(57)【要約】【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。
2010073413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【特許文献１】特開２００２−３４８１９４
【特許文献２】特開２００５−１６２６０９
【特許文献３】特開平１０−３３９６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
実施形態２は、主に請求項４、請求項５などに関する。【００１７】
実施形態３は、主に請求項６などに関する。【００１８】
＜実施形態１＞
＜実施形態１  概要＞【００１９】
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＞【００２０】
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。【００２１】
「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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
「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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
「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。【００３５】
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。【００３６】
「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。【００３７】
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＞【００３８】
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＞【００３９】
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＞【００４０】
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。【００４１】
「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。【００４２】
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。【００４３】
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。【００４４】
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。【００４５】
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。【００４６】
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。【００４７】
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＞【００４８】
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＞【００４９】
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＞【００５０】
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。【００５１】
「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。【００５２】
「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。【００５３】
「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。【００５４】
「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＞【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】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
【図２】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
【図３】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
【図４】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
【図５】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
【図６】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
【図７】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
【図８】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
【図９】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
【図１０】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
【図１１】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
【図１２】実施形態３の半導体の製造方法のフローチャート
【符号の説明】
【００５７】
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
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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