したところ、確
かに精度の高い寸法のものが得られるのである
が、引出手段によつて固化シリコンシートを引出
する際、当該シートがモールドノズルとの摩擦抵
抗によつて、可成りの大きな引張力により引出し
なければならないだけでなく、引き具合が悪かつ
たりすると、当該固化シリコンシートが破損した
り、逆に引出手段としての引張り治具の方が損傷
を受けてしまうことも生じ、このことが、生産性
の向上を阻害することにもなる。

《発明が解決しようとする課題》 本願は上記第１，第２の方法において、引き出
される多結晶シリコンシートの破損と引出手段の
損傷を如何にして阻止するかの課題に解決を与え
ようとするもので、その請求項１にあつては、モ
ールドノズルの鋳造路にあつて、固化シリコンシ
ートが固結される箇所を、先広がりに形成するこ
とによつて、製造の損傷を心配することなしに製
造できるようにし、その生産性を向上すると共
に、引出手段の作動に消費する労力または電力の
低減を図るのがその目的である。

次に請求項２では、さらに鋳造路の前段に形成
されているＬ字状の溶融シリコン室として、その
外側コーナ部を凹弧状に曲成することにより溶融
シリコンのモールドノズル内における流れをよく
し、停滞残留による溶融シリコン室内での固化発
生などが生じないようにし、常に円滑な連続的生
産を可能にしようとするのが、その目的である。

《課題を解決するための手段》 本願は上記の目的を達成するため、その請求項
１では不活性雰囲気内にあつて、シリコン母材を
溶融した後、当該溶融シリコンに圧力をかけるこ
とで、これを加温されたモールドノズル内へ連続
して送出すると共に、このモールドノズルに形成
された鋳造路のうち、注入口を開口した溶融シリ
コン室と連続して取出口に開口する固化シリコン
シート形成溝を、上記取出口に向けその厚さと巾
長が次第に僅かだけ大となるテーパ状に形成し、
当該固化シリコンシート溝内にて上記溶融シリコ
ンの固化したシリコンシートを、所望引張り治具
によつて連続的に引出すようにしたことを特徴と
する多結晶シリコンシートの製造方法を提供しよ
うとしており、請求項２では不活性雰囲気内にあ
つて、シリコン母材を溶融した後、当該溶融シリ
コンに圧力をかけることで、これを加温されたモ
ールドノズル内へ連続して送出すると共に、この
モールドノズルに形成された鋳造路のうち、注入
口を開口して縦設の落流部と、この落流部から横
設の横行部とによるＬ字状の溶融シリコン室に連
続して、取出口に開口する固化シリコンシート形
成溝を、上記取出口に向けその厚さと巾長が次第
に僅かだけ大となるテーパ状に形成すると共に、
前記溶融シリコン室の外側コーナ部を凹弧状に曲
成し、当該固化シリコンシート溝内にて上記溶融
シリコンの固化したシリコンシートを、所望引出
手段によつて連続的に引出すようにしたことを特
徴とする多結晶シリコンシートの製造方法を提示
するものである。

《作用》 請求項１にあつては、シリコン溶融管内の溶融
シリコンが圧力により流出されて、モールドノズ
ル内へ供給され、当該溶融シリコンが溶融シリコ
ン室内から固化シリコンシート形成溝に流入して
固結し、これが引出手段により引き出されるが、
上記固化シリコンシート形成溝は、取出口に向け
僅かに厚さと巾長が次第に大きく形成されている
ので、引き出しに要する力が小さくてすみ、しか
もこのテーパをあまり大きくしなければ、製品で
ある多結晶シリコンシートの寸法も固化シリコン
シート形成溝の入口と上記取出口との間にあつて
の微小差以内に納まる。

請求項２にあつては、上記請求項１の構成に加
えて、固化シリコンシート形成溝の前段に存する
溶融シリコン室の外側コーナ部が、直交状ではな
く凹弧状に曲成してあるので、溶融シリコンが、
この外側コーナ部において停滞残留することなく
流れ、これによりここに残留した溶融シリコンが
固化してしまい、当該固形物が溶融シリコンのモ
ールドノズル内における流れに支障を与えるとい
つたこともなくなる。

《実施例》 本願を前掲第６図，第７図そして引出手段とし
ての引張り治具近傍を示した第１図とモールドノ
ズルの注入口近傍を示す第２図および同上モール
ドノズルのノズル下板５ｂ、ノズル上蓋板５ｃと
を夫々示す第３図と第４図を用いて詳細に説示す
れば、製造装置としては前述の第６図，第７図に
明示した如きものを使用すればよく、この際モー
ルドノズル５としては下記のものによるのが望ま
しい。

すなわち、第３図のａ，ｂに示すような前記ノ
ズル下板５ｂと第４図ａ，ｂの如きノズル上蓋板
５ｃとを、第５図の通り上下配置として重積し、
これらを同部材と同じカーボンによる止螺子５ｅ
によつて第１図，第５図のように固定したもので
ある。

ノズル下板５ｂは横向基板５ｆの前端から直交
状に起立壁５ｇを直立させ、当該起立壁５ｇの巾
方向両端部から引張り治具７側へ向けて当接突条
部５ｈ，５ｈを突設して、全体を第３図ａの如く
Ｌ字状に形成したものである。

本発明の実施には前記第６図，第７図何れの製
造装置を用いるようにしてもよいが、第１図に示
した実施例では第６図の製造装置を用いるように
しており、シリコン溶融管３の供給口３ａは、第
２図に示す如くスリツト状に形成されている。

次に前掲ノズル上蓋板５ｃは第４図のように載
置横向基板５ｉの前端から直交状に載置起立壁５
ｊが直立され、当該起立壁５ｊの巾方向両端部か
ら引張り治具７と反対側へ向けて当該突条部５
ｋ，５ｋが突設され、これまた全体が第４図ａの
ようにＬ字状に形成されている。

さらに当該ノズル上蓋板５ｃの下面側には切欠
溝５１が凹設されており、このノズル上蓋板５ｃ
を前記ノズル下板５ｂに載置し、両者の当接突条
部５ｈ，５ｈ，５ｋ，５ｋを当接させて前記止螺
子５ｅをノズル上蓋板５ｃの挿通孔５ｍからノズ
ル下板５ｂの締着螺孔５ｎに螺着することでモー
ルドノズル５が構成される。

このようにして組み立てられたモールドノズル
５内には、Ｌ字状の鋳造路６が形成されるが、当
該鋳造路６は注入口５ａを開口する縦設の落流部
６ａと、この落流部６ａから横設の横行部６ｂと
によるＬ字状の溶融シリコン室６ｃと、これに連
続してモールドノズル５の取出口６ｄに開口する
固化シリコンシート形成溝６ｅとにより貫通状態
となつている。

さらに、ここで重要なことは上記の固化シリコ
ンシート形成溝６ｅが均一厚、均一巾に形成され
るのではなく、取出口６ｄへ向けてその厚さと巾
長が次第に大きくなるように、テーパが付されて
いることである。

このテーパは僅かだけ付するのがよく、実際
上、固化シリコンシート形成溝６ｅの入口６ｆの
厚さが0.4mm、巾長が25mmであるとき、取出口６
ｄの厚さは0.5mm、巾長は26mm程度とするのが望
ましく、もちろん図示例では、このようなテーパ
付き固化シリコンシート形成溝６ｅを得るためノ
ズル蓋板５ｃの下面に切欠溝を形成したが、これ
とは反対にノズル下板５ｂの上面に切欠溝を凹設
するようにしてもよい。

本願請求項１の方法を上記の諸装置を用いて実
施するには、前掲第６図と第７図の製造装置を用
いた方法と実質的に同じく、モールドノズル５の
温度を1300℃〜1420℃に保つて、石英製のシリコ
ン溶融管３内にて1450℃の溶融シリコンを得、そ
の後アルゴンガスを導入して、当該溶融シリコン
に0.01Kg／cm²〜0.1Kg／cm²の圧力を加え、これよ
りモールドノズル５内へ上記の溶融シリコンを流
入し、これが固化シリコンシート形成溝６ｅで固
結した固化シリコンシートMSiを、毎秒５〜10mm
の速度で引張り治具７により引出するのであり、
これにより前記寸法のテーパ付固化シリコンシー
ト形成溝６ｅを用いた際、厚さ0.4〜0.5mm、巾長
25〜26mmの多結晶シリコンシートである製品が得
られた。

次に本願請求項２にあつては、第５図に示す如
きモールドノズル５を用いて実施することになる
が、当該ノズル５が第１図乃至第４図によつて示
されているものと相違している点は以下の通りで
ある。

すなわち、当該モールドノズル５の鋳造路６に
あつて、溶融シリコン室６ｃの外側コーナ部６ｇ
が前者では直角状に曲設されていたものを、凹弧
状にアールを付して曲成するのである。

上記のモールドノズル５を用い請求項２と実質
的に同じ方法により多結晶シリコンシートを製造
するが、外側コーナ部６ｇの凹曲により、ここに
溶融シリコンが滞留してしまい、さらにこれが固
化してしまうといつた現象が生ぜず、溶融シリコ
ンの正常な流れが保証される。

《発明の効果》 本願請求項１の方法は上記のようにして実施で
きるから、所望均一厚さ、巾の製品を自由に、か
つ高い精度で効率よく生産することができ、従つ
てデイバイス加工も容易で歩留りが向上し、不純
物の混入しない良質のものを安価に提供し得るだ
けでなく、以下の効果を発揮できるものである。

すなわち、モールドノズルを先広がりの状態と
して固化シリコンシートを引き出すようにしたこ
とから、引き出しに大きな労力、消費電力を費す
ことなく、しかも引出中に無理な力が加わつて、
製品が跡切れたり損傷を受け、または引張り治具
が損壊するといつたこともなくなつて生産性を向
上でき、多結晶シリコンシートとしての製品につ
いても充分に許容できる寸法内の製造が保証され
る。

さらに請求項２では、請求項１に加えてモール
ドノズルの外側コーナ部にアールを付したので、
直交状に曲折させた鋳造路の場合に比し、内部に
不本意な固化シリコンが滞留し、製品の引出しに
支障を与えたりすることも解消され、さらに生産
性の向上に益するところ大となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するのに用い得る製造装
置の要部を示す縦断正面説明図、第２図は第１図
の−線矢視断面図、第３図ａ，ｂはモールド
ノズルのノズル下板を示す夫々縦断正面図と下面
図、第４図ａ，ｂは同上ノズルのノズル上蓋板を
示す夫々縦断正面図と下面図、第５図は第１図と
は別個の製造装置を示すモールドノズル近傍の縦
断正面図、第６図は既往多結晶シリコンシートの
製造方法を実施し得る製造装置の縦断正面説明
図、第７図は同上装置の改良案による製造装置を
示した縦断正面説明図、第８図は従来のリボン法
による多結晶シリコンシート製造装置を示す縦断
正面説明図である。 １ａ…不活性雰囲気、５…モールドノズル、５
ａ…注入口、６…鋳造路、６ａ…落流部、６ｂ…
横行部、６ｃ…溶融シリコン室、６ｄ…取出口、
６ｅ…固化シリコンシート形成溝、６ｇ…外側コ
ーナ部、７…引張り治具、Si…溶融シリコン、
MSi…固化シリコンシート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 不活性雰囲気内にあつて、シリコン母材を溶
   融した後、当該溶融シリコンに圧力をかけること
   で、これを加温されたモールドノズル内へ連続し
   て送出すると共に、このモールドノズルに形成さ
   れた鋳造路のうち、注入口を開口した溶融シリコ
   ン室と連続して取出口に開口する固化シリコンシ
   ート形成溝を、上記取出口に向けその厚さと巾長
   が次第に僅かだけ大となるテーパ状に形成し、当
   該固化シリコンシート溝内にて上記溶融シリコン
   の固化したシリコンシートを、所望引張り治具に
   よつて連続的に引出すようにしたことを特徴とす
   る多結晶シリコンシートの製造方法。 ２ 不活性雰囲気内にあつて、シリコン母材を溶
   融した後、当該溶融シリコンに圧力をかけること
   で、これを加温されたモールドノズル内へ連続し
   て送出すると共に、このモールドノズルに形成さ
   れた鋳造路のうち、注入口を開口して縦設の落流
   部と、この落流部から横設の横行部とによるＬ字
   状の溶融シリコン室に連続して、取出口に開口す
   る固化シリコンシート形成溝を、上記取出口に向
   けその厚さと巾長が次第に僅かだけ大となるテー
   パ状に形成すると共に、前記溶融シリコン室の外
   側コーナ部を凹弧状に曲成し、当該固化シリコン
   シート溝内にて上記溶融シリコンの固化したシリ
   コンシートを、所望引出手段によつて連続的に引
   出すようにしたことを特徴とする多結晶シリコン
   シートの製造方法。