JPH0755877B2 - リボン状シリコン結晶の製造方法と装置 - Google Patents

リボン状シリコン結晶の製造方法と装置

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JPH0755877B2
JPH0755877B2 JP60165632A JP16563285A JPH0755877B2 JP H0755877 B2 JPH0755877 B2 JP H0755877B2 JP 60165632 A JP60165632 A JP 60165632A JP 16563285 A JP16563285 A JP 16563285A JP H0755877 B2 JPH0755877 B2 JP H0755877B2
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シーメンス、アクチエンゲゼルシヤフト
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    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/007Pulling on a substrate
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S117/00Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10S117/90Apparatus characterized by composition or treatment thereof, e.g. surface finish, surface coating
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S117/903Dendrite or web or cage technique

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、溶融シリコンに対して耐性のある支持体を
槽に入れられた溶融体の表面に接して水平方向に引張つ
てシリコンで被覆し、この支持体を同時に結晶核として
結晶シリコンを形成させることにより半導体デバイス、
特に太陽電池用のリボン状シリコン結晶を作る方法とそ
れを実施する装置に関するものである。
〔従来の技術〕
この種の製造方法は既に米国特許第4305776号明細書に
記載されているが、そこでは結晶核形成支持体として特
殊な孔構造を備える移動テープ例えば黒鉛製の網が使用
され、その網目に保持されている溶融シリコンの結晶化
は冷却ガス流の作用による。
この方法ではシリコンが中間段階を通過することなく溶
融体から直ちに面状の結晶に移されるから、太陽電池用
のシリコン体の原価的に有利な製法となつている。
このような平面状シリコンで作られた太陽電池の効率と
並んで、この平面状結晶体製造の面積速度(単位時間に
製作される面積)がこの方法の経済性の主要な判定規準
となる。面積速度は原理的には結晶化に際して解放され
る潜熱が発生するに従つて放出されなければならないこ
とによつて限定される。これに対して水平引抜き法は結
晶化面対熱放出面の関係が垂直引上げ法に比べて有利で
ある。例えば文献「太陽電池用結晶の高成長および特性
に関するフラツトプレイトソラーアレイプロジエクトリ
サーチフオーラム議事録」(Proceedings of the Flat
−Plate Solar Array Project Research Forum on the
High−Speed Growth and Characterization of Crystal
s for Solarcells,25〜27,July1983,Port St.Lucie,Flo
rida,p.297〜307)に記載されているLASS(low angle s
ilicon sheet)法では約80cm/minの速さでシリコンリボ
ンを引き出すことができる。この方法は屑の形成に支持
体を必要としないが、第3図について詳細に説明するよ
うに次の2つの欠点がある。
1.結晶化速度は結晶化面4の矢印で示した引張り方向に
おける後端3(成長するリボン2の後端)において引張
り速度に等しくなければならないが、引張り速度が大き
いときこの条件は溶融体を過冷却して樹枝結晶成長とす
ることによつてのみ満たされる。樹枝結晶成長では結晶
層の形成が不規則となり、太陽電池の効率が低下する。
2.リボンの所望寸法(幅,厚さ)を長時間に亘つて一定
に保持できない。その原因は結晶層が形成され溶融体と
接触している時間(滞留時間)tが短いことである。こ
の時間は結晶化面4の長さLと引張り速度vによりt
=L/vとして与えられ、一例としてt=2/80分=1.5秒
である。溶融体に起る温度変動は溶融槽と溶融体の熱容
量の大きさに基きこの短い時間t内では補償不可能であ
る。従つてこの温度変動は結晶層成長にとつて重要な溶
融体内の温度勾配に大きく作用し、成長するシリコンリ
ボンの形状を変える。第3図において6は溶融槽5にと
りつけられたシリコン溶融体1の削り落とし板である。
〔発明が解決しようとする問題点〕
この発明の目的は、上記のLASS法に伴う欠点を除き調整
可能の幅と一定の厚さをもつシリコンリボンが高い引抜
き速度をもつて製作されるようにすることである。
〔問題点の解決手段〕
この目的ま冒頭に挙げた製造方法において、 (a)溶融シリコンに比べて高い放射率εを示す材料か
ら成り引張り方向に平行に伸びる繊維を支持ならびに結
晶核形成体として使用し、 (b)溶融体を入れる槽の長さlを適当に選定して引張
り速度vと滞留時間tによつてL=v・tとして与
えられる溶融体とそれに接触する支持体の間の接触長L
がL≦lとなるようにし、 (c)引張り方向を水平面に対して10゜以下の傾斜角に
定め、 (d)溶融体の上に反射体を設けて溶融槽の底面下に置
かれた加熱器との共同作用により溶融シリコン表面から
の熱放射を溶融体の温度がシリコンの融点(T=1420
℃)近くに保持されるように調節する ことによつて達成される。
溶融体の収容に深さhが全長l又はその一部長l′に亘
つて調整されd≧0.05hとして与えられるシリコンリ
ボンの濡れ部分の終端厚さdが100乃至400μmの範囲
内に置かれる槽を使用することもこの発明の枠内にあ
る。
この発明の種々の実施形態は特許請求の範囲第2項以下
に示されている。
〔実施例〕
図面を参照してこの発明を更に詳細に説明する。
前述のように第3図にこの発明の出発点となつたLASS法
を実施する際の溶融槽構造を示す。そこに使用されてい
る番号と記号の意味は以下の説明中に示されている。
第1図においてこの発明による水平引抜き法に使用され
る溶融槽部分8aは、その長さlが繊維14の引張り速度v
と溶融体内の滞留時間tを使用してL=v・tとし
て与えられる接触長Lに等しいかそれより大きくなつて
いる。溶融槽8の部分8bは溶融体9の貯蔵に使用され、
通路10によつて溶融体主部11に連結されている。溶融槽
部分8aには対流を防ぐための水平方向に拡がり高さが調
整できる底板12があり、これに溶融体が通り抜ける貫通
孔13が明けられている。
引抜き作業に当つては結晶核形成中心となる黒鉛繊維14
が溶融体11の表面に沿つて水平に引張られて溶融体の表
面に接触し、溶融体の全長に亘つて同時に結晶成長が開
始されるようにする。複数の繊維14は互に平行して並
び、溶融槽8の上方に配置された案内ローラ15によつて
溶融体表面(結晶化表面22)に接するように方向を変え
る。案内ローラ15は黒鉛繊維を通しての熱放散を助長す
るため水冷却すると有利である。繊維14間の間隔は2乃
至15mmとする。
黒鉛繊維14の放射率εSはεS=0.6であり、溶融シリ
コン11の放射率εは0.3に過ぎないから、繊維14の周
囲はシリコン溶融体11自体よりも急速に冷却される。こ
れによつて溶融体の温度Tがシリコンの融点Tに近
づいたとき繊維14に沿つてシリコンの結晶化が起る。こ
の結晶化は繊維14の引張り速度vには全く無関係であ
り、溶融体表面温度と溶融体内部の温度勾配だけの関数
である。固体シリコンの放射率εは0.46に等しく溶融
シリコンの放射率よりも大きいから、凝固屑は繊維14か
ら側方と深さ方向に拡がる。この種の結晶化は表面結晶
化と呼ばれている。米国特許第4305776号の方法では結
晶化は主として冷却された溶融体表面から始まる。黒鉛
の網は溶融体表面において被覆体として作用する。
引張り方向はこの発明の方法では矢印で示すように水平
面に対して10゜以下の角度で傾斜する。結晶化が行われ
る槽の長さLは引張り速度vと成長層22の溶融体滞留
時間tによつてL=v・tとして与えられる。
滞留時間tはシリコンリボン16の終端厚さdが与えら
れると成長速度から計算される。その際のパラメータは
溶融体11又は層22から放散される熱の仕事率の外に層22
と溶融体11内の温度勾配である。この場合溶融体の温度
勾配はその高さhに関係する。これらのパラメータは層
の厚さが漸近的に1つの終端厚さに近づくように選定す
ることができる。この終端厚さdは溶融体の高さhと
dE≧0.05hの関係にある。溶融体高さ3mmは例えばシリコ
ン層16の安定した終端厚さ150μmに対応する。形成さ
れたリボン16をこの条件の下に長時間溶融体11上を滑ら
せると、層の厚さの不均一性を補償することができる。
温度勾配は溶融体11又は層表面22の上に置いた反射体17
によつて調整される。この反射体17はフラツプ形として
その角位置により放射損失を調整する。別の調整方法と
しては適当な反射材料を選び、異る材料で作られた反射
板をプリズム形に組合せて1つの回転軸にとりつける。
この場合蒸着被覆層はプリズムの回転中にグロー放電に
よつて取り除かれる。
溶融槽8aの上方の未被覆繊維14の進入側には黒鉛又は炭
化ケイ素から成る横ばり18が設けられる。これは溶融槽
8aから後述のシリコン補給装置19の予備溶融槽8bへの溶
融体11の溢流を防ぐとともに対流の発生を防ぐものであ
る。なお同様の構成の横ばりを繊維14の引出し側に設
け、溶融シリコンが繊維14又か成長したシリコンリボン
16に付着して引出されるのを阻止することもできる。
結晶核形成体として作用する繊維14は同時に所望の終端
厚さdに達したとき直ちに結晶化層16を溶融体から引
張り方向に引き離すのに使用される。繊維の材料として
は黒鉛の外に炭化ケイ素、石英(場合により黒鉛層で被
覆する)および酸化アルミニウムが使用される。
シリコン補給装置19は溶融漏斗20と部分槽8bから構成さ
れ、部分槽は通孔10によつて主槽8aに連結する。漏斗20
と槽部分8a,8bは別々に加熱可能であり、槽部分8bの加
熱は8bから8aに流れ込む溶融シリコン9が前からそこに
存在する溶融体と等温度となるように調整される。21は
槽部分8a,8bおよび漏斗20を加熱する別々の加熱器であ
る。
第2図に接触長L(単位cm)(これは繊維14の表面結晶
化開始点から被覆シリコンリボン16までの間隔である)
と引張り速度v(単位cm/s)の関係を2つの周囲放射
率ε(反射体放射率)と1つの終端厚さ(300μm)
および300℃までの1つの周囲温度において示す。この
グラフから1cm/s程度の引張り速度に対して17cmの接触
長が要求され、10cm/s程度の引張り速度に対しては170c
mの接触長となることが推定される。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の方法を実施する装置の概略の構成を
示し、第2図はこの発明の方法において引張り速度と溶
融シリコン接触長の間の関係を示すグラフ、第3図はこ
の発明の基礎となる公知のLASS法を実施する装置の概略
を示す。 第1図において、8……溶融槽、11……シリコン溶融
体、14……支持体ならびに結晶核形成体としての繊維、
17……反射体、19……シリコン補給装置。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融シリコンに対して耐性がある支持体を
    槽に入れられた溶融体の表面に接して水平方向に引張っ
    てシリコンで被覆し、この支持体を同時に結晶核形成体
    としてリボン状のシリコン結晶を製造する方法におい
    て、 (a)シリコン溶融体(11)よりも高い放射率εを示す
    材料から成り、引張り方向に平行に延びる複数の繊維
    (14)が支持ならびに結晶核形成体として使用されるこ
    と、 (b)溶融体(11)に対して槽(8a)が使用され、その
    長さlは引張り速度vと滞留時間tによってL=v
    ・tとして与えられる溶融体とそれに接する支持体の間
    の接触長Lに対してL≦lとなるように選定されるこ
    と、 (c)引張り方向が水平面に対して10゜以下の傾きに調
    整されること、 (d)溶融体(11)の上に反射体(17)が設けられ、こ
    の反射体が溶融体を入れた槽の底面の下に置かれた加熱
    体(21)と共同してシリコン溶融体表面(22)からの熱
    放射を調節してその温度がシリコンの融点(T=1420
    ℃)の付近に保持されるようにする ことを特徴とするリボン状シリコン結晶の製造方法。
  2. 【請求項2】溶融体(11)を入れる槽(8a)の深さhを
    その長さlの全体に亘ってあるいはその一部分l′にお
    いてd≧0.05hとして与えられるシリコンリボンの終
    端厚さdが100μmから400μmの範囲内に達するよう
    に選定することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
    の方法。
  3. 【請求項3】繊維(14)の材料として黒鉛、炭化ケイ
    素、石英、黒鉛化石英および酸化アルミニウムが使用さ
    れることを特徴とする特許請求の範囲第1項又は第2項
    記載の方法。
  4. 【請求項4】繊維(14)間の間隔が2mmから15mmの間に
    選ばれることを特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第
    3項のいずれか1項に記載の方法。
  5. 【請求項5】シリコンリボン(16)の厚さが約300μ
    m、接触長Lが150乃至200cmのとき引張り速度が約10cm
    /Sに選定されることを特徴とする特許請求の範囲第1項
    乃至第4項のいずれか1項に記載の方法。
  6. 【請求項6】層の厚さの変動を補償するため濡らされた
    支持体(14)が長時間溶融体(11)上を動かされること
    を特徴とする特許請求の範囲第1項乃至第5項のいずれ
    か1項に記載の方法。
  7. 【請求項7】(a)溶融シリコン(11)を収容する底面
    から加熱可能の槽(8a)が、上部室と下部室に分割する
    ため貫通孔(13)を持ち水平に拡がる底板(12)を備
    え、引き出し速度Vと滞留時間tによってL=v
    tとして表わされる接触長Lに等しいかそれよりも大き
    い長さlを持つこと、 (b)溶融槽(8a)の外側に引張り方向を水平面に対し
    て10゜以下の傾きに調整する駆動装置が設けられている
    こと、 (c)溶融槽(8a)の傍らでその上方に結晶核形成体と
    しての黒鉛繊維(14)に対して案内ローラ(15)が設け
    られていること、 (d)溶融槽(8a)の下の部分に通路(10)を通して連
    絡する予備溶融体(9)のための貯蔵室(8b)が設けら
    れていること、 (e)溶融槽(8a)の上の部分の移動繊維(14)に向っ
    た側に黒鉛又は炭化ケイ素の横ばり(18)が設けられて
    いること、 (f)溶融槽(8a)の上に溶融体(11)の表面(22)に
    対する位置が調整可能の反射体(17)が設けられている ことを特徴とする溶融シリコンに対して耐性がある支持
    体を槽に入れられた溶融体の表面に接して水平方向に引
    張ってシリコンで被覆し、この支持体を同時に結晶核形
    成体としてリボン状のシリコン結晶を製造する方法を実
    施する装置。
  8. 【請求項8】溶融体貯蔵容器(9)の上方に溶融シリコ
    ンを補給するための加熱可能の溶融体漏斗(20)が設け
    られていることを特徴とする特許請求の範囲第7項記載
    の装置。
  9. 【請求項9】案内ローラ(15)が水冷却されることを特
    徴とする特許請求の範囲第7項又は第8項記載の装置。
  10. 【請求項10】溶融槽(8a)の上に設けられた反射体
    (17)がフラップ型であって、その角位置により放射損
    失が調整されることを特徴とする特許請求の範囲第7項
    乃至第9項のいずれか1項に記載の装置。
  11. 【請求項11】反射体(17)が平板構成であり、反射能
    を異にする材料から作られていることを特徴とする特許
    請求の範囲第7項乃至第9項のいずれか1項に記載の装
    置。
  12. 【請求項12】反射板(17)がプリズムの形に組合わさ
    れ、1つの回転軸にとりつけられていることを特徴とす
    る特許請求の範囲第11項記載の装置。
  13. 【請求項13】溶融槽(8a)内の貫通孔(13)を備える
    底板(12)が溶融槽の高さh方向に移動可能であること
    を特徴とする特許請求の範囲第7項乃至第12項のいずれ
    か1項に記載の装置。
JP60165632A 1984-07-31 1985-07-26 リボン状シリコン結晶の製造方法と装置 Expired - Lifetime JPH0755877B2 (ja)

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JPS6140897A JPS6140897A (ja) 1986-02-27
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