JPWO2010073413A1 - Spherical semiconductor manufacturing equipment - Google Patents

Spherical semiconductor manufacturing equipment Download PDF

Info

Publication number
JPWO2010073413A1
JPWO2010073413A1 JP2010543751A JP2010543751A JPWO2010073413A1 JP WO2010073413 A1 JPWO2010073413 A1 JP WO2010073413A1 JP 2010543751 A JP2010543751 A JP 2010543751A JP 2010543751 A JP2010543751 A JP 2010543751A JP WO2010073413 A1 JPWO2010073413 A1 JP WO2010073413A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor material
semiconductor
spherical
hopper
melted
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010543751A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
永山勝久
作田裕介
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shibaura Institute of Technology
Original Assignee
Shibaura Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shibaura Institute of Technology filed Critical Shibaura Institute of Technology
Publication of JPWO2010073413A1 publication Critical patent/JPWO2010073413A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic System
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C30B11/00Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/06Silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C30B30/00Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/08Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions in conditions of zero-gravity or low gravity
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281Shape of the body
    • 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547Monocrystalline silicon PV cells
    • 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

【課題】従来の球状半導体の製造装置および製造方法は、半導体材料を浮遊状態で溶融し、それをドロップチューブ中を落下させることで、球状の半導体を得ていた。この方法では、半導体材料を一つ一つ浮遊させ、溶融させてから落下させるため、大量の球状半導体を製造するには不向きであった。【解決手段】そこで本件発明では、電磁誘導加熱溶融された半導体材料を少量ずつ滴下可能なロートを有するホッパーと、前記電磁力を印加するためにホッパーの半導体装填領域を取り囲むように配置された誘導加熱コイルと、ホッパーから滴下される溶融状態の半導体材料を冷却し球状化するためのドロップチューブと、ドロップチューブ内を落下し冷却されて固体状態となった球状半導体を受けるための受容部と、を有する球状半導体の製造装置を提供する。これにより、大量の球状半導体を容易に製造することが可能となる。A conventional spherical semiconductor manufacturing apparatus and manufacturing method have obtained a spherical semiconductor by melting a semiconductor material in a floating state and dropping it in a drop tube. This method is not suitable for manufacturing a large amount of spherical semiconductors because each semiconductor material is floated, melted, and dropped. Accordingly, in the present invention, a hopper having a funnel capable of dropping semiconductor material melted by electromagnetic induction heating and melting little by little, and an induction disposed so as to surround a semiconductor loading region of the hopper in order to apply the electromagnetic force. A heating coil, a drop tube for cooling and spheronizing the molten semiconductor material dropped from the hopper, and a receiving part for receiving the spherical semiconductor that has fallen into the drop tube and cooled to a solid state; The manufacturing apparatus of the spherical semiconductor which has this. This makes it possible to easily manufacture a large amount of spherical semiconductors.

Description

本件発明は、特に太陽電池パネルに用いられる球状半導体を、短時間で大量に製造することを可能とする球状半導体の製造方法に関する   The present invention relates to a method for producing a spherical semiconductor, which makes it possible to produce a large amount of spherical semiconductors used in solar cell panels in a short time.

現在主流となっている太陽電池パネルは、一般的に平板状の単結晶シリコンや多結晶シリコン、アモルファスシリコンなどを用いた物が主流となっている。しかし、これらの太陽電池パネルは、発電効率が低く、この太陽電池パネルの発電効率を上げることが課題となっている。   The solar cell panels that are currently mainstream are generally those using flat single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, or the like. However, these solar cell panels have low power generation efficiency, and raising the power generation efficiency of this solar cell panel is a problem.

そこで、近年、球状のシリコンを用いた球状シリコン型太陽電池が提案されている。この球状シリコン型太陽電池とは、無数の球状シリコン粒子と、集光能力を上げるための凹面鏡を組み合わせた太陽電池である。この球状シリコン型太陽電池は、前述の平板状の太陽電池に比べ、1/5程度のシリコン使用量で、アモルファスシリコンよりも高い発電効率を実現することが可能となる。この球状シリコン型太陽電池は、シリコンの使用量を減らすことで、原料となるシリコンの供給状況に影響されにくい太陽電池の生産方法として期待されている。
特開2002−348194 特開2005−162609 特開平10−33969
Therefore, in recent years, a spherical silicon solar cell using spherical silicon has been proposed. The spherical silicon type solar cell is a solar cell in which an infinite number of spherical silicon particles and a concave mirror for increasing the light collecting ability are combined. This spherical silicon solar cell can achieve higher power generation efficiency than amorphous silicon with a silicon usage amount of about 1/5 compared to the above-described flat plate solar cell. This spherical silicon solar cell is expected to be a solar cell production method that is less affected by the supply status of silicon as a raw material by reducing the amount of silicon used.
JP2002-348194 JP 2005-162609 A JP-A-10-33969

このような球状シリコン型太陽電池に用いられる球状半導体を製造する方法としては、特許文献1に示したような製造方法が発明されている。特許文献1に示された製造方法では、半導体材料であるシリコンにレーザーを照射し予備加熱をして浮遊・溶融させる方法が示されている。特許文献1には、高周波を印加することで、原料となる高純度シリコンを浮遊・溶融することが記載されているが。高純度のシリコンは電気伝導性が極めて低いため、高周波により浮遊・溶融させることは極めて困難である。   As a method of manufacturing a spherical semiconductor used in such a spherical silicon solar cell, a manufacturing method as shown in Patent Document 1 has been invented. In the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, a method is disclosed in which silicon, which is a semiconductor material, is irradiated with a laser and preheated to float and melt. Patent Document 1 describes that high-purity silicon as a raw material is floated and melted by applying a high frequency. Since high-purity silicon has extremely low electrical conductivity, it is extremely difficult to float and melt at high frequencies.

また、特許文献2には、溶融ルツボを用いて、シリコンを溶融させる方法が記載されている。前述のように、シリコンは電気伝導性が極めて低いため、浮遊・溶融させることが困難である。そこで、特許文献2では、浮遊させずに、ルツボを用いて溶融させる方法が記載されている。しかし、ルツボを用いた溶融では、溶融したシリコンはルツボの内側面に接触するため、溶融したシリコンに不純物が混入する恐れが生じる。   Patent Document 2 describes a method of melting silicon using a melting crucible. As described above, since silicon has extremely low electrical conductivity, it is difficult to float and melt. Therefore, Patent Document 2 describes a method of melting using a crucible without floating. However, in melting using a crucible, the melted silicon comes into contact with the inner surface of the crucible, so that impurities may be mixed into the melted silicon.

また、特許文献3では、半導体材料である無機材料を浮遊状態で溶融する方法が記載されているが、無機材料を一つ一つ浮遊させ溶融するため、大量の球状半導体を製造するには、多量の時間が必要となってしまう。   Patent Document 3 describes a method of melting an inorganic material, which is a semiconductor material, in a floating state, but in order to produce a large amount of spherical semiconductors in order to float and melt inorganic materials one by one, A lot of time is required.

そこで、本件発明では、上記課題を解決し、球状半導体を不純物の混入がなく大量にかつ短時間に製造する方法を提供する。すなわち第一の発明としては、半導体材料を装填可能で、外からの電磁力によって浮遊状態で電磁誘導加熱溶融された半導体材料を少量ずつ滴下可能なロートを有するホッパーと、前記電磁力を印加するためにホッパーの半導体装填領域を取り囲むように配置された誘導加熱コイルと、ホッパーから滴下される溶融状態の半導体材料を冷却し球状化するためのドロップチューブと、ドロップチューブ内を落下し冷却されて固体状態となった球状半導体を受けるための受容部と、を有する球状半導体の製造装置を提供する。   Accordingly, the present invention provides a method for solving the above-described problems and manufacturing a spherical semiconductor in a large amount and in a short time without contamination of impurities. That is, as a first invention, a semiconductor material can be loaded and a hopper having a funnel in which a semiconductor material melted in an electromagnetic induction heating and melting state in a floating state by an external electromagnetic force can be dropped little by little, and the electromagnetic force is applied. For this purpose, an induction heating coil arranged so as to surround the semiconductor loading area of the hopper, a drop tube for cooling and spheroidizing the molten semiconductor material dripped from the hopper, and dropping in the drop tube to be cooled. There is provided a spherical semiconductor manufacturing apparatus having a receiving portion for receiving a spherical semiconductor in a solid state.

第二の発明としては、誘導加熱コイルが、発生する電磁力によってホッパーのロート面と、溶融し滴下する半導体材料とが接触しにくくなる程度の電磁力を発生するように構成されている第一の発明に記載の球状半導体の製造装置を提供する。   In a second aspect of the invention, the induction heating coil is configured to generate an electromagnetic force such that the funnel surface of the hopper and the semiconductor material to be melted and dropped are hardly contacted by the generated electromagnetic force. An apparatus for producing a spherical semiconductor according to the invention is provided.

第三の発明としては、ホッパー内にて電磁誘導加熱溶融された半導体材料がロートから少量ずつ滴下するように、ホッパー内を加圧する不活性ガスを吹き出すための不活性ガス吹出部をさらに有する第一の発明または第二の発明に記載の球状半導体の製造装置を提供する。   As a third invention, there is further provided an inert gas blowing portion for blowing out an inert gas for pressurizing the inside of the hopper so that the semiconductor material electromagnetically heated and melted in the hopper is dropped little by little from the funnel. A spherical semiconductor manufacturing apparatus according to one invention or the second invention is provided.

第四の発明としては、装填される半導体材料が過冷却状態で浮遊溶融するように前記誘導加熱コイルに流す電流を制御する電流制御部をさらに有する第一の発明から第三の発明のいずれか一に記載の球状半導体の製造装置を提供する。   As a fourth invention, according to any one of the first to third inventions, further comprising a current control unit for controlling a current flowing through the induction heating coil so that a semiconductor material to be loaded is floated and melted in a supercooled state. An apparatus for producing a spherical semiconductor as described in 1 above is provided.

第五の発明としては、滴下された半導体材料が自由落下する落下長が、非過冷却状態で溶融している同一半導体材料が冷却されて固体状態となるに必要な落下長よりも短い長さであるようにドロップチューブが構成されている第一の発明から第四の発明のいずれか一に記載の球状半導体の製造装置を提供する。   According to a fifth aspect of the invention, the drop length at which the dropped semiconductor material falls freely is shorter than the drop length necessary for cooling the same semiconductor material melted in a non-supercooled state into a solid state. A spherical semiconductor manufacturing apparatus according to any one of the first to fourth inventions, wherein the drop tube is configured as described above.

第六の発明としては、半導体材料表面に導電性材料を付着させる導電性材料付着ステップと、導電性材料付着ステップにて導電性材料が付着された半導体材料を電磁力によって浮遊させ、かつ浮遊状態で電磁誘導加熱することによりこれを溶融させる溶融ステップと、前記溶融ステップにて溶融したのち、溶融している半導体材料の温度を過冷却温度に保つ過冷却温度制御ステップと、前記過冷却温度制御ステップにて過冷却温度に制御されている半導体材料を半導体材料が冷却されて固体になるに十分な落下時間が確保できるように少量ずつ滴下する滴下ステップと、からなる球状半導体の製造方法を提供する。   According to a sixth aspect of the invention, there is provided a conductive material attaching step for attaching a conductive material to the surface of the semiconductor material, and the semiconductor material to which the conductive material is attached in the conductive material attaching step is floated by electromagnetic force and is in a floating state. A melting step for melting this by electromagnetic induction heating, a supercooling temperature control step for maintaining the temperature of the molten semiconductor material at the supercooling temperature after melting in the melting step, and the supercooling temperature control A method for producing a spherical semiconductor comprising: a dropping step of dropping a semiconductor material controlled to a supercooling temperature in a step by a small amount so that a sufficient dropping time can be secured so that the semiconductor material is cooled and becomes solid. To do.

本件発明の球状半導体の製造装置は、ホッパーにロートを設け、浮遊溶融した半導体材料を、ロート先端から少量ずつ滴下することで、粒径の小さい球状半導体を多量に製造することが可能となる。また、過冷却状態の半導体材料を、ドロップチューブに滴下することで、非過冷却状態で溶融している同一半導体材料が冷却されて固体状態となるに必要な落下長よりも短い長さで、半導体材料を凝固することが可能となり、コンパクトな球状半導体の製造装置が提供可能である。   The spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present invention can manufacture a large amount of spherical semiconductors having a small particle diameter by providing a funnel in a hopper and dropping a floating and melted semiconductor material little by little from the tip of the funnel. In addition, by dropping a supercooled semiconductor material onto a drop tube, the same semiconductor material that is melted in a non-supercooled state is cooled and has a length shorter than the drop length required to become a solid state. The semiconductor material can be solidified, and a compact spherical semiconductor manufacturing apparatus can be provided.

以下、本件発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention should not be limited to these embodiments at all, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof.

実施形態1は、主に請求項1、請求項2、請求項3などに関する。   The first embodiment mainly relates to claim 1, claim 2, claim 3, and the like.

実施形態2は、主に請求項4、請求項5などに関する。   The second embodiment mainly relates to claims 4 and 5.

実施形態3は、主に請求項6などに関する。   The third embodiment mainly relates to claim 6 and the like.

<実施形態1>
<実施形態1 概要>
<Embodiment 1>
<Overview of Embodiment 1>

本実施形態は、半導体となる材料を電磁浮遊させた状態で加熱溶融し、溶融した半導体材料をロートからドロップチューブ内に滴下し、球状化させ、冷却させることを特徴とした球状半導体の製造装置である。
<実施形態1 構成>
This embodiment is a spherical semiconductor manufacturing apparatus characterized in that a semiconductor material is heated and melted in an electromagnetically suspended state, and the molten semiconductor material is dropped into a drop tube from a funnel, spheroidized, and cooled. It is.
<Configuration of Embodiment 1>

図1に本実施形態の球状半導体の製造装置の概念図を示した。本実施形態の球状半導体の製造装置は、半導体材料を装填可能で、外からの電磁力によって浮遊状態で電磁誘導加熱溶融された半導体材料を少量ずつ滴下可能なロート(0101)を有するホッパー(0102)と、前記電磁力を印加するためにホッパーの半導体装填領域を取り囲むように配置された誘導加熱コイル(0103)と、ホッパーから滴下される溶融状態の半導体材料を冷却し球状化するためのドロップチューブ(0104)と、ドロップチューブ内を落下し冷却されて固体状態となった球状半導体を受けるための受容部(0105)と、を有する。   FIG. 1 shows a conceptual diagram of a spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment. The spherical semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment can be loaded with a semiconductor material, and has a hopper (0101) having a funnel (0101) capable of dripping small portions of a semiconductor material that has been electromagnetically heated and melted in a floating state by electromagnetic force from outside. ), An induction heating coil (0103) arranged so as to surround the semiconductor loading area of the hopper to apply the electromagnetic force, and a drop for cooling and spheronizing the molten semiconductor material dropped from the hopper A tube (0104) and a receiving part (0105) for receiving the spherical semiconductor that has fallen into the drop tube and cooled to a solid state.

「ホッパー」は、球状半導体の材料である半導体材料を装填可能で、電磁力によって半導体材料を浮遊させ、溶融させるための誘導加熱コイルと、溶融した半導体材料を滴下するためのロートを有している。図2に本実施形態の球状半導体の製造装置のホッパーの外観写真(a)とホッパー内部の概念図(b)を示した。ホッパーの内部には、溶融した半導体材料を滴下するためのロート(0201)が配置され、ロートおよび半導体材料を装填する半導体装填領域を取り囲むように、誘導加熱コイル(0202)が配置されている。この他、ホッパー内部には、誘電加熱コイルに電力を供給する配線(0203)や制御装置(0204)、半導体材料の温度を測定するための放射温度測定装置や、内部の圧力を測定する圧力計などが配置されていても良い。またホッパーには、半導体装填領域に半導体材料を装填するための扉が設けられ、ホッパー外部からこの扉を開閉することで、半導体装填領域に半導体材料を装填可能に構成されている。   The “hopper” can be loaded with a semiconductor material that is a spherical semiconductor material, and has an induction heating coil for floating and melting the semiconductor material by electromagnetic force, and a funnel for dropping the molten semiconductor material. Yes. FIG. 2 shows a photograph (a) of the outer appearance of the hopper of the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment and a conceptual diagram (b) inside the hopper. Inside the hopper, a funnel (0201) for dropping molten semiconductor material is disposed, and an induction heating coil (0202) is disposed so as to surround the funnel and the semiconductor loading region into which the semiconductor material is loaded. In addition, the hopper has a wiring (0203) for supplying power to the dielectric heating coil, a control device (0204), a radiation temperature measuring device for measuring the temperature of the semiconductor material, and a pressure gauge for measuring the internal pressure. Etc. may be arranged. The hopper is provided with a door for loading a semiconductor material in the semiconductor loading area, and the semiconductor loading area can be loaded with the semiconductor material by opening and closing the door from the outside of the hopper.

ホッパー内部に設けられたロートは、誘導加熱コイルが発生する電磁力によって浮遊溶融された半導体材料を、少量ずつドロップチューブに向けて滴下するように構成されている。図2に示したようにロートは、誘電加熱コイルに取り囲まれて配置されている。ロートは、断面が円形の円筒形状であって、ドロップチューブに向けて断面の直径が徐々に小さくなるように構成されている。図3に本実施形態に用いられるロートの一例を示した。ロートの全長は略100mmであって、内径最大が略17mm、外径最大が略29mmとなっている。ロート上部略80mmは、内径の大きさに変化はなく略17mmである。ロートの下部略20mmは、下部方向に向けて徐々に内径の大きさが小さくなり、ロート先端部、浮遊溶融された半導体材料が滴下する開口部分の直径は100μmとなっている。   The funnel provided inside the hopper is configured to drop the semiconductor material floated and melted by the electromagnetic force generated by the induction heating coil little by little toward the drop tube. As shown in FIG. 2, the funnel is disposed so as to be surrounded by the dielectric heating coil. The funnel has a cylindrical shape with a circular cross section, and is configured such that the diameter of the cross section gradually decreases toward the drop tube. FIG. 3 shows an example of the funnel used in this embodiment. The total length of the funnel is approximately 100 mm, the maximum inner diameter is approximately 17 mm, and the maximum outer diameter is approximately 29 mm. The upper portion of the funnel approximately 80 mm is approximately 17 mm with no change in the size of the inner diameter. In the lower portion of the funnel, approximately 20 mm, the inner diameter gradually decreases in the lower direction, and the diameter of the funnel tip portion and the opening portion where the molten and floating semiconductor material is dropped is 100 μm.

従来、電磁力により溶融状態の半導体材料を浮遊させる球状半導体の製造方法では、浮遊溶融した状態の半導体材料をそのままドロップチューブ内に落下させ、球状の半導体を得ていた。つまり、浮遊溶融された半導体材料が、そのままの質量(大きさ)でドロップチューブ内を落下し、固体状態の半導体としていた。つまり、従来の製造方法では、半導体材料をホッパー内部に装填し、浮遊溶融させ、ドロップチューブ内部に落下させることで、1つの球状半導体を得ていた。しかし、本実施形態の球状半導体の製造装置では、ホッパー内部にロートを設けることで、浮遊溶融された半導体材料を、ドロップチューブに向けて少量ずつ滴下するように構成されている。これにより、半導体材料をホッパー内部に装填し、浮遊溶融させ、ロートの先端からドロップチューブへ滴下する操作を、1回行うだけで、多量の球状半導体を得ることが可能である。   Conventionally, in a method for manufacturing a spherical semiconductor in which a molten semiconductor material is floated by electromagnetic force, the semiconductor material in a floating and molten state is dropped as it is into a drop tube to obtain a spherical semiconductor. In other words, the semiconductor material that has been floated and melted falls in the drop tube with its mass (size) as it is to form a solid semiconductor. That is, in the conventional manufacturing method, one spherical semiconductor is obtained by loading a semiconductor material into a hopper, floating and melting it, and dropping it into the drop tube. However, the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment is configured to drop the semiconductor material that is floated and melted little by little toward the drop tube by providing a funnel inside the hopper. Thereby, it is possible to obtain a large amount of spherical semiconductors by performing the operation of loading the semiconductor material into the hopper, floating and melting it, and dropping it from the tip of the funnel to the drop tube only once.

ここで、半導体材料をロートから少量ずつドロップチューブへ滴下するために、ホッパー内を加圧する不活性ガスを吹き出すための不活性ガス吹出部(0205)を有していても良い。この不活性ガス吹出部は、ホッパー内に不活性ガスを吹き出すことでホッパー内を加圧し、溶融した半導体材料を、ロートからドロップチューブへ滴下する。不活性ガス吹出部から吹き出されるガスは、溶融した半導体材料と化学反応を起こすことがないガスであって、例えばヘリウムやネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス元素や、窒素などである。不活性ガス吹出部から吹き出されるガスは、上記例示したガスのように、高温で溶融した半導体材料と化学反応を起こすことが無いガスであれば、上記に限定されず、適宜変更可能な設計事項である。   Here, in order to drop the semiconductor material from the funnel to the drop tube little by little, an inert gas blowing part (0205) for blowing an inert gas for pressurizing the inside of the hopper may be provided. The inert gas blowing unit pressurizes the inside of the hopper by blowing inert gas into the hopper, and drops the molten semiconductor material from the funnel onto the drop tube. The gas blown out from the inert gas blowing portion does not cause a chemical reaction with the molten semiconductor material, and is, for example, a rare gas element such as helium, neon, argon, krypton, or xenon, or nitrogen. . The gas blown out from the inert gas blowing section is not limited to the above as long as it does not cause a chemical reaction with the semiconductor material melted at a high temperature like the gas exemplified above, and can be changed as appropriate. It is a matter.

浮遊溶融された半導体材料は、ロート壁面に接触することなく、ロート先端からドロップチューブへ滴下される。この際、溶融された半導体材料は、図4のようにロート(0401)のロート先端(0402)からドロップチューブ(0403)へ滴下される。まず、浮遊溶融された状態の半導体材料(0404)は、(a)のようにほぼ球状の形態を保っている。次に、ドロップチューブへ滴下を開始する場合には、誘電加熱コイルの出力や、ホッパー内に吹き出される不活性ガス量をコントロールして、浮遊溶融状態の半導体材料を(b)のように、縦に細くなるようにし、最終的には(c)のように、溶融した半導体材料の下部から、少量ずつドロップチューブへ滴下される。   The suspended and melted semiconductor material is dropped from the tip of the funnel to the drop tube without contacting the funnel wall surface. At this time, the melted semiconductor material is dropped into the drop tube (0403) from the funnel tip (0402) of the funnel (0401) as shown in FIG. First, the semiconductor material (0404) in a floating and melted state maintains a substantially spherical shape as shown in (a). Next, when dripping into the drop tube is started, the output of the dielectric heating coil and the amount of inert gas blown into the hopper are controlled so that the semiconductor material in a floating molten state is as shown in (b), It is made to become thin vertically, and finally it is dripped little by little from the lower part of the molten semiconductor material like (c).

図5に浮遊溶融された半導体材料が、ロート先端からドロップチューブへ滴下される様子を撮影したハイスピードカメラによる撮影画像を示した。図5の撮影画像は、ロート先端部分を拡大して撮影した画像である。図5の撮影画像は図4の(c)の状態に相当する。このように、浮遊溶融している半導体材料は、ロートの内壁面に極力接触せずに、ドロップチューブに滴下される。尚、図5の画像では、白く撮影された部分が溶融した半導体材料(0501)であって、破線で示した部分は、誘電加熱コイル(0502)で、写真では確認が困難であるが、ロート(0503)が撮影されている。   FIG. 5 shows a photographed image taken by a high-speed camera that photographed how the semiconductor material that was melted by floating was dropped from the tip of the funnel to the drop tube. The captured image in FIG. 5 is an image captured by enlarging the funnel tip. The photographed image in FIG. 5 corresponds to the state shown in FIG. In this way, the floating and melted semiconductor material is dropped onto the drop tube without making contact with the inner wall surface of the funnel as much as possible. In the image of FIG. 5, the white portion is the melted semiconductor material (0501), and the portion indicated by the broken line is the dielectric heating coil (0502), which is difficult to confirm with the photograph. (0503) is photographed.

ここで、本実施形態における滴下とは、初速0の状態から、溶融した半導体材料をドロップチューブへ落下させることを意味している。つまり、ロート先端から圧力を加えることで吹き出したりするような、何らかの初速を与えられてドロップチューブへ落下するわけではない。   Here, dripping in the present embodiment means that the molten semiconductor material is dropped onto the drop tube from the initial velocity of 0. In other words, it does not fall into the drop tube with a certain initial velocity that is blown by applying pressure from the funnel tip.

半導体は、不要な不純物が混入することで正しい性能を発揮しないなど、製造時には不純物の混入を防ぐことが非常に重要である。このため、本実施形態の球状半導体の製造装置では、溶融した半導体材料は、極力ロートなどの物体と接触しないようにコントロールされている。仮に、溶融した半導体材料がロートに接触した場合でも、不純物が入らないように、ロートは、半導体材料と同様の元素からなる材料を用いて構成されていることが望ましい。例えば、半導体材料としてシリコンを用いる場合には、ロートを構成する材料は、シリコンを含む材料、例えば石英などで構成されていることが望ましい。   In semiconductors, it is very important to prevent impurities from being mixed at the time of manufacture, for example, when semiconductors do not exhibit correct performance due to unnecessary impurities. For this reason, in the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment, the molten semiconductor material is controlled so as not to contact an object such as a funnel as much as possible. Even if the molten semiconductor material comes into contact with the funnel, it is desirable that the funnel is made of a material made of the same element as the semiconductor material so that impurities do not enter. For example, when silicon is used as the semiconductor material, the material constituting the funnel is preferably made of a material containing silicon, such as quartz.

また溶融状態の半導体材料が、ロートなどと接触することなく浮遊していることで、過冷却状態を作りやすくなる。過冷却については、実施形態2にて詳細に説明する。   In addition, since the molten semiconductor material floats without contact with a funnel or the like, it becomes easy to create a supercooled state. Subcooling will be described in detail in the second embodiment.

「誘導加熱コイル」は、電磁力によって半導体材料を浮遊させ、溶融させる。図2に示したように、誘導加熱コイルは、半導体装填領域とロートを取り囲むように配置され、半導体装填領域に装填された半導体材料を浮遊させて溶融する。このとき、誘導加熱コイルに流す電流の大きさをコントロールし、半導体材料が半導体装填領域に浮遊するように調整する。また、半導体材料は、誘導加熱コイルに取り囲まれたロート内で浮遊し溶融する。   The “induction heating coil” causes the semiconductor material to float and melt by electromagnetic force. As shown in FIG. 2, the induction heating coil is disposed so as to surround the semiconductor loading area and the funnel, and the semiconductor material loaded in the semiconductor loading area is floated and melted. At this time, the magnitude of the current flowing through the induction heating coil is controlled to adjust the semiconductor material to float in the semiconductor loading region. Also, the semiconductor material floats and melts in a funnel surrounded by the induction heating coil.

ここで、誘導加熱コイルは、高周磁場により半導体材料を浮遊し、さらに溶融させる必要がある。このため、半導体材料は導電性を有する必要がある。しかし、シリコン(Si)などの半導体材料は、導電性を有さないため、浮遊も加熱溶融も行うことが出来ない。このような場合には、予めシリコンなどの非導電性の半導体材料の表面に導電性物質であるホウ素(B)や炭素(C)などを蒸着させる。このように表面に導電性物質を蒸着させることで、半導体材料の内部は高純度を保ったまま、誘導加熱コイルにより加熱溶融が可能となる。さらに、表面に蒸着された導電性物質は、誘導加熱コイルにより加熱溶融されることで、半導体材料内部に拡散し、導電性物質は不純物として半導体内部にドーピングされる。例えば、前述の半導体材料としてシリコン、導電性物質としてホウ素を用いた場合、P型の半導体を得ることが可能となる。   Here, the induction heating coil needs to float and melt the semiconductor material by a high-periphery magnetic field. For this reason, the semiconductor material needs to have conductivity. However, since a semiconductor material such as silicon (Si) does not have conductivity, it cannot be floated or heated and melted. In such a case, boron (B), carbon (C), or the like, which is a conductive substance, is vapor-deposited in advance on the surface of a non-conductive semiconductor material such as silicon. By evaporating the conductive material on the surface in this manner, the inside of the semiconductor material can be heated and melted by the induction heating coil while maintaining high purity. Further, the conductive substance deposited on the surface is heated and melted by the induction heating coil, thereby diffusing inside the semiconductor material, and the conductive substance is doped as an impurity inside the semiconductor. For example, when silicon is used as the semiconductor material and boron is used as the conductive material, a P-type semiconductor can be obtained.

また誘導加熱コイルが発生する電磁力は、ホッパーのロート面と、溶融し滴下される半導体材料とが可能な限り接触しない程度の電磁力を発生するように構成されている。この点についての詳細は、後述する。   Further, the electromagnetic force generated by the induction heating coil is configured to generate an electromagnetic force that does not contact the funnel surface of the hopper and the semiconductor material to be melted and dropped as much as possible. Details of this point will be described later.

図1や図2に示した例では、誘導加熱コイルは1つのコイルから構成されている。図1や図2に示した誘導加熱コイルでは、半導体材料に対して、重力に対向する力を加え、半導体材料を浮遊させている。この他にも誘導加熱コイルは複数のコイルから構成されていても良い。例えば、2つ上下にコイルを配置し、半導体材料がその間に浮遊するように構成しても良い。この場合、半導体材料には、下側のコイルから重力と対向する力を、上側のコイルからは、重力と同じ方向に力が加えられ、この両者の力が釣り合うことで、半導体材料が浮遊される。このように上下2つのコイルを配置することで、半導体材料をロート先端から滴下する際に、不活性ガスをホッパー内に吹き出すことなく、コイルが与える力のバランスを調整することで、滴下させることが可能となる。さらにコイルの数が1つであっても複数であっても、コイルから半導体材料に与える力をコントロールすることで、ロートを必要とせずに、半導体材料を少量ずつドロップチューブへ滴下することも可能である。   In the example shown in FIGS. 1 and 2, the induction heating coil is composed of one coil. In the induction heating coil shown in FIGS. 1 and 2, a force that opposes gravity is applied to the semiconductor material to suspend the semiconductor material. In addition to this, the induction heating coil may be composed of a plurality of coils. For example, two coils may be arranged above and below so that the semiconductor material floats between them. In this case, a force opposite to the gravity is applied to the semiconductor material from the lower coil, and a force is applied to the semiconductor coil in the same direction as the gravity from the upper coil. The By arranging two upper and lower coils in this manner, when the semiconductor material is dropped from the tip of the funnel, the inert gas is not blown into the hopper, and the force applied by the coil is adjusted to be dropped. Is possible. In addition, regardless of whether the number of coils is one or more, the semiconductor material can be dropped into the drop tube little by little without the need for a funnel by controlling the force applied to the semiconductor material from the coil. It is.

「ドロップチューブ」は、ホッパーのロートから滴下される溶融状態の半導体材料が球状化し冷却される。滴下された溶融状態の半導体材料は、先に述べたように、初速が与えられない状態で滴下されるため、自由落下状態となる。自由落下状態となった溶融状態の半導体材料は、表面張力により、球状化する。また、自由落下中の半導体材料の内部は、微少重力下となる。さらに、自由落下中に溶融状態にあった半導体材料は、冷却され固体状態となる。溶融状態の半導体材料を自由落下させることで、表面張力を利用して、半導体材料が球状化する。また溶融状態の半導体材料は、ドロップチューブ内にて急激に冷却されて結晶化し半導体となる。   In the “drop tube”, the molten semiconductor material dropped from the hopper funnel is spheroidized and cooled. As described above, the molten semiconductor material that has been dropped is dropped in a state where no initial speed is applied, and thus is in a free fall state. The molten semiconductor material in a free-fall state is spheroidized by surface tension. Moreover, the inside of the semiconductor material during free fall is under microgravity. Furthermore, the semiconductor material that was in a molten state during free fall is cooled to a solid state. By freely dropping the molten semiconductor material, the semiconductor material is spheroidized using surface tension. The molten semiconductor material is rapidly cooled in the drop tube to crystallize into a semiconductor.

ドロップチューブ内は、真空状態にすることで、滴下された半導体材料に対する空気抵抗が減り、半導体材料がより球状に凝固するが、真空中では、冷却効果が低いため、より長いドロップチューブが必要となる。また、ドロップチューブ内を半導体材料の滴下速度に合わせて、不活性ガスを流しても良い。この際、半導体材料は重力加速度により徐々に加速することから、ドロップチューブ内を流れる不活性ガスも、半導体材料の速度に合わせるように構成することが望ましい。例えば、ドロップチューブの断面積を徐々に小さくすることで、半導体材料の落下速度に合わせて不活性ガスの流速をコントロールしても良い。このようにすることで、半導体材料の滴下に伴う、不活性ガスの抵抗を減らすことが可能であり、冷却効果も失わせることなく、より球状の半導体材料を得ることが可能となる。   By making the inside of the drop tube into a vacuum state, the air resistance against the dropped semiconductor material is reduced and the semiconductor material solidifies more spherically. However, in vacuum, the cooling effect is low, so a longer drop tube is required. Become. Further, an inert gas may be allowed to flow in the drop tube in accordance with the dropping speed of the semiconductor material. At this time, since the semiconductor material is gradually accelerated by the gravitational acceleration, it is desirable that the inert gas flowing in the drop tube is adapted to the speed of the semiconductor material. For example, the flow rate of the inert gas may be controlled in accordance with the falling speed of the semiconductor material by gradually reducing the cross-sectional area of the drop tube. By doing in this way, it is possible to reduce the resistance of the inert gas accompanying dropping of the semiconductor material, and it is possible to obtain a more spherical semiconductor material without losing the cooling effect.

「受容部」は、ドロップチューブ内を落下し、冷却されて固体状態となった球状半導体を受ける。図6に受容部から取り出された球状半導体の画像を示した。図6の(a)および(b)に示した球状半導体は、直径が約400μmの滴型の球状半導体である。尚、1回の操作で得られる球状半導体の数は、最初にホッパー内部に装填される半導体材料の量によって変化するものである。また、得られる球状半導体の大きさや量は、ロート先端の開口の大きさや、ロート先端から滴下する際の初速度などによって変化するものであり、目的とする球状半導体に応じて適時変更可能な設計事項である。なお、本実施形態の球状半導体の製造装置では、装填された半導体材料の量に対して、80%の割合で受容部から球状半導体として得られる。   The “receiving portion” receives the spherical semiconductor that has fallen in the drop tube and cooled to a solid state. FIG. 6 shows an image of the spherical semiconductor taken out from the receiving portion. The spherical semiconductor shown in FIGS. 6A and 6B is a drop-shaped spherical semiconductor having a diameter of about 400 μm. Note that the number of spherical semiconductors obtained in one operation varies depending on the amount of semiconductor material initially loaded in the hopper. In addition, the size and amount of the obtained spherical semiconductor change depending on the size of the opening at the tip of the funnel and the initial velocity when dropping from the funnel tip, and the design can be changed in a timely manner according to the target spherical semiconductor. It is a matter. In the spherical semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment, the spherical semiconductor is obtained from the receiving portion at a rate of 80% with respect to the amount of the loaded semiconductor material.

本実施形態の球状半導体の製造装置によって得られる球状半導体の粒径分布を図7に示した。図7に示した粒径分布は、半導体材料としてシリコンにホウ素を蒸着させた材料を用いた例である。また、ロートは図3に示したロートを用い、滴下時には、ホッパー内部をヘリウムにより加圧した状態で滴下を行った。その結果、得られた球状半導体の大きさは、直径が約300から500μmのサイズでもっとも多く得られた。このように、本実施形態の球状半導体の製造装置では、小さな粒径の球状半導体を大量に製造することが可能となる。
<実施形態1 効果>
The particle size distribution of the spherical semiconductor obtained by the spherical semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment is shown in FIG. The particle size distribution shown in FIG. 7 is an example in which a material obtained by depositing boron on silicon is used as a semiconductor material. Moreover, the funnel shown in FIG. 3 was used as the funnel, and the dropping was performed while the inside of the hopper was pressurized with helium at the time of dropping. As a result, most of the obtained spherical semiconductors were obtained with a diameter of about 300 to 500 μm. As described above, the spherical semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment can manufacture a large amount of spherical semiconductors having a small particle diameter.
<Embodiment 1 effect>

本実施形態の球状半導体の製造装置は、ホッパーにロートを設け、浮遊溶融した半導体材料を、ロート先端から少量ずつ滴下することで、粒径の小さい球状半導体を多量に製造することが可能となる。
<実施形態2>
<実施形態2 概要>
The spherical semiconductor manufacturing apparatus according to the present embodiment can manufacture a large amount of spherical semiconductors having a small particle diameter by providing a funnel in a hopper and dropping a floating and melted semiconductor material little by little from the tip of the funnel. .
<Embodiment 2>
<Overview of Embodiment 2>

本実施形態の球状半導体製造装置は、実施形態1にさらに半導体材料が過冷却状態で浮遊溶融するように制御可能な点に特徴を有する。過冷却状態は、極めて平静な、安定した状況で維持が可能である。従って、容器に接触せず浮遊状態は、過冷却状態を維持するには適した条件である。本実施形態の半導体製造装置では、溶融した半導体材料を過冷却状態とし、この過冷却状態の半導体材料を、ロート先端からドロップチューブへ滴下している。
<実施形態2 構成>
The spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment is characterized in that the semiconductor material can be further controlled to float and melt in a supercooled state in the first embodiment. The supercooled state can be maintained in a very calm and stable state. Therefore, the floating state without contacting the container is a suitable condition for maintaining the supercooled state. In the semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment, the molten semiconductor material is brought into a supercooled state, and this supercooled semiconductor material is dropped from the tip of the funnel onto the drop tube.
<Configuration of Embodiment 2>

本実施形態の球状半導体の製造装置は、装填される半導体材料が過冷却状態で浮遊溶融するように前記誘導加熱コイルに流す電流を制御する電流制御部を有する。   The spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment includes a current control unit that controls a current that flows through the induction heating coil so that a semiconductor material to be loaded is floated and melted in a supercooled state.

「電流制御部」では、ホッパー内に装填された半導体材料が過冷却状態で浮遊溶融するように、誘導加熱コイルに流す電流を制御する。   The “current control unit” controls the current flowing through the induction heating coil so that the semiconductor material loaded in the hopper is floated and melted in a supercooled state.

ここで、半導体材料を過冷却状態で浮遊溶融する利点について説明する。通常、溶融した半導体材料が凝固し固体となる場合、半導体材料を冷却雰囲気下に置くことで、半導体材料の外側から冷却が開始される。過冷却状態の半導体材料は、既に溶融した半導体材料が凝固する温度に冷却されている。このため、半導体材料は衝撃などの外部からのショックによって、瞬間的に凝固し結晶化する。つまり、半導体材料の外側から徐々に凝固するのではなく、短時間で凝固し結晶化するのである。   Here, an advantage of floating and melting a semiconductor material in a supercooled state will be described. Usually, when a molten semiconductor material is solidified to become a solid, cooling is started from the outside of the semiconductor material by placing the semiconductor material in a cooling atmosphere. The supercooled semiconductor material is cooled to a temperature at which the already melted semiconductor material solidifies. For this reason, the semiconductor material is instantaneously solidified and crystallized by an external shock such as an impact. That is, it does not gradually solidify from the outside of the semiconductor material, but solidifies and crystallizes in a short time.

このため、本実施形態の球状半導体の製造装置では、ホッパー内に装填された半導体材料が過冷却状態で浮遊溶融するように、誘導加熱コイルに流す電流を制御している。このように半導体材料を過冷却状態であるよう維持することで、過冷却状態の半導体材料をドロップチューブに滴下させることが可能となる。   For this reason, in the spherical semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment, the current flowing through the induction heating coil is controlled so that the semiconductor material loaded in the hopper is floated and melted in a supercooled state. By maintaining the semiconductor material in a supercooled state in this manner, the supercooled semiconductor material can be dropped onto the drop tube.

また、半導体材料を過冷却状態にした際に、半導体材料の凝固点から、どの程度下がった温度で過冷却状態を維持するか、つまり過冷度の大きさによって、得られる球状半導体の結晶状態を制御することが可能である。図8に半導体材料をシリコンとした際の冷却曲線を示した。図8の冷却曲線において、(a)は冷却速度を158K/sとし、過冷度を21Kとした場合で、(b)は冷却速度を58K/sとし、過冷度を70Kとした場合で、(c)は冷却速度を56K/sとし、過冷度を150Kとした場合である。このとき得られた球状半導体のX線回折測定結果を図9に示した。その結果、過冷度が増大するに従って、回折ピークが増え、多結晶化することがわかる。   In addition, when the semiconductor material is brought into a supercooled state, the crystal state of the obtained spherical semiconductor depends on the temperature at which the supercooled state is maintained at a temperature lower than the freezing point of the semiconductor material, that is, the degree of supercooling. It is possible to control. FIG. 8 shows a cooling curve when the semiconductor material is silicon. In the cooling curve of FIG. 8, (a) is the case where the cooling rate is 158 K / s and the degree of supercooling is 21 K, and (b) is the case where the cooling rate is 58 K / s and the degree of supercooling is 70 K. (C) shows a case where the cooling rate is 56 K / s and the degree of supercooling is 150 K. The X-ray diffraction measurement result of the spherical semiconductor obtained at this time is shown in FIG. As a result, it can be seen that as the degree of supercooling increases, diffraction peaks increase and polycrystallization occurs.

図10に製造された球状半導体のSEMによる表面形態の画像を示した。また図11には、製造された球状半導体の断面構造画像を示した。このように過冷度の違いにより、製造される球状半導体の表面状態や内面の結晶状態、亀裂などの欠陥などの状態が変化することがわかる。このように、過冷度の大きさを制御することで、目的にあった球状半導体を製造することが可能となる。   FIG. 10 shows an image of the surface morphology of the manufactured spherical semiconductor by SEM. FIG. 11 shows a cross-sectional structure image of the manufactured spherical semiconductor. Thus, it can be seen that the surface state of the spherical semiconductor to be manufactured, the crystal state of the inner surface, and the state of defects such as cracks change due to the difference in the degree of supercooling. In this way, by controlling the degree of supercooling, it is possible to manufacture a spherical semiconductor that meets the purpose.

本件発明の球状半導体の製造装置は、実施形態1に述べたように、ホッパーに設けられたロートから、浮遊溶融した半導体材料を滴下することで、小さな粒径の球状半導体を大量に製造することが可能である。また、本実施形態の球状半導体の製造装置では、ドロップチューブに滴下する半導体材料を過冷却状態で滴下する。前述のように、過冷却状態で溶融する半導体材料は、急速に結晶化し凝固する。このため、非過冷却状態で溶融している半導体材料を滴下して凝固させるのに必要な時間に比べて短時間で凝固させることが可能である。従って、本実施形態の球状半導体の製造装置では、凝固する時間を短くすることが可能であるため、ドロップチューブの長さを、非過冷却状態で滴下する装置に比べて短くすることが可能である。さらに、本実施形態の球状半導体の製造装置では、より小さい粒径の半導体材料がドロップチューブへ滴下されるため、凝固する速度が速く、よりドロップチューブの長さ、つまり自由落下する長さを短くすることが可能である。具体的には、半導体材料をシリコン材料として、滴下される過冷却状態に溶融されたシリコン材料の粒径が200μmから1400μmの場合、自由落下させる長さ、つまりドロップチューブの長さは略3m程度でよい。従来用いられている自由落下によって球状半導体を製造する装置の場合、自由落下させる長さは略10mから25m程度必要であったが、それに比べると、格段に短い長さで球状半導体を製造することが可能である。   As described in the first embodiment, the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present invention manufactures a large amount of spherical semiconductors having a small particle size by dropping a floating molten semiconductor material from a funnel provided in a hopper. Is possible. Moreover, in the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment, the semiconductor material dropped on the drop tube is dropped in a supercooled state. As described above, a semiconductor material that melts in a supercooled state rapidly crystallizes and solidifies. For this reason, it is possible to solidify in a short time compared with the time required for dripping and solidifying the molten semiconductor material in a non-supercooled state. Therefore, in the spherical semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment, the solidification time can be shortened, so that the length of the drop tube can be shortened compared to the apparatus that drops in a non-supercooled state. is there. Further, in the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment, a semiconductor material having a smaller particle diameter is dropped onto the drop tube, so that the solidification speed is fast, and the length of the drop tube, that is, the length of free fall is shortened. Is possible. Specifically, when the particle size of the silicon material melted in a supercooled state where the semiconductor material is a silicon material is 200 μm to 1400 μm, the length of the free fall, that is, the length of the drop tube is about 3 m. It's okay. In the case of a conventionally used apparatus for producing a spherical semiconductor by free fall, the length of free fall was required to be about 10 m to 25 m, but in comparison with that, producing a spherical semiconductor with a much shorter length. Is possible.

従って、本実施形態の球状半導体の製造装置は、従来の自由落下を用いた球状半導体製造装置に比べて格段にコンパクトな装置となる。
<実施形態2 効果>
Therefore, the spherical semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment is a much more compact apparatus than the conventional spherical semiconductor manufacturing apparatus using free fall.
<Embodiment 2 Effect>

本実施形態の球状半導体の製造装置は、過冷却状態の半導体材料を、ドロップチューブに滴下することで、非過冷却状態で溶融している同一半導体材料が冷却されて固体状態となるに必要な落下長よりも短い長さで構成される。従って、コンパクトな球状半導体の製造装置を提供することが可能となる。
<実施形態3>
<実施形態3 概要>
The spherical semiconductor manufacturing apparatus of this embodiment is necessary for cooling the same semiconductor material melted in a non-supercooled state to a solid state by dropping the supercooled semiconductor material onto a drop tube. The length is shorter than the drop length. Therefore, a compact spherical semiconductor manufacturing apparatus can be provided.
<Embodiment 3>
<Overview of Embodiment 3>

本実施形態は、球状半導体の製造方法である。本実施形態の球状半導体の製造方法は、浮遊溶融させた半導体材料を自由落下によって球状化する製造方法であって、溶融している半導体材料を、過冷却状態に維持し、この過冷却状態の半導体材料を、少量ずつ自由落下させることで、粒径の小さい球状半導体を大量に製造することが可能な製造方法である。
<実施形態3 構成>
The present embodiment is a method for manufacturing a spherical semiconductor. The spherical semiconductor manufacturing method of the present embodiment is a manufacturing method in which a floating and melted semiconductor material is spheroidized by free fall, and the molten semiconductor material is maintained in a supercooled state. This is a manufacturing method capable of manufacturing a large amount of a spherical semiconductor having a small particle diameter by allowing a semiconductor material to fall freely little by little.
<Configuration of Embodiment 3>

図12に本実施形態の球状半導体の製造方法を説明するためのフローチャートを示した。本実施形態の球状半導体の製造方法は、半導体材料表面に導電性材料を付着させる導電性材料付着ステップ(S1201)と、導電性材料付着ステップにて導電性材料が付着された半導体材料を電磁力によって浮遊させ、かつ浮遊状態で電磁誘導加熱することによりこれを溶融させる溶融ステップ(S1202)と、前記溶融ステップにて溶融したのち、溶融している半導体材料の温度を過冷却温度に保つ過冷却温度制御ステップ(S1203)と、前記過冷却温度制御ステップにて過冷却温度に制御されている半導体材料を半導体材料が冷却されて固体になるに十分な落下時間が確保できるように少量ずつ滴下する滴下ステップ(S1204)と、からなる。   FIG. 12 shows a flowchart for explaining the method of manufacturing a spherical semiconductor according to this embodiment. The spherical semiconductor manufacturing method of the present embodiment includes a conductive material attaching step (S1201) for attaching a conductive material to the surface of the semiconductor material, and a semiconductor material to which the conductive material is attached in the conductive material attaching step. A melting step (S1202) in which the molten semiconductor material is floated by electromagnetic induction heating in a floating state and melted in the melting step, and then the supercooling that keeps the temperature of the melted semiconductor material at the supercooling temperature The temperature control step (S1203) and the semiconductor material controlled to the supercooling temperature in the supercooling temperature control step are dropped little by little so as to ensure a sufficient drop time for the semiconductor material to cool and become solid. Dropping step (S1204).

「導電性材料付着ステップ」は、半導体材料表面に導電性材料を付着させるステップである。具体的には、例えば半導体材料としてシリコンを用いる場合、シリコン表面にホウ素や炭素などの導電性材料を真空蒸着によって蒸着させる。半導体材料の表面に導電性材料を蒸着させる理由は、シリコンの場合、後に示す溶融ステップにおいて浮遊させることが困難であるためという理由の他、半導体材料にドープさせる不純物を、半導体材料の表面に付着させることで、溶融ステップにおいて、半導体材料が溶融し、付着させた導電性材料が半導体材料と混合するからである。このように、表面に導電性材料を付着させることで、半導体材料に導電性材料を容易にドープさせることが可能となる。   The “conductive material deposition step” is a step of depositing a conductive material on the surface of the semiconductor material. Specifically, for example, when silicon is used as the semiconductor material, a conductive material such as boron or carbon is deposited on the silicon surface by vacuum deposition. The reason for depositing the conductive material on the surface of the semiconductor material is that, in the case of silicon, it is difficult to float in the melting step described later, and impurities to be doped on the semiconductor material are attached to the surface of the semiconductor material. This is because, in the melting step, the semiconductor material is melted and the deposited conductive material is mixed with the semiconductor material. Thus, by attaching a conductive material to the surface, it becomes possible to easily dope a semiconductor material with a conductive material.

「溶融ステップ」では、導電性材料が付着された半導体材料を、電磁力によって浮遊させ、さらに浮遊状態で電磁誘導加熱することで溶融させるステップである。この溶融ステップで、導電性材料と半導体材料が混合される。   In the “melting step”, the semiconductor material to which the conductive material is attached is floated by electromagnetic force, and further melted by electromagnetic induction heating in a floating state. In this melting step, the conductive material and the semiconductor material are mixed.

「温度制御ステップ」は、溶融した半導体材料を冷却し、半導体材料の温度を半導体材料の凝固点以下の温度、つまり過冷却温度に保つステップである。実施形態2に述べたように、このときの過冷度によって、製造される球状半導体の結晶状態を制御することが可能である。   The “temperature control step” is a step of cooling the melted semiconductor material and keeping the temperature of the semiconductor material at a temperature below the freezing point of the semiconductor material, that is, the supercooling temperature. As described in the second embodiment, it is possible to control the crystal state of the manufactured spherical semiconductor by the degree of supercooling at this time.

「滴下ステップ」は、過冷却状態にある半導体材料を、半導体材料が冷却されて固体になるために必要な落下時間が確保できるように少量ずつ滴下する。このとき、少量ずつ滴下することで、粒径の小さい球状半導体を大量に得ることが可能となる。また過冷却状態の半導体材料を滴下することで、半導体材料が冷却された固体になるまでの時間が短くすることが可能となる。さらに、滴下された半導体材料は、自由落下状態となるため、その溶融状態の半導体材料内部は、微少重力下におかれ、半導体材料に導電性材料が均一に分布される。
<実施形態3 効果>
In the “dropping step”, the semiconductor material in a supercooled state is dropped little by little so as to ensure a drop time required for the semiconductor material to be cooled and become a solid. At this time, it is possible to obtain a large amount of spherical semiconductors having a small particle diameter by dropping them little by little. Further, by dropping the supercooled semiconductor material, the time until the semiconductor material becomes a cooled solid can be shortened. Furthermore, since the dropped semiconductor material is in a free fall state, the inside of the molten semiconductor material is placed under microgravity, and the conductive material is uniformly distributed in the semiconductor material.
<Effect of Embodiment 3>

本実施形態の球状半導体の製造方法では、過冷却状態の半導体材料を、ドロップチューブで滴下することで、非過冷却状態で溶融している同一半導体材料が冷却されて固体状態となるに必要な落下長よりも短い長さで、半導体材料を凝固することが可能となり、コンパクトな球状半導体の製造装置にて球状半導体を製造することが可能となる。   In the method for manufacturing a spherical semiconductor according to the present embodiment, the semiconductor material in a supercooled state is dropped with a drop tube, so that the same semiconductor material melted in a non-supercooled state is cooled to become a solid state. The semiconductor material can be solidified with a length shorter than the drop length, and a spherical semiconductor can be manufactured with a compact spherical semiconductor manufacturing apparatus.

実施形態1の半導体の製造装置を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment. 実施形態1の半導体の製造装置を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment. 実施形態1の半導体の製造装置のロートの一例を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining an example of a funnel of the semiconductor manufacturing apparatus according to the first embodiment. 実施形態1の半導体の製造装置を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment. 実施形態1の半導体の製造装置を説明するための概念図Conceptual diagram for explaining the semiconductor manufacturing apparatus of the first embodiment. 実施形態1の半導体の製造装置によって得られた半導体の撮影画像Photographed image of semiconductor obtained by semiconductor manufacturing apparatus of embodiment 1 実施形態1の半導体の製造装置によって得られた半導体の粒径分布Particle size distribution of a semiconductor obtained by the semiconductor manufacturing apparatus of Embodiment 1 実施形態2の半導体の製造装置を説明するための概念図Schematic for demonstrating the semiconductor manufacturing apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の半導体の製造装置を説明するための概念図Schematic for demonstrating the semiconductor manufacturing apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の半導体の製造装置を説明するための概念図Schematic for demonstrating the semiconductor manufacturing apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施形態2の半導体の製造装置を説明するための概念図Schematic for demonstrating the semiconductor manufacturing apparatus of Embodiment 2. FIG. 実施形態3の半導体の製造方法のフローチャートFlowchart of Semiconductor Manufacturing Method of Embodiment 3

符号の説明Explanation of symbols

0101 ロート
0102 ホッパー
0103 誘導加熱コイル
0104 ドロップチューブ
0105 受容部
0101 Funnel 0102 Hopper 0103 Induction heating coil 0104 Drop tube 0105 Receiving part

Claims (6)

半導体材料を装填可能で、外からの電磁力によって浮遊状態で電磁誘導加熱溶融された半導体材料を少量ずつ滴下可能なロートを有するホッパーと、
前記電磁力を印加するためにホッパーの半導体装填領域を取り囲むように配置された誘導加熱コイルと、
ホッパーから滴下される溶融状態の半導体材料を冷却し球状化するためのドロップチューブと、
ドロップチューブ内を落下し冷却されて固体状態となった球状半導体を受けるための受容部と、
を有する球状半導体の製造装置。
A hopper having a funnel that can be loaded with a semiconductor material and can drop a small amount of semiconductor material that has been electromagnetically heated and melted in a floating state by electromagnetic force from the outside;
An induction heating coil arranged to surround a semiconductor loading region of the hopper to apply the electromagnetic force;
A drop tube for cooling and spheroidizing the molten semiconductor material dropped from the hopper;
A receiving part for receiving a spherical semiconductor that has fallen into the drop tube and cooled to a solid state;
A spherical semiconductor manufacturing apparatus.
前記誘導加熱コイルは、発生する電磁力によってホッパーのロート面と、溶融し滴下する半導体材料とが接触しにくくなる程度の電磁力を発生するように構成されている請求項1に記載の球状半導体の製造装置。   2. The spherical semiconductor according to claim 1, wherein the induction heating coil is configured to generate an electromagnetic force to an extent that the funnel surface of the hopper and the semiconductor material to be melted and dropped are hardly brought into contact by the generated electromagnetic force. Manufacturing equipment. 前記ホッパー内にて電磁誘導加熱溶融された半導体材料がロートから少量ずつ滴下するように、ホッパー内を加圧する不活性ガスを吹き出すための不活性ガス吹出部をさらに有する請求項1または2に記載の球状半導体の製造装置。   The inert gas blowing part for blowing out the inert gas which pressurizes the inside of a hopper so that the semiconductor material by which the electromagnetic induction heating fusion was carried out in the said hopper dripped little by little from a funnel is further provided. Spherical semiconductor manufacturing equipment. 装填される半導体材料が過冷却状態で浮遊溶融するように前記誘導加熱コイルに流す電流を制御する電流制御部をさらに有する請求項1から3のいずれか一に記載の球状半導体の製造装置。   The spherical semiconductor manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a current control unit that controls a current that flows through the induction heating coil so that a semiconductor material to be loaded is floated and melted in a supercooled state. 前記滴下された半導体材料が自由落下する落下長が、非過冷却状態で溶融している同一半導体材料が冷却されて固体状態となるに必要な落下長よりも短い長さであるようにドロップチューブが構成されている請求項1から4のいずれか一に記載の球状半導体の製造装置。   The drop tube is such that the dropped length of the dropped semiconductor material freely falls is shorter than the drop length required for the same semiconductor material melted in a non-supercooled state to be cooled to become a solid state. The manufacturing apparatus of the spherical semiconductor as described in any one of Claim 1 to 4 by which is comprised. 半導体材料表面に導電性材料を付着させる導電性材料付着ステップと、
導電性材料付着ステップにて導電性材料が付着された半導体材料を電磁力によって浮遊させ、かつ浮遊状態で電磁誘導加熱することによりこれを溶融させる溶融ステップと、
前記溶融ステップにて溶融したのち、溶融している半導体材料の温度を過冷却温度に保つ過冷却温度制御ステップと、
前記過冷却温度制御ステップにて過冷却温度に制御されている半導体材料を半導体材料が冷却されて固体になるに十分な落下時間が確保できるように少量ずつ滴下する滴下ステップと、
からなる球状半導体の製造方法。
A conductive material deposition step for depositing a conductive material on the surface of the semiconductor material;
A melting step of floating the semiconductor material to which the conductive material is adhered in the conductive material adhesion step by electromagnetic force, and melting the semiconductor material by electromagnetic induction heating in a floating state;
A supercooling temperature control step for maintaining the temperature of the molten semiconductor material at the supercooling temperature after melting in the melting step;
A dropping step of dropping the semiconductor material controlled to the supercooling temperature in the supercooling temperature control step by a small amount so that a sufficient dropping time can be secured for the semiconductor material to be cooled and become solid.
A method for producing a spherical semiconductor comprising:
JP2010543751A 2008-12-25 2008-12-25 Spherical semiconductor manufacturing equipment Pending JPWO2010073413A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2008/073948 WO2010073413A1 (en) 2008-12-25 2008-12-25 Apparatus for manufacturing spherical semiconductor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2010073413A1 true JPWO2010073413A1 (en) 2012-05-31

Family

ID=42287080

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010543751A Pending JPWO2010073413A1 (en) 2008-12-25 2008-12-25 Spherical semiconductor manufacturing equipment

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2010073413A1 (en)
WO (1) WO2010073413A1 (en)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4188177A (en) * 1977-02-07 1980-02-12 Texas Instruments Incorporated System for fabrication of semiconductor bodies
JP4475524B2 (en) * 2005-01-31 2010-06-09 富士機械製造株式会社 Granular silicon manufacturing method and manufacturing apparatus
JPWO2008047881A1 (en) * 2006-10-19 2010-02-25 京セラ株式会社 Crystal silicon particle manufacturing method and crystal silicon particle manufacturing apparatus
JP2008207984A (en) * 2007-02-26 2008-09-11 Kyocera Corp Method and apparatus for manufacturing crystalline silicon grain
JP4498394B2 (en) * 2007-07-25 2010-07-07 京セラ株式会社 Method for producing granular silicon single crystal

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010073413A1 (en) 2010-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6120602A (en) Method and apparatus for fabricating near spherical semiconductor single crystal particulate and the spherical product produced
JP5676900B2 (en) Method for producing polycrystalline silicon ingot
JP2020503240A (en) Crystal pulling system and method including crucible and conditioning member
JP3231244B2 (en) Method for producing spherical material made of inorganic material and apparatus for producing the same
US20100320638A1 (en) Device and method for producing crystalline bodies by directional solidification
JPH10158088A (en) Production of solid material and device therefor
JP2012506355A (en) Sheet removal from production equipment
JP6562525B2 (en) Single crystal manufacturing equipment
WO2010073413A1 (en) Apparatus for manufacturing spherical semiconductor
JP2015067489A (en) Production method for crystal
JP2002531374A (en) Single crystal processing by in-situ seed injection
JP2008239438A (en) Manufacturing process and manufacturing apparatus for spherical crystal
US7198672B2 (en) Drop tube type granular crystal producing device
JPWO2008047881A1 (en) Crystal silicon particle manufacturing method and crystal silicon particle manufacturing apparatus
JP4074931B2 (en) Silicon spherical body manufacturing method and manufacturing apparatus thereof
JP2006206368A (en) Method of and device for producing granular silicon
JP4817329B2 (en) Method and apparatus for producing spherical crystals
JPH0337181A (en) Production of big magnetostrictive alloy rod composed of rare earth metal and transition metal
CN1125199C (en) Method of mfg. single crystal and apparatus for mfg. single crystal
JP2011037668A (en) Method and apparatus for producing spherical silicon particle
JP2008207984A (en) Method and apparatus for manufacturing crystalline silicon grain
CN103903952B (en) Plasma etching apparatus silicon parts and its manufacture method
JP2008156203A (en) Crystal growing device
JP2005162609A (en) Method for producing silicon sphere and its production apparatus
JP3951009B2 (en) Manufacturing method of spherical semiconductor

Legal Events

Date Code Title Description
A072 Dismissal of procedure

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A073

Effective date: 20130508