(57)【要約】  【課題】  汚染の問題や製造装置の高価格化・大型化の問題を発生することなく、大きな結晶粒の粒状シリコンを能率良く製造できるようにする。  【解決手段】  溶融ルツボ１２内で溶融したシリコン融液１５をノズル１６から線状に連続的に流れるように吐出させる。ノズル１６から線状に垂れるシリコン融液１５ａは、その表面張力と重力加速度とによって細断されて粒状化され、小径のシリコン融液滴１８となって降下管１７内を自由落下する。このシリコン融液滴１８は、落下中に放熱により冷却され、過冷却状態になって結晶核を生じる直前に障壁部材１９に衝突する。この衝突により、シリコン融液滴１８の表面の一箇所が局所冷却され、且つ、その局所冷却部分に衝撃力が加えられることで、シリコン融液滴１８に結晶核が形成され、この結晶核を起点として一方向に結晶成長して、大きな結晶粒の粒状シリコンが作られる。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融ルツボ内に収容したシリコン原料を加熱して溶融してシリコン融液を作り、該シリコン融液を、前記溶融ルツボの底部に設られたノズルより降下管内に吐出させることで、該降下管内で粒状化したシリコン融液滴を落下させ、その落下中に該シリコン融液滴を放熱により冷却することで結晶成長させて粒状シリコンを製造する粒状シリコンの製造方法において、
前記降下管内の所定の高さ位置に障壁部材を配置し、前記降下管内を落下するシリコン融液滴が結晶核を生じる直前に前記障壁部材に衝突することで、該シリコン融液滴に結晶核を形成し、該シリコン融液滴が該障壁部材の下方へ落下する過程で、該結晶核を起点として結晶成長させて粒状シリコンを製造することを特徴とする粒状シリコンの製造方法。
【請求項２】
前記障壁部材は、不純物含有量の少ない石英で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の粒状シリコンの製造方法。
【請求項３】
前記障壁部材は、前記シリコン融液滴が衝突する面が斜め下向きとなるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒状シリコンの製造方法。
【請求項４】
溶融ルツボ内に収容したシリコン原料を加熱して溶融してシリコン融液を作り、該シリコン融液を、前記溶融ルツボの底部に設られたノズルより降下管内に吐出させることで、該降下管内で粒状化したシリコン融液滴を落下させ、その落下中に該シリコン融液滴を放熱により冷却することで結晶成長させて粒状シリコンを製造する粒状シリコンの製造装置において、
前記降下管内の所定の高さ位置に、該降下管内を落下するシリコン融液滴が結晶核を生じる直前に衝突する障壁部材が配置されていることを特徴とする粒状シリコンの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒状化したシリコン融液滴を降下管内で落下させ、その落下中に該シリコン融液滴を放熱により冷却することで結晶成長させて粒状シリコンを製造する粒状シリコンの製造方法及び製造装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率発電が可能な太陽電池素子等として用いる粒状シリコンの新たな量産技術の開発が期待されている。従来の粒状シリコンの製造技術は、特許文献１（特開平１０−３３９６９号公報）や特許文献２（特開２００４−８８１号公報）に記載されているように、粒状化したシリコン融液滴を降下管内で落下させ、その落下中に該シリコン融液滴を放熱により冷却することで結晶成長させて粒状シリコンを製造するようにしている。この方法で製造する粒状シリコンは、結晶粒が大きくなるほど、品質が良くなるため、結晶粒を大きくする量産技術を開発することが最近の重要な研究課題となっている。
【０００３】
上述した特許文献１では、大きな結晶粒の粒状シリコンを製造するために、降下管にアフターヒータを設けて、降下管内を加熱することで、シリコン融液滴の凝固点付近の冷却温度勾配を緩やかにしてシリコン融液滴の内部の核形成割合を抑える方法が採用されている。しかし、この方法では、アフターヒータが必要になり、製造装置が高価格化するという欠点がある。
【０００４】
また、特許文献２に記載された第１の実施形態では、降下管内に熱伝導率の低いガスを充填したり、降下管内の雰囲気ガスの圧力を低下させることで、降下管内を落下するシリコン融液滴の放熱性を低下させて凝固点付近の冷却温度勾配を緩やかにするようにしている。しかし、この方法では、長大な降下管が必要となり、製造装置が大型化するという欠点がある。
【０００５】
そこで、特許文献２に記載された第２の実施形態では、降下管内の雰囲気中にシリコン微粉を浮遊させ、降下管内をシリコン融液滴が落下する過程で、該シリコン融液滴をシリコン微粉に衝突させることで、その衝突部分に結晶核を形成し、この結晶核を起点として結晶成長させて粒状シリコンを製造するようにしている。しかし、この方法では、シリコン微粉を製造する過程で不純物が混入したり、シリコン微粉の表面が酸化したりする可能性があり、汚染の問題が発生しやすく、粒状シリコンの製造品質に悪影響を及ぼす可能性がある。
【特許文献１】特開平１０−３３９６９号公報
【特許文献２】特開２００４−８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１，２の製造技術では、大きな結晶粒の粒状シリコンを製造するための製造装置が高価格化・大型化したり、汚染の問題が発生して、粒状シリコンの製造品質に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、汚染の問題や製造装置の高価格化・大型化の問題を発生することなく、大きな結晶粒の粒状シリコンを能率良く製造できる粒状シリコンの製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、溶融ルツボ内に収容したシリコン原料を加熱して溶融してシリコン融液を作り、該シリコン融液を、前記溶融ルツボの底部に設られたノズルより降下管内に吐出させることで、該降下管内で粒状化したシリコン融液滴を落下させ、その落下中に該シリコン融液滴を放熱により冷却することで結晶成長させて粒状シリコンを製造するものにおいて、前記降下管内の所定の高さ位置に障壁部材を配置し、前記降下管内を落下するシリコン融液滴が結晶核を生じる直前に前記障壁部材に衝突することで、該シリコン融液滴に結晶核を形成し、該シリコン融液滴が該障壁部材の下方へ落下する過程で、該結晶核を起点として結晶成長させて粒状シリコンを製造するようにしたものである。
【０００９】
要するに、本発明のように、降下管内を落下するシリコン融液滴が結晶核を生じる直前に障壁部材に衝突すると、シリコン融液滴の表面の一箇所が局所冷却され、且つ、その局所冷却部分に衝撃力が加えられる。この局所冷却と衝撃力の効果によってシリコン融液滴に強制的に１個又は少数の結晶核が形成され、該シリコン融液滴が該障壁部材の下方へ落下しながら放熱する過程で、該結晶核を起点として結晶成長して、大きな結晶粒の粒状シリコンが製造される。このようにすれば、粒状シリコンの結晶粒を大きくする手段として、シリコン融液滴の冷却温度勾配を緩やかにする手段（アフターヒータや降下管内の雰囲気調整）が必須の構成要件でなくなると共に、降下管内にシリコン微粉を浮遊させる必要がなくなり、汚染の問題や製造装置の高価格化・大型化の問題を発生することなく、大きな結晶粒の粒状シリコンを能率良く製造することができる。
【００１０】
この場合、シリコン融液滴が衝突する障壁部材は、不純物含有量が少なく、シリコン融液と反応しない材料、例えば、高純度石英（ＳｉＯ2 ）で形成すると良い。高純度石英で形成した障壁部材を用いれば、シリコン融液滴が障壁部材に衝突しても、シリコン融液滴の表面が汚染されることはない。更に、障壁部材を板状に形成すれば、障壁部材の汚染に対する管理も容易となる。
【００１１】
また、シリコン融液滴と障壁部材との衝突は１回だけ良く、２回以上衝突する必要はない。この点を考慮して、障壁部材を、シリコン融液滴が衝突する面が斜め下向きとなるように配置すると良い。このようにすれば、シリコン融液滴が障壁部材に衝突する回数を１回のみとすることが可能となると共に、障壁部材の傾斜角度（シリコン融液滴と障壁部材との衝突角度）を調整することで、シリコン融液滴に与える衝突時の衝撃力を容易に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した一実施例を説明する。まず、図１に基づいて粒状シリコン製造装置の構成を説明する。
【００１３】
溶融炉１１の内部には、シリコン原料を溶融する高純度石英製の溶融ルツボ１２が設けられ、この溶融ルツボ１２の外周囲は黒鉛円筒１３で囲まれ、更にその外側に高周波誘導加熱コイル等のヒータ１４が設けられている。このヒータ１４によって黒鉛円筒１３が約１５００℃程度に加熱されることで、その内側の溶融ルツボ１２が加熱されて、溶融ルツボ１２内のシリコン原料が溶融され、シリコン融液１５が作られる。
【００１４】
溶融ルツボ１２の底部には、シリコン融液１５ａを線状に連続的に吐出するためのノズル１６が下向きに設けられている。例えば、直径約１ｍｍの粒状シリコンを作製する場合は、ノズル１６の直径は０．３〜０．５ｍｍに設定すると良い。また、溶融ルツボ１２内のシリコン融液１５をノズル１６から押し出すための押し出しガス（アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス）が溶融ルツボ１２の上部側から供給され、この押し出しガスの圧力によってシリコン融液１５がノズル１６から線状に押し出されるようになっている。
【００１５】
この溶融ルツボ１２の下側には、降下管１７が鉛直下向きに設置されている。この降下管１７内には、雰囲気ガスとしてアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスが常温常圧又は低真空圧で充填されている。この場合、アルゴンとヘリウムでは、熱伝達係数が相違するので、落下中のシリコン融液滴１８の放熱による冷却速度に違いが生じる。従って、降下管１７内の雰囲気ガスとしてアルゴンとヘリウムを使い分けたり、両者の混合割合を調整することにより、シリコン融液滴１８の冷却速度を調整することができる。また、降下管１７内の雰囲気ガスの圧力（ガス密度）が低くなるほど、シリコン融液滴１８の放熱性が低下するため、降下管１７内の雰囲気ガスの圧力（ガス密度）を調整することにより、シリコン融液滴１８の冷却速度を調整することも可能である。
【００１６】
この降下管１７内の所定の高さ位置に、板状の障壁部材１９が配置されている。この障壁部材１９は、降下管１７内を落下するシリコン融液滴１８が結晶核を生じる直前に障壁部材１９に衝突するように配置され、例えば、ノズル１６から６００〜１２００ｍｍ下方の位置（シリコン融液滴１８の温度が融点付近になる位置）に障壁部材１９が配置されている。この障壁部材１９は、不純物含有量が少なく、シリコン融液と反応しない材料、例えば、溶融ルツボ１２と同じ材料である高純度石英で板状に形成されている。尚、障壁部材１９は板状のものに限定されず、要は、シリコン融液滴１８が衝突する面が平面になっていれば良く、それ以外の部分はどの様な形状になっていても良い。
【００１７】
更に、シリコン融液滴１８が障壁部材１９に衝突する回数を１回のみとするために、障壁部材１９は、シリコン融液滴１８が衝突する面が斜め下向きとなり、且つ、その先端付近（下端付近）にシリコン融液滴１８が衝突するように設置されている。また、シリコン融液滴１８と障壁部材１９との衝突角度が大きくなるほど、シリコン融液滴１８に与える衝突時の衝撃力が大きくなるため、シリコン融液滴１８と障壁部材１９との衝突角度（障壁部材１９の傾斜角度）を調整すれば、シリコン融液滴１８に与える衝突時の衝撃力を容易に調整することができる。一般的には、シリコン融液滴１８と障壁部材１９との衝突角度は、２０ｄｅｇ以下、好ましくは１０ｄｅｇ以下、より好ましくは３〜６ｄｅｇ程度に設定すると良い。
【００１８】
尚、図示はしないが、降下管１７の下端には、落下してくる粒状シリコンを回収する回収容器が設けられ、この回収容器内に粒状シリコンを冷却するための冷却油（シリコンオイル、焼き入れ油等）が貯溜されている。
【００１９】
次に、上記構成の粒状シリコン製造装置を用いて粒状シリコンを製造する方法を説明する。溶融ルツボ１２内に収容したシリコン原料をヒータ１４で加熱して溶融し、シリコン融液１５の温度が、融点より十分高くなった時点で、溶融ルツボ１２の上部側から微量の押出しガスを流し、溶融ルツボ１２の底部のノズル１６からシリコン融液１５ａを吐出させる。
【００２０】
この時、ノズル１６からシリコン融液１５ａを不連続に滴下させないで、線状に連続的に流れるように吐出させる。吐出した線状のシリコン融液１５ａは、降下管１７内を自由落下するが、その際に、重力加速度によって径が細くなり、最終的には、シリコン融液１５ａの表面張力と重力加速度とによって生じるシリコン融液１５ａの揺らぎによって細断されて粒状化され、小径のシリコン融液滴１８となって降下管１７内を自由落下する。
【００２１】
このシリコン融液滴１８は、落下中に放熱により冷却され、過冷却状態になって結晶核を生じる直前に障壁部材１９に衝突する。この衝突により、シリコン融液滴１８の表面の一箇所が局所冷却され、且つ、その局所冷却部分に衝撃力が加えられる。この局所冷却と衝撃力の効果によって、シリコン融液滴１８に強制的に１個又は少数の結晶核が形成され、該シリコン融液滴８が該障壁部材１９の下方へ落下しながら放熱する過程で、該結晶核を起点として一方向に結晶成長して、大きな結晶粒の粒状シリコンが作られ、回収容器内に回収される。
【００２２】
本発明者らの実験結果によれば、上述した本実施例の製造方法で、下記の実験条件で粒状シリコンを製造すると、３００〜５００μｍの大きな結晶粒の粒状シリコンを製造できることが確認された。
［実験条件］
障壁部材１９の位置……ノズル１６から６００〜１２００ｍｍ下方の位置
【００２３】
シリコン融液滴１８と障壁部材１９との衝突角度……３〜４ｄｅｇ
これに対して、障壁部材１９を持たない従来の製造方法では、製造する粒状シリコンの結晶粒が５０μｍ程度であり、本実施例と比較してかなり小さな結晶粒しか出来なかった。この理由は、シリコン融液滴１８が障壁部材１９に衝突しないと、降下管１７内を自由落下するシリコン融液滴１８が放熱によりある温度まで冷却された時点で、シリコン融液滴１８の多数の箇所でほぼ同時に結晶核が形成されて結晶成長するため、結晶粒が大きく成長できないものと推察される。
【００２４】
本実施例では、降下管１７内を落下するシリコン融液滴１８が放熱により温度低下して結晶核を生じる直前に障壁部材１９に衝突するようにしたので、その衝突による局所冷却と衝撃力の効果によって、シリコン融液滴１８に強制的に１個又は少数の結晶核を形成することができ、この結晶核を起点として結晶成長させて、大きな結晶粒の粒状シリコンを製造することができる。このため、粒状シリコンの結晶粒を大きくする手段として、シリコン融液滴の冷却温度勾配を緩やかにする手段（アフターヒータや降下管内の雰囲気調整）が必須の構成要件でなくなると共に、降下管１７内にシリコン微粉を浮遊させる必要がなくなり、汚染の問題や製造装置の高価格化・大型化の問題を発生することなく、大きな結晶粒の粒状シリコンを能率良く製造することができる。
【００２５】
但し、本発明は、補助的にアフターヒータや降下管１７内の雰囲気調整を用いることを排除するものではない。
その他、本発明は、障壁部材１９の形状・傾斜角度や降下管１７内の雰囲気状態を適宜変更しても良い等、種々変更して実施できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例を示す粒状シリコン製造装置の主要部の縦断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１…溶融炉、１２…溶融ルツボ、１３…黒鉛円筒、１４…ヒータ、１５，１５ａ…シリコン融液、１６…ノズル、１７…降下管、１８…シリコン融液滴、１９…障壁部材
【図１】
2006206368.tif 000003