(57)【要約】  【課題】  加工コストを削減できる形状であるとともにノズル孔の詰まりを防止でき、またノズル孔の腐食防止、粒状結晶の平均粒径の安定化、粒状結晶の製造歩留まりの向上が達成されるノズルを用いた粒状結晶の製造装置を提供すること。  【解決手段】  粒状結晶の製造装置は、坩堝１のノズル５から結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造するものにおいて、ノズル５は、平板状の基体の坩堝１内側の面に突出部５ａが形成されているとともに突出部５ａの頂部から他方主面にかけてノズル孔６が形成されている。【選択図】  図３
2006151721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝のノズルから結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置において、前記ノズルは、平板状の基体の前記坩堝内側の面に突出部が形成されているとともに該突出部の頂部から他方主面にかけてノズル孔が形成されていることを特徴とする粒状結晶の製造装置。
【請求項２】
前記突出部は、前記ノズル孔の軸を中心軸とする円錐状、円錐台状、円柱状またはドーム状であることを特徴とする請求項１記載の粒状結晶の製造装置。
【請求項３】
前記ノズルは、前記ノズル孔が形成された複数の前記突出部が円周上に並ぶように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の粒状結晶の製造装置。
【請求項４】
前記ノズルは、前記基体の前記坩堝外側の面の前記突出部に対向する部位に他の突出部がその頂部に前記ノズル孔が開口するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の粒状結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換装置等に用いられるシリコン等の粒状結晶を製造するための粒状結晶の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコン等の半導体材料を用いた、太陽電池等用の光電変換装置に関して、高効率、量産性、低コストなどといった市場の要求に対応するための開発が多く進められてきている。それらの中でも、結晶シリコン系の光電変換装置が今のところ最も多く利用されており、さらにその中で将来有望な光電変換装置として粒状結晶シリコンを用いたものがある。
【０００３】
粒状結晶シリコン作製のための原料作製方法として、例えば結晶シリコンを粉砕する、あるいは流動床法で気相合成する方法等がある。そして、これら原料を素に赤外線照射や高周波誘導コイルを用いて原料を溶融し、ノズルから自由落下させるか、または圧力をかけて排出する等して粒状結晶シリコンを作製する。（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３を参照。）しかしながら、これらの方法では粒子径の均一化や不純物制御が難しい。
【０００４】
この問題を解決する方法としては次の方法が挙げられる。一定の純度となるように不純物等を調合したシリコンを坩堝の中で一旦溶融し、それを排出させると同時に空気中で粒子化する。この方法に用いる装置は、原料を溶融する坩堝本体にシリコン融液を外部に噴出し粒状結晶シリコンを形成する為のノズル孔を有している。このとき用いられる坩堝の材料としては、耐熱性と強度の要求から、一般に石英やグラファイトが用いられる。
【０００５】
しかし、原料を溶融する坩堝本体にノズル孔を形成する方法には次の問題がある。グラファイト、石英ともに、高温、高速のシリコン融液の噴出に伴いノズル孔の内径が拡大する。これは、生産性を向上させるために高速でシリコン粒子を製造する場合、シリコン融液の噴出部分であるノズル孔の内壁で発生する高い動摩擦によってノズル孔の壁面の腐食が進行した結果である。また、坩堝が石英製の場合、その温度がシリコンの融点に達すると軟化するため、シリコン融液を安定して噴出できるノズルの形状を維持することは困難である。
【０００６】
これら問題に対して、シリコンを溶融する坩堝本体にグラファイト焼結体、酸化アルミニウム質焼結体あるいは炭化珪素質焼結体などの高温における強度に優れ、かつ大きな形状に作製できるものを用い、坩堝の先端部に別の材料で設置したノズルにノズル孔を形成する構成が考えられる。このノズルの材料としては、炭化珪素、酸化アルミニウム、立方晶窒化ホウ素、あるいはダイヤモンドのような耐腐食性に優れたものを用いる。
【０００７】
上記構成のうち、特に坩堝本体の材質を製造コストと耐久性の観点からグラファイト焼結体とし、ノズルをＣＶＤ法で作製した炭化珪素の基板から成るものとした構成が、優れた耐久性を有する。ＣＶＤ法で作製した炭化珪素の基板の厚みは数ｍｍのものを得ることが可能である。従って、この厚みを活かして基板を任意形状に加工することができる。
【０００８】
また、ノズルの形状に関しては、化学繊維製造用のノズルやインクジェット用のノズルについて従来多くの報告がある。化学繊維製造用の代表的なノズル形状としては、図２に示すように、先端部の外形が円錐形の先細り（ロケット）状で、ノズル孔の断面形状が円錐状に徐々に先細りとなっている。これは、液体がノズル先端部10に到達する過程で乱流を発生させないように設計されたものである。なお、図２において、11は原料供給部、12ノズル孔である。
【特許文献１】国際公開第99／22048号パンフレット
【特許文献２】米国特許第4188177号明細書
【特許文献３】米国特許第6432330号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、シリコン融液を外部に噴射（ジェット）して粒状結晶シリコンを作製する方法においては、ノズルを形成する耐熱性材料はサファイア、炭化珪素、ダイヤモンド等のように難加工性材料でもあるため、平板状に加工するのは容易であるが、特殊な形状に加工すると非常にコストが嵩むという問題がある。特に、炭化珪素やダイヤモンドは硬度が大きいため、特殊形状に加工するためには高度な加工技術が必要である。
【００１０】
粒状結晶シリコンを用いた次世代太陽電池は、シリコン使用量を大幅に削減することによるコスト低減に主眼が置かれている。そのため、粒状結晶シリコンの製造コストを抑える観点からも、原材料コストに占める割合が大きい耐熱性材料から成るノズルを特殊形状に加工することは避ける必要がある。
【００１１】
そこで、ノズルの形状を円板状、角板状の平板状とし、これの両主面に対し垂直にレーザ光等を照射して貫通孔（ノズル孔）を開けたものを用いることが考えられる。この方法で貫通孔を形成した場合、坩堝の材料とシリコン融液との化学反応により発生するシリコン化合物粒子がノズル孔を塞ぐように堆積し付着してしまい、ノズル孔からシリコン融液を排出することが出来なくなってしまうという問題がある。
【００１２】
例えば、坩堝の材料にグラファイトを用いた場合、シリコン融液中で炭化珪素の微小粒子が多量に泳動し、シリコン融液をジェットする際にシリコン融液と共にノズル孔に炭化珪素が流れ着き、ノズル孔の内壁や平板状のノズルの上面のノズル孔開口の周囲を覆うように堆積し、ノズル孔を詰まらせてしまう。このノズル孔の詰り防止のために、ノズルの板厚を薄くすると、強度的に問題があり、割れを起こしたり、割れが起きない場合でも原因ははっきりしていないが詰まり易くなってしまうという問題がある。
【００１３】
このようなノズルを用いて粒状結晶シリコンを作製し、その粒状結晶シリコンを用いて太陽電池等の光電変換装置を作製すると、粒状結晶シリコンのバラツキが大きいため、そのバラツキが光電変換装置の製造歩留り低下に直結してしまうという問題がある。さらには、ノズル孔の腐食、詰りによるノズルの交換頻度の増大も生産性を低下させるという問題がある。
【００１４】
したがって、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて完成されてものであり、その目的は、加工コストを削減できる形状であるとともにノズル孔の詰まりを防止でき、またノズル孔の腐食防止、粒状結晶の平均粒径の安定化、粒状結晶の製造歩留まりの向上が達成されるノズルを用いた粒状結晶の製造装置を提供することである。また、従来のバルクシリコン型の光電変換装置等に比較して、シリコン等の半導体材料の使用量が少なくて済み、工業的価値の高い光電変換装置の製造を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の粒状結晶の製造装置は、坩堝のノズルから結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置において、前記ノズルは、平板状の基体の前記坩堝内側の面に突出部が形成されているとともに該突出部の頂部から他方主面にかけてノズル孔が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の粒状結晶の製造装置は好ましくは、前記突出部は、前記ノズル孔の軸を中心軸とする円錐状、円錐台状、円柱状またはドーム状であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の粒状結晶の製造装置は好ましくは、前記ノズルは、前記ノズル孔が形成された複数の前記突出部が円周上に並ぶように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の粒状結晶の製造装置は好ましくは、前記ノズルは、前記基体の前記坩堝外側の面の前記突出部に対向する部位に他の突出部がその頂部に前記ノズル孔が開口するように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の粒状結晶の製造装置によれば、坩堝のノズルから結晶材料の融液を粒状に排出して落下させるとともに、この粒状の融液を落下中に冷却して凝固させることによって粒状結晶を製造する粒状結晶の製造装置において、ノズルは、平板状の基体の坩堝内側の面に突出部が形成されているとともに突出部の頂部から他方主面にかけてノズル孔が形成されていることから、耐熱性材料で難加工材料から成るノズルを先細り状（ロケット状）等の特殊形状ではなく、平板状として使用できるので、ノズルの加工コストの大幅な削減が可能である。また、結晶材料の融液内生成粒子によるノズル孔の詰まりを防止でき、その結果、0.1ＭＰａ程度の弱い圧力で結晶材料の融液をジェットすることが可能となる。したがって、ノズル孔の腐食防止、粒状結晶の平均粒径の安定化、粒状結晶の製造歩留まりの向上が可能となることから、従来のバルクシリコン型光電変換装置等に比較してシリコン等の半導体材料の使用量が少なくて済み、工業的価値の高い光電変換装置の製造が可能となる。
【００２０】
また、本発明の粒状結晶の製造装置は好ましくは、突出部は、ノズル孔の軸を中心軸とする円錐状、円錐台状、円柱状またはドーム状であることから、ノズルの形状加工が容易であるとともに、突出部を形成することにより、ノズルの表面に沈殿した坩堝内の大きな異物が突出部の段差でとめられてノズル孔に至るのを阻止するため、ノズル孔へ異物を侵入させず、異物がノズル孔を塞ぐことを防ぐことができる。
【００２１】
また、本発明の粒状結晶の製造装置は好ましくは、ノズルは、ノズル孔が形成された複数の突出部が円周上に並ぶように形成されていることから、単体の突出部よりも外力に対して機械的強度が強くなり突出部が破損しにくくなるため、ノズルの取扱いを容易にすることができる。また、融液の吐出位置を等間隔にすることにより、吐出されたそれぞれの粒子がお互い混じり合わないように距離を設定することができる。
【００２２】
また、本発明の粒状結晶の製造装置は好ましくは、ノズルは、基体の坩堝外側の面の突出部に対向する部位に他の突出部がその頂部にノズル孔が開口するように形成されていることから、ノズルの坩堝外側の面が結晶材料の融液で濡れても、吐出される融液の液柱の径を安定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の製造装置を添付図面に基づいて以下に詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の製造装置としての粒状結晶シリコンの製造装置の実施の形態の例を示す断面図であり、１は坩堝、２は坩堝１の内壁部材、３は坩堝１の外壁部材、５はノズルである。
【００２５】
坩堝１の外壁部材３は、シリコンを溶融する温度1460℃付近での強度を考慮して、酸化アルミニウム、炭化珪素、グラファイト、窒化ホウ素、窒化珪素などで形成するのがよい。また、内壁部材２は、シリコン融液４に直接接触しているため、シリコン融液４との反応性が小さいことを考慮して炭化珪素やグラファイトなどで形成するのがよいが、加工のし易さやコストの点ではホットプレスで焼結したグラファイトから成るものがより好適である。
【００２６】
内壁部材２の下方の先端部にはノズル５が設けられている。つまり、筒状の坩堝１本体とは別体のノズル５を作製し、これを坩堝１本体の先端部内側に配設したものである。このノズル５は、炭化珪素、ダイヤモンド、酸化アルミニウム、立方晶窒化ホウ素などからなる。また、ノズル５はシリコン融液４を排出するためのノズル孔６を有しており、ノズル孔６は複数設けてもよい。ノズル孔６の加工は機械加工あるいはレーザ加工で行ない、ノズル孔の下端部の内径が例えば70±20μｍ程度の所定の値になるように加工する。
【００２７】
このような坩堝１は、内壁部材２、外壁部材３およびノズル５を、所定形状に加工し作製した後に、酸洗浄、水洗および乾燥を行ない、外壁部材３の貫通孔内側の底部の段差にノズル５を配置して、外壁部材３の貫通孔に内壁部材２を設置して組み立てる。
【００２８】
このように構成された坩堝１にシリコン原料を投入して誘導加熱または抵抗加熱ヒータでシリコン原料を溶融してシリコン融液４を形成する。シリコン融液４の上部を不活性ガスなどの気体で加圧して、ノズル孔６から粒状結晶シリコン８を押し出して噴出させる。粒状結晶シリコン８は落下中に凝固して単結晶シリコンまたは多結晶シリコンとなって容器９に収容される。
【００２９】
本発明において、ノズル５の突出部は、ノズル孔６の軸を中心軸とする円錐状（図３）、円錐台状（図５）、円柱状またはドーム状（図４）であることが好ましい。この場合、ノズル５の形状加工が容易である。また、坩堝１内で形成される大きな異物はノズル孔６を形成した平板状のノズル５の面上に沈殿し、融液がノズル孔６に流れ込むときに一緒に異物を引き寄せてノズル孔６を詰まらせていた。これを回避するため、本発明においては、突出部５ａは平板の面から立ち上がる段差を有しており、沈殿している異物をノズル孔６に寄せ付けないので、ノズル孔６を塞ぐような異物のノズル孔６への侵入を防ぐことができる。
【００３０】
また、ノズル５の突出部５ａがドーム状である場合、ドーム状とは上部が半球状、半回転楕円体状等の凸形の曲面状である形状である。
【００３１】
また、本発明において、ノズル５は、ノズル孔６が形成された複数の突出部５ａが円周上に並ぶように形成されていることが好ましい。この場合、単体の突出部５ａよりも外力に対して機械的強度が強くなり突出部５ａが破損しにくくなるため、ノズル５の取扱いを容易にすることができる。また、融液は吐出された後、分裂して粒状の融液となるが、吐出位置が近すぎるとそれぞれの粒状融液が衝突し合体し、異常に大きな粒子が形成されてしまう。このため、融液の吐出位置を円周上に等間隔にすることにより、吐出されたそれぞれの粒子がお互い混じり合わないように距離を設定することが容易となる。
【００３２】
また、本発明において、ノズル５は、基体の坩堝１外側の面の突出部５ａに対向する部位に他の突出部がその頂部にノズル孔６が開口するように形成されていることが好ましい。この場合、ノズル５の坩堝１外側の面が結晶材料の融液で濡れても、吐出される融液の液柱の径を安定化することができる。すなわち、ノズル５の坩堝１外側の面の突出部５ａに対向する部位に他の突出部がその頂部にノズル孔６が開口するように形成されていると、融液が外部に噴出される際に、平板状のノズル５の外側の面におけるノズル孔６開口の周囲に融液が表面張力によって濡れて付着することが発生しにくくなり、その結果、融液はノズル孔６の径に依存した太さの液柱となり、粒径が均一な粒状結晶が得られる。
【実施例】
【００３３】
本発明の粒状結晶の製造装置の実施例について以下に説明する。
【００３４】
図１に示すように、まずホットプレスで焼結したグラファイト素材を所定形状に加工して外壁部材３と内壁部材２を作製した。ノズル５は、ＣＶＤ法で作製した炭化珪素製の基材を用いて、厚さ1.5ｍｍの円板状の基体に加工した。次に、ノズル孔６の位置にブラスト研磨によって突出部５ａを基体の上下両主面に形成した。ノズル孔６および突出部５ａの位置は、円板状のノズル５の中心から同心円状に６個が等間隔に配置される位置とした。図６にノズル孔６の配置を示す。まず、円板状のノズル５の中心を取り囲む同心円上にノズル孔６を一個形成し、それに対して60°の角度間隔でノズル孔６をさらに５個設けて、計６個のノズル孔６を等間隔で形成した。
【００３５】
突出部５ａは、各ノズル孔６に対して１つずつ形成した。その断面形状は図５に示されるような円錐台状とした。ノズル５の厚みは1.0ｍｍ、突出部５の高さは上面側が0.3ｍｍ、下面側が0.2ｍｍであり、合わせて0.5ｍｍである。突出部５の軸上にレーザ光を照射するレーザ加工によりノズル孔６を形成した。ノズル孔６はレーザ加工条件を最適化することにより下側開口の直径が60μｍになるようにした。これらの部材を図１の構成となるように、坩堝１として組み立てた。
【００３６】
組み立てた坩堝１を不活性雰囲気（アルゴン）に維持された炉内にセットし、1460℃に昇温した。不活性雰囲気中で1460℃に維持された坩堝１へ、同じく不活性雰囲気に保たれた経路を通じてシリコン原料を供給し、完全に溶融させて溶融シリコン４を形成した。充分に溶融したシリコン融液４をアルゴンガスを用いて圧力0.1ＭＰａで加圧し、ノズル孔６より外部にジェットして粒状結晶シリコン８を得た。以上の手順を数回繰り返して多数の粒状結晶シリコン８を得た。このときのジェット回数に対する粒状結晶シリコン８の吐出の可否を表１に示す。吐出できたときは○、また詰まったときは概略の回数（ジェット回数の欄の値）を示した。
【表１】
2006151721.tif 000003
【００３７】
突出部５ａを形成しなかったノズルでは、10回程度で詰まりを起こしたが、突出部５ａを形成したノズル５では、多数回のジェット回数に対して吐出は安定しており、ノズル孔６の詰まりも発生せず、粒径の規格（400±100μｍ）に対して高い歩留まりが得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の粒状結晶の製造装置について実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】化学繊維製造用の代表的なノズルの形状を示す断面図である。
【図３】本発明の粒状結晶の製造装置におけるノズルの突出部を示す部分断面図である。
【図４】本発明の粒状結晶の製造装置におけるノズルの突出部を示す部分断面図である。
【図５】本発明の粒状結晶の製造装置におけるノズルの突出部を示す部分断面図である。
【図６】本発明の粒状結晶の製造装置におけるノズル孔の配置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１:坩堝
２:内壁部材
３:外壁部材
４:シリコン融液
５:ノズル
５ａ：突出部
６:ノズル孔
７:液柱
８:粒状結晶シリコン
９:容器
【図１】
2006151721.tif 000004
【図２】
2006151721.tif 000005
【図３】
2006151721.tif 000006
【図４】
2006151721.tif 000007
【図５】
2006151721.tif 000008
【図６】
2006151721.tif 000009