JPS5950638B2 - 帯状シリコン結晶の製造装置 - 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装置の改良に関する
。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近時、結晶製造技術の１つとして帯状シリコン結晶の成
長方法が開発されているが、この帯状シリコン結晶を成
長させる炉内の平面図を第１図ａに、そのＡ−Ａ′断面
図をｂに示す。

この第１図は、シリコン融液１１を収容する石英ガラス
製ルツボ１２にカーボンで作られたスリット （間隙）
を有するキャピラリ・ダイ１３ （１３ａ、１３ｂ）
（以下単にダイと言う）をその長辺方向をルツボ１
２の長辺方向に平行に設置した状態を示す。

このダイ１３の先端部は鋭く、ナイフェツジ状に加工さ
れており、また、これらのダイ１３はルツボ］２上に設
けられた熱遮蔽板１４に強く固定されている。

この熱遮蔽板１４は融液１１の熱輻射を上記ダイ１３の
先端に到達するのを弱める役割をはだすもので、ダイ１
３の先端部を露出させる窓があけられている。

ルツボ１２は、カーボンで形成されたルツボホルダー１
５内に挿入されている。

このルツボホルダー１５の外側には、一対の板状のヒー
タ１６ （１６ａ、 １６ｂ） カ設けられている
。

このヒータ１６は上記ダイ１３およびルツボホルダー１
５の長手方向に平行に設置され、かつ上下から交互に切
込み１７が加工されてこれにより電気抵抗値を制御する
仕組みになっている。

１８はチャンバー側壁である。 □上記のように構成
されへ成長装置の石英ルツボ１２に多結晶シリコンを入
れ、ヒータ１６の温度を約１５００℃に上昇させる。

すると、多結晶シリコンはシリコン融液１１となり、そ
してこのシリコン融液１１が毛細管現象により、ダイ１
３の先端部まで上昇する。

この上昇したシリコン融液１１に上方から種子結晶（図
示せず）を接触させ、次に徐々に引き上げることにより
、帯状シリコン結晶を成長させることができる。

本発明者は上述した成長装置において、幅広のシリコン
結晶の成長を試みたところ、引上げ速度が５〜１０ｍｍ
／分と非常に遅く、また種子結晶より必ず幅が狭くなり
、１ｍｍ程度に減少（以下ネックダウンと呼ぶ）し、そ
の後のリボン幅の拡幅操作が複雑であり、長い幅広の結
晶が得られなかつた。

上記した従来技術は、帯状シリコン結晶の大量生産を考
えると、時間的にも材料的にも損失であり、大量生産に
は最適な技術ではない。

この原因は固液界面近傍の引上げ方向の温度勾配が低く
、横方向の温度分布が悪いことにある。

本発明者はダイの先端に種子結晶を接触後、固液界面の
温度分布を非接触測定法で測定したところ、種子結晶（
幅１００ｍｍ）の中央部で低温で、両端部で高温、つま
り固液界面の温度分布は種子幅に対して凹型となってい
た。

上記温度分布の場合、帯状シリコン結晶の成長では、種
子幅と同じ幅の結晶を成長開始より得ることは困難とな
り、必ずネックダウンを生じる。

さらに、ネックダウン後の拡幅では、両端の温度が高い
ため、拡幅程度がおそく、温度の低い中央部でダイと固
着する確率が高かった。

さらに本発明者は引上げ方向の温度勾配を熱電対で測定
したところダイ先端部で１００℃／ｃｍと勾配がなだら
かであった。

このことは引上げ速度が５〜１０ｍｍ／分と遅いことを
意味する。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、引上げ速度を大幅に向上させ、ネック
ダウンの発生を防止し、成長開始より幅広帯状結晶を引
上げることを可能ならしめた大量生産に適した帯状シリ
コン結晶の製造装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明者は前記した従来技術の欠点の改良を目的として
鋭意研究を重ねた子吉果、成長開始直後の固液界面の温
度分布を凸型にして、同時に引上げ方向の温度勾配を急
峻にすることにより、従来技術の欠点を改善できること
を見出した。

そこで本発明においては、固液界面付近に一対の冷却温
度調整器を設置する。

この冷却温度調整器はダイ先端部をおおうようにコの字
型とし、ダイ側に細孔を設けて冷却ガスを流して、固液
界面付近の温度を下げるように制御する。

また、冷却温度調整器は耐熱を考慮して例えばモリブデ
ンを使用し、冷却ガス供給手段としてモリブデンパイプ
あるいはステンレスパイプをこの冷却温度調整器に溶接
加工する。

更に、冷却温度調整器は帯状シリコン結晶の成長中に炉
外よりダイ長手方向に移動可能な構造とし、固液界面の
温度分布を任意に制御できるようにすることが好ましい
。

モリブチ゛ンあるいはステンレスパイプは例えばチャン
バ側面で支持され、さらに冷却温度調整器は熱遮蔽板上
をスライドする構成とする。

冷却温度調整器の移動は手動、あるいはモータによる自
動も可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ダイ先端部にその長手方向に２個冷却
温度調整器を設置することによって、引上げ直後の固液
界面の温度分布を凸型に形成することができ、かつ、固
液界面周辺の温度を従来技術と比べて、十分に低温とす
ることができるため、帯状シリコン結晶表面からの熱の
放散が良くなり、ひいては引上げ方向の温度勾配が急峻
になる。

従って引上げ直後のネックダウンを生じることなく、種
子結晶の幅と同じ帯状シリコン結晶を引上げることが可
能となり、かつ、引上げ方向の温度勾配が急峻となるた
め、従来の技術で達成できなかった高速引上げが可能と
なる。

従って、時間的、材料的損失が減少し、高速化のため大
幅に帯状シリコン結晶の生産量が増加する。

その他の作用効果として、固液界面近傍にガスを噴出す
るため、ダイ先端部と炉内雰囲気が遮断でき、ダイ先端
部のシリコン融液にスラッゾが浮遊することを防止する
ことができる。

〔発明の実施例〕

第２図ａは本発明の一実施例の概略構成を示す平面図で
あり、ｂはそのＡ−Ａ’断面図である。

尚、第１図と同一部分には同一符号を付して、その詳し
い説明は省略する。

この実施例装置が第１図に示した従来装置と異なる点は
、ダイ１３の先端部長手方向の両端にコの字型の一対の
冷却温度調整器１９ （１９ａ、 １９ｂ）を相対向
させて設置したことにある。

この冷却温度調整器１９は耐熱を考慮してモリブデンで
構成され、さらに冷却ガスであるアルゴンガスの流路と
なるモリブデンあるいはステンレスパイプ２０ （２
０ａ、２０ｂ）が溶接で接続されている。

このパイプ２０はチャンバ１８で支持され、チャンバ外
側でフレキシブルパイプ２２ （２２ａ、２２ｂ）に
接続されている。

冷却温度調整器１９の形状はダイ１３の幅に依存するが
、ダイ幅１００ｍｍの場合、幅２０ｍｍ長さ６０ｍｍ厚
さ１０ｍｍであり、ダイ側側面には冷却ガス流出入口と
なる０、５ｍｍφの細孔２３がおいている。

冷却温度調整器１９の移動（図中矢印２１ａ、２１ｂ）
はチャンバ外より手動あるいはモータ等（図示せず）で
冷却パイプ２０を移動させることにより、熱遮蔽板１４
上をスライドする。

本発明者はこの実施例装置を使用し、種子結晶とダイ先
端のシリコン融液の固液界面の温度分布を測定した。

第３図にテ゛−夕を示す。第３図ａは従来装置の温度分
布であるが、ダイ中央部（図のＣ点）で１４２７±１℃
、右側（Ｒ点）で１４３４±１℃、左側（Ｌ点）で１４
３４±２℃で、凹型になっていた。

ｂは本実施例による温度分布であるが、各々の冷却温度
調整器１９をダイ中央部より約２０ｍｍ移動させた位置
に設定した場合である。

尚、アルゴンガスの流量は各々５１７ｍ１ｎである。

温度分布はＣ点で１４４０±１℃、Ｒ点で１４３４±１
℃、Ｌ点で１４３４±２℃と凸型になった。

次に本発明者は従来装置と本実施例装置での引上げ方向
の温度勾配を熱電対で測定した。

従来装置の場合、ダイ直上で１００℃／ｃｍであるのに
対し、本実施例装置で２００℃／ｃｍであった。

さらに本発明者は第３図ａ。ｂの温度分布で引上げ実験
を行った。

この場合、ダイ幅１０２ｍｍ、種子結晶幅９８ｍｍとし
た。

その状況での引上げ初期の種子結晶４１ （４１ａ、
４１ｂ）と帯状シリコン結晶４２ （４２ａ、４２ｂ
）の形状を第３図ａ、 ｌ）にそれぞれ対応させて第
４図ａ、 ｌ）に示す。

ａの場合、引上げ直径約２５ｍｍ程度まで細くなり、幅
１００ｍｍまで拡幅するのに約２ｍ、時間にして約１．
５時間が必要で、幅１００ｍｍまで拡幅後の安定成長で
の引上げ速度は平均１０〜１５ｍｍ／分であった。

ｂの場合、引上げ直後約５ｍｍで幅は１００ｍｍまで拡
幅し、安定成長での引上げ速度は平均２０〜２５ｍｍ／
分と従来技術の約２倍に向上した。

また結晶の成長に伴いａの場合幅の変動があるが、ｂの
場合、冷却温度調整器の位置を微調整することにより、
幅１００ｍｍ±１ｍｍの制御が可能であった。

第２図に示す本実施例装置のように冷温度調整器を使用
すると、固液界面の温度分布の制御が比較的簡単に行う
ことができ、ひいては第４図ａに示すネックダウン部を
発生させずに引上げ開始直後所望の幅まで広げることが
可能であり、また従来装置と比較すると約２倍の高速引
上げが可能である。

従って、時間的、材料的な損失が大幅に減少し、帯状シ
リコン結晶の生産量が大幅に向上し、大量生産が可能で
、太陽電池等の素子に利用する場合、その大幅なコスト
ダウンが可能に１なる。

尚、本発明者は従来装置で、他の制御要素つまり引上げ
速度、ヒータパワーで制御を試みたが、非常に引上げ制
御が複雑で、引上げの失敗確率が高く、またネックダウ
ンの解決には至らなかった。

本発明の他の作用効果として、帯状シリコン結晶が安定
成長している段階で、外部ノイズ等によりヒータパワー
あるいは引上げ速度が変化し、結晶の幅の変化が生じた
場合、炉外より冷却温度調整器の設定位置を変更するこ
とにより、容易にかつ時間的にはやく、幅の制御を行い
得ることが挙げられる。

また、固液界面の温度分布を制御する手段として、ダイ
近傍に小さなヒータを設置することが考えられるが、ヒ
ータ形状、ダイとヒータの間隔に依存する放電現象、パ
ワー制御による時間的遅れ等を考慮すると、本発明の方
が比較的簡単に制御でき、かつパワー制御のための制御
系が不必要であるため、安価に製作することができる。

またヒータは固液界面の温度分布は制御できるが、引上
げ速度を向上させることはできない。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、 ｌ）は従来装置を示す平面図と断面図、
第２図ａ、 ｌ）は本発明の一実施例を示す平面図と
断面図、第３図ａ、ｂおよび第４図ａ、 ｌ）は従来
装置と本実施例装置の作用効果を説明するための図で゛
ある。 １１・・・シリコン融液、１２・・・石英ガラス製ルツ
ボ、１３ａ、１３ｂ・・・ダイ、１４・・・熱遮蔽板、
１５・・・ルツボホルダー、１６ａ、１６ｂ・・・ヒー
タ、１７・・・切込み、１８・・・チャンバ側壁、１９
ａ、１９ｂ・・・冷却温度調整器、２０ａ、２０ｂ・・
・冷却パイプ、２１ａ、２１ｂ・・・冷却温度調整器の
移動方向、２２ａ、２２ｂ・・・フレキシブルパイプ、
４１ａ、４１ｂ・・・種子結晶、４２ａ、４２ｂ・・・
帯状シリコン結晶。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリコン融液が収容されたルツボと、このルツボ上
   に設けられた熱遮蔽板と、この熱遮蔽板を貫通して設け
   られ上記ルツボ内のシリコン融液にその一端が浸漬され
   るスロットを有した一対のダイと、上記シリコン融液お
   よびダイを加熱する加熱源とを具備し、上記のダイのス
   ロットを介して上昇したシリコン融液に種子結晶を接触
   させ、この種子結晶を引き上げることによって帯状シリ
   コン結晶を成長せしめる帯状シリコン結晶の製造装置に
   おいて、引上げ方向と直角に熱遮蔽板上を移動可能で、
   固液界面近傍で引上げ方向に垂直に冷却ガスを流出する
   多数の細孔を有するコの字型の一対の冷却温度調整器を
   設置したことを特徴とする帯状シリコン結晶の製造装置
   。