(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体インゴットの作製に伴う切断や加工の必要性がなく栓体作製に伴う歩留まりを向上できる生産性の高い半導体栓体の製造方法を提供する。【解決手段】半導体を溶融する坩堝の底部に形成された排出口を閉栓する前記半導体と同成分からなる半導体栓体の製造方法であって、予め坩堝などにより半導体原料８を溶融させ、その融液を所定の型１へと供給する第一工程と、前記半導体の融液を結晶化させる第二工程と、を備えた半導体栓体７の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を溶融する坩堝の底部に形成された排出口を閉栓する前記半導体と同成分からなる半導体栓体の製造方法であって、
前記半導体の融液を所定の型へと供給する第一工程と、
前記半導体の融液を結晶化させる第二工程と、
を備えた半導体栓体の製造方法。
【請求項２】
前記第一工程は、前記半導体の原料を前記型に供給し溶融する請求項１に記載の半導体栓体の製造方法。
【請求項３】
前記型の形状は、前記栓体が前記排出口の内径と合致するように成型した請求項１又は請求項２に記載の半導体栓体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坩堝の底部に形成された排出口を閉栓する栓体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は入射した光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。太陽電池のうち主要なものは使用材料の種類によって結晶系、アモルファス系、化合物系などの半導体に分類される。このうち、現在市場で流通している半導体のほとんどが結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池はさらに単結晶型、多結晶型に分類される。単結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質がよいために高効率化が容易であるという長所を有する反面、基板の製造コストが高いという短所を有する。これに対して多結晶型のシリコン太陽電池は基板の品質が劣るために高効率化が難しいという短所はあるものの、低コストで製造できるという長所がある。また、最近では多結晶シリコン基板の品質の向上やセル化技術の進歩により、研究レベルでは１８％程度の変換効率が達成されている。
【０００３】
一方、量産レベルの多結晶シリコン太陽電池は低コストであったため、従来から市場に流通してきたが、近年環境問題が取りざたされる中でさらに需要が増してきている。
【０００４】
多結晶シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は一般的にキャスティング法と呼ばれる方法で製造される。このキャスティング法とは、離型材を塗布した石英などからなる鋳型内のシリコン融液を結晶化させることによってシリコンインゴットを形成する方法である。このシリコンインゴットの端部を除去し所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコンブロックを所望の厚みにスライス加工して太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得る。
【０００５】
以下にシリコンをはじめとする半導体インゴットを製造する一般的な製造装置について図５を用いて説明する。図５において１１ａは溶融坩堝、１１ｂは保持坩堝、１２はノズル、１３は排出口、１４ａは上部加熱手段、１４ｂは側部加熱手段、１０７はシリコン栓体、１５は鋳型加熱手段、１６は鋳型を示す。
【０００６】
製造装置の上部にシリコン原料を溶融するための溶融坩堝１１ａが保持坩堝１１ｂに保持されて配置され、溶融坩堝１１ａと保持坩堝１１ｂの底部にはシリコン融液を排出するための排出口１３を有するノズル１２が設置される。また、溶融坩堝１１ａ、保持坩堝１１ｂの上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段１４ａ、側部加熱手段１４ｂが配置され、溶融坩堝１１ａ、保持坩堝１１ｂの下部にはシリコン融液が注ぎ込まれる鋳型１６が配置される。
【０００７】
図５で示される半導体インゴットの製造装置では溶融坩堝１１ａの底に排出口１３を有するノズル１２を設け、排出口を塞ぐシリコン栓体１０７であらかじめ排出口１３を塞いでおき、その上にシリコン原料を投入し、溶融坩堝１１ａの上部加熱手段１４ａと側部加熱手段１４ｂで溶融坩堝１１ａの上部のシリコン原料から下部のシリコン原料へ徐々に溶融して、最後に排出口１３を塞ぐシリコン栓体１０７を溶融させ、このノズル１２からシリコン融液を出湯させるように構成されている。このように溶融坩堝１１ａの上部から徐々にシリコン原料を溶融させ、シリコン原料が完全に融液となった瞬間に出湯が開始されることからシリコン原料溶融後の出湯を効率よく行なうことができる。また、溶融坩堝１１ａの底部から垂下するようにノズル１２を設けることにより、排出したシリコン融液の飛散を防止し、排出口を塞ぐシリコン栓体１０７は、最終的に溶融して融液となりシリコンインゴットの中に入るため、シリコン原料と同レベルの純度のものが用いられる。また、シリコン栓体１０７はノズル１２内部に嵌合させてもよい。
【０００８】
溶融坩堝１１ａから排出されたシリコン融液は、鋳型１６内で受け止めて、シリコン融液を底部から冷却して結晶化させた後、炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に炉外にシリコンインゴットを取り出して完了する。
【０００９】
（例えば、特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００３−２４７７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、排出口１３を塞ぐシリコン栓体１０７は、ＣＺ法などで作製された単結晶シリコンインゴットあるいはキャスティング法などで作製された多結晶インゴット、シリコンインゴットの原料に用いる多結晶もしくは単結晶シリコンの塊などを使用し、これらの塊を旋盤加工、研削加工、研磨加工もしくはこれらの組み合わせにより、所望の口径の柱に切断し、所望の厚みにスライスをし、さらに研磨加工をほどこして所望の形状に加工してシリコン栓体１０７を得る。そのため、シリコン原料の切削、加工工程が多いことにより手間とコストがかかったり、さらに加工工程が多いことに起因して作製中にひびや割れを生じて歩留まりが低下したりする問題があった。さらに、作製したシリコン栓体１０７の最適な形状が得られずに、例えば、シリコン栓体１０７がしっかりと排出口１３に嵌まらず、溶融坩堝１１ａ内のシリコン原料が完全に溶融する前に、一部形成されたシリコン融液が排出口１３から鋳型１６内に漏れ出したりするといった問題もあった。また、ノズル１２の内面が下方に向かってテーパ形状を有する場合は、シリコン栓体１０７も同様にノズル１２の内面形状に合わせてシリコン栓体１０７の側面をテーパ形状に加工する必要があるため、さらに手間がかかり、歩留りが低下した。
【００１１】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、半導体栓体の製造に伴う高コストと歩留まりの低下といった問題を解消した半導体栓体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る半導体栓体の製造方法は、半導体を溶融する坩堝の底部に形成された排出口を閉栓する前記半導体と同成分からなる半導体栓体の製造方法であって、前記半導体の融液を所定の型へと供給する第一工程と、前記半導体の融液を結晶化させる第二工程と、を備えるようにした。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る半導体栓体の製造方法は、請求項１に記載の半導体栓体の製造方法であって、前記第一工程は、前記半導体の原料を前記型に供給し溶融するようにした。
【００１４】
また、本発明の請求項３に係る半導体栓体の製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の半導体栓体の製造方法であって、前記型の形状は、前記栓体が前記排出口の内径と合致するように成型した。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように、本発明に係る半導体栓体の製造方法では、半導体を溶融する坩堝の底部に形成された排出口を閉栓する前記半導体と同成分からなる栓体の製造方法であって、前記半導体の融液を所定の型へと供給する第一工程と、前記半導体の融液を結晶化させる第二工程と、を備えるようにした。
【００１６】
この半導体栓体の製造方法によって、鋳造により求める栓体の形状を直接、しかも容易に作製できるので、従来のように切断や加工の必要性が無く、軽度の整形研磨のみを行なえばよいため、半導体インゴットの切断加工による手間やコストがかかるといった問題を抑制することができる。また、半導体栓体にするための切断や加工の必要性が無いため半導体原料を無駄なく利用でき、原料コストを最小限に抑え、さらに半導体栓体の作製に伴う歩留まりを向上させることが可能である。また半導体栓体の形状を変更する際、鋳型の形状を変更するだけでよいので、加工技術を必要とせず、工程の変更が極めて容易である。また、本発明にかかる半導体栓体は再び溶融されて鋳型へと排出されるため、１つの半導体栓体は小さく、さらに半導体栓体の結晶品質を考慮する必要もない。そして、半導体栓体にひびや割れが無ければよいため、半導体原料の溶融、半導体融液の結晶化を短時間で行なうことができ、生産性を高めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図５に、本発明に係る半導体栓体を備えた半導体インゴットの製造装置を示す。図５において、１１ａは溶融坩堝、１１ｂは保持坩堝、１２はノズル、１３は排出口、１４ａは上部加熱手段、１４ｂは側部加熱手段、７は本発明に係る排出口を塞ぐ半導体栓体、１５は鋳型加熱手段、１６は鋳型を示す。また、半導体原料としては太陽電池基板に多く用いられるシリコンが一般的に用いられる。
【００１９】
半導体インゴットの製造装置の上部に半導体原料を溶融するための溶融坩堝１１ａが保持坩堝１１ｂに保持されて配置され、溶融坩堝１１ａと保持坩堝１１ｂの底部には半導体融液を排出するための排出口１３を有するノズル１２が設置される。また、溶融坩堝１１ａ、保持坩堝１１ｂの上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段１４ａ、側部加熱手段１４ｂが配置され、溶融坩堝１１ａ、保持坩堝１１ｂの下部には半導体融液が注ぎ込まれる鋳型１６が配置される。溶融坩堝１１ａは耐熱性能と半導体融液中に不純物が拡散しないことなどを考慮して、例えば高純度の石英などが用いられる。保持坩堝１１ｂは石英などでできた溶融坩堝１１ａが半導体融点近傍の高温で軟化してその形状を保てなくなるため、これを保持するためのものであり、その材質はグラファイトなどが用いられる。上部加熱手段１４ａ、側部加熱手段１４ｂは、例えば抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。
【００２０】
上記の溶融坩堝１１ａ、保持坩堝１１ｂの下部に配置された鋳型１６は石英などからなり、その内側に窒化珪素などを主成分とする離型材（不図示）を塗布して用いられる。また、この鋳型１６の周りには抜熱を抑制するため鋳型断熱材（不図示）が設置される。鋳型断熱材は耐熱性、断熱性などを考慮してカーボン系の材質が一般的に用いられる。また、鋳型１６の下方には注湯された半導体融液を冷却して結晶化させるための冷却板（不図示）が設置される場合もある。なお、これらはすべて真空容器（不図示）内に配置される。
【００２１】
図５で示される製造装置では溶融坩堝１１ａの底に排出口１３を有するノズル１２を設け、排出口１３を塞ぐ半導体栓体７であらかじめ排出口１３を塞いでおき、その上に半導体原料を投入し、溶融坩堝１１ａの上部加熱手段１４ａと側部加熱手段１４ｂで溶融坩堝１１ａの上部の半導体原料から下部の半導体原料へ徐々に溶融して、最後に排出口１３を塞ぐ半導体栓体７を溶融させ、このノズル１２から出湯させるように構成されている。このように溶融坩堝１１ａの上部から徐々に半導体原料を溶融させ、半導体原料が完全に融液となった瞬間に半導体融液の排出が開始されることから、半導体原料溶融後の排出を効率よく行なうことができる。また、溶融坩堝１１ａの底部から垂下するようにノズル１２を設けることにより、排出した半導体融液の飛散を防止することができる。さらに、排出口１３を塞ぐ半導体栓体７は、最終的に溶融して半導体融液となり鋳型内の中に入りこむため、半導体原料と同レベルの純度のものが用いられる。また、半導体栓体７はノズル内部に嵌合させてもよい。
【００２２】
排出後は、鋳型内の半導体融液を底部から冷却して結晶化させた後、鋳造炉外に取り出せる温度まで温度制御しながら徐冷し、最終的に装置外に取り出して半導体インゴットが形成される。
【００２３】
図１に、本発明に係る半導体栓体の製造方法の第一の実施形態を示す。図１において、１は型、１ａは型の保持台、２は半導体原料、３ｃは半導体溶融時加熱部、３ｄは半導体凝固時加熱部、４は断熱材、５は型搬送手段、６は原料供給部、７は半導体栓体、８は坩堝を示す。
【００２４】
図１に示されるように、半導体を溶融する坩堝の底部に形成された排出口を坩堝で溶融する半導体と同成分からなる栓体の製造方法である。そして栓体を構成する半導体の融液を所定の型へと供給する第一工程と、前記半導体の融液を結晶化（凝固）させる第二工程と、を備えている。
【００２５】
本発明において同成分とは、例えば図５に示す製造装置の溶融坩堝１１ａで溶融する半導体がシリコンである場合、半導体栓体７もシリコンによって製作されることを指す。このとき、例えば半導体栓体７で使用される半導体原料２としては、従来例のようにシリコンであれば単結晶シリコンや多結晶シリコンでもよく、組合わせも自由に行なうことができる。さらに、溶融坩堝１１ａで溶融される半導体の原料をそのまま使用してもよい。
【００２６】
ここで、予め坩堝８などを使用し、半導体原料２を半導体溶融時加熱部３ａにより加熱溶融し、融液の状態としている。その後、型１へ半導体融液を供給し、半導体融液を結晶化させるので、型１はかなりの温度履歴を生じる。そこで、半導体の融液温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解などを生じず、半導体融液２内に不純物が拡散しないことを考慮して通常は、石英をはじめとする高純度の二酸化珪素を主成分とするものや、カーボン材またはセラミック材が好ましい。
【００２７】
型１は成形、あるいは板状材料からの削りだしによって作製される。型１の寸法は、所定の栓体７の形状によってそれぞれ異なるが、半導体原料２の溶融量は通常およそ１ｇ〜５０ｇの範囲に収まるような容量を備えていればよい。
【００２８】
さらに、型１の内側には作製された半導体栓体７と型１を離型させるためのコーティング材が施されたほうが好ましい（図不示）。このコーティング材には窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素など離型材として使用されるものが主に用いられる。
【００２９】
このように、上述して製作された半導体栓体７は、半導体鋳造装置の栓として使用され、再び溶融され半導体インゴットの原料となる。そして、本発明に係る半導体原料２は、半導体インゴットに用いられる半導体原料と同程度の成分からなる半導体原料２で製造されることが好ましい。また、半導体栓体の結晶性などは考慮しなくてもよいため、大量生産が可能となる。
【００３０】
半導体溶融時加熱部３ａ、半導体凝固時加熱部３ｂは抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル、あるいは赤外線ランプ加熱装置等からなり、型１の上部に設けられる。
【００３１】
断熱材４は半導体溶融時加熱部３ａにより半導体原料２が装入された型１を効率よく加熱する。また、半導体凝固時加熱部３ｂにより型１に装入された半導体融液が急激に温度低下することを防止する。また断熱材４は、外部との熱の出入りを規制し、上述した温度制御を効率よく行うことを可能にしている。
【００３２】
図１において、型搬送部５は型１を半導体融液供給部、凝固部へと運ぶものであり、例えば、複数本の搬送ロールにより型１が搬送される。また、半導体加熱部３によって、半導体原料２だけではなく、型１自体も高温になり、型搬送部５が劣化する可能性があるため、耐熱性のある部材、例えばグラファイト材からなる鋳型保持台１ａの上に型１を設置して鋳型保持台１ａと型搬送部５が当接するようにしたほうが好ましい。
【００３３】
次に、本発明の第一の実施形態に係る半導体栓体の製造方法を詳細に説明する。
【００３４】
まず、予め半導体溶融時加熱部３ａで半導体原料２を融液の状態とし保持した坩堝８によって型１に所定量の半導体融液が供給される。
【００３５】
そして、型搬送部５によって半導体融液を保持した型１は凝固部に運ばれ、半導体融液の表面を凝固させないように、半導体融液の表面を半導体凝固時加熱部３ｂで加熱しつつ、半導体融液を結晶化（凝固）させる。そして、結晶化後、半導体栓体の型１から取り出されて、半導体栓体７が形成される。
【００３６】
尚、これらは全て真空容器（図不示）内に設置される。
【００３７】
次に、本発明に係る第二の実施形態を説明する。
【００３８】
図２に、本発明に係る半導体栓体の作製に用いられる半導体栓体の製造方法の第二の実施形態を示す。図２において、１は型、１ａは型の保持台、２は半導体原料、３ａは半導体溶融時加熱部、３ｂは半導体凝固時加熱部、４は断熱材、５は型搬送部、６は原料供給部、７は半導体栓体を示す。
【００３９】
第二の実施形態に係る半導体栓体の製造方法では、図２に示されるように、原料供給部６によってまず半導体原料２が型１に供給される。原料供給部６は、所定量の半導体原料２を計測し、所定の型１に供給する機構を有している。その後、半導体溶融時加熱部３ｃによって型１の内部に供給された半導体原料２は溶融されて第一の実施形態と同様の第一工程である融液を供給された状態となる。
【００４０】
そして、第二工程では第一の実施形態と同様に、型搬送部５によって半導体融液を保持した型１は凝固部に運ばれ、急激な温度低下で半導体融液の表面を凝固し割れることを防止するため、半導体融液の表面を半導体凝固時加熱部３ｂで加熱しつつ、半導体融液を徐々に結晶化させる。そして、結晶化後、半導体栓体の型１から取り出されて、半導体栓体７が形成される。
【００４１】
尚、これらは全て真空容器（図不示）内に設置される。
【００４２】
本発明によれば、例えば上述した第一の実施形態や、第二の実施形態では、半導体栓体の型１、半導体溶融時加熱部（３ａ、３ｃ）、坩堝８などからなる簡易な半導体栓製造装置を用いて、鋳造により求める形状を有する半導体栓体７を直接的に作製するので、従来のように切断や加工の必要性が無く、軽度の整形研磨のみを行なえばよいため、切断加工による手間やコストがかかるといった問題が無い。また、切断や加工の必要性が無いため半導体原料２を無駄なく利用でき、原料コストが最小限に抑え、さらに半導体栓体７の作製に伴う歩留まりを向上させることが可能である。また半導体原料栓体７の形状を変更する際、半導体栓体の型１の形状を変更するだけでよいので、加工技術を必要とせず、工程の変更が極めて容易である。また、１つの半導体栓体７は小さく、さらに半導体栓体７の結晶品質を考慮する必要もなく、半導体栓体７にひびや割れが無ければよいため、半導体原料２の溶融、半導体融液の結晶化を短時間で行なうことができ、生産性を高めることが可能である。
【００４３】
さらに、本発明に係る型１の形状は、栓体が坩堝の底部に形成された排出口の内径と合致するように成型することが好ましい。
【００４４】
図４に本発明に係る半導体栓体の形状を示す概略断面構造図を示す。７ａ、７ｂ、７ｃは半導体栓体、１１ａは溶融坩堝、１２はノズル、１３は排出口である。
【００４５】
例えば、図４（ａ）や図４（ｂ）のように、栓体１の側面がテーパ形状である半導体栓体７ａ、７ｂを作製する場合、型１の内面にもテーパ形状を備えていれば、型１から半導体栓体７を抜きやすくでき、さらに従来行なっていた加工工程によってテーパ形状を作製するときに比べて、飛躍的に作製時間を短縮することができ、歩留りを向上させることができる。
【００４６】
また、図４（ｂ）のようにノズル１２の内径に合致したテーパ形状をとることによって、溶融坩堝１１ａ内で半導体原料を溶融し、融液とした場合であっても液漏れを十分に防ぐことが可能となる。
【００４７】
このように、半導体栓体７によって閉栓している排出口１３とは溶融坩堝１１ａによって溶融された半導体融液を流れ出るのを防止する部分を指し、ノズル１２一体型の溶融坩堝１１ａに限らず、例えば図４（ｃ）のようにノズル１１を有していない場合であっても、本発明の半導体栓体７を有効に使用することができる。また、図４（ｃ）に示す半導体栓体のように必ずしも半導体栓体７がテーパー形状を有している必要はない。
【００４８】
また、上述の説明ではインライン型の製造装置を用いて説明を行なったが、バッチ式の製造装置であっても構わない。
【００４９】
図３に、本発明に係る半導体栓体７の作製に用いられる製造装置の他の実施形態を示す。１は型、１ｂは型の開口部、２は半導体原料を示している。型１には、複数の半導体栓体７を作製できる複数の開口部１ｂを有している。そして、型１の開口部１ｂに半導体原料２を供給し、加熱手段により溶融し、溶融したシリコン融液を結晶化させることにより半導体栓体７が形成される。また、型１の開口部１ｂに予め坩堝内で溶融しておいた半導体融液を供給し、半導体融液を結晶化させてもよい。このようにして作製される半導体栓体７は、ひびや割れが無ければ問題がないため、厳密な加熱や冷却の制御を行なう必要がない。よって、半導体原料２を溶融工程と凝固させる工程により複数の半導体栓体７を一度に作製することができ、生産性を高めることが可能である。また、常に一定の形状を有した半導体栓体７を作製することが可能となる。そして、後に図５に示すような溶融坩堝１１ａの底部に設けられた排出口１３を閉栓する半導体栓体７として使用され、半導体インゴットを作製することができ、半導体栓体７に起因する歩留りの低下を抑えることができる。
【００５０】
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。
【００５１】
例えば、半導体栓体７を軽度の整形研磨することによっても、不純物が混入する可能性があるため、高精度な半導体インゴットを製作する場合においては、半導体栓体７を研磨加工した後に化学薬品によるエッチングや洗浄を適宜加えてもよい。
【００５２】
また、本発明の半導体栓体７の製造方法においては、半導体栓体の型１の上部から加熱していたが、側部からや底部から加熱してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る半導体栓体の製造方法における第一の実施形態を示す概略断面構造図である。
【図２】本発明に係る半導体栓体の製造方法における第二の実施形態を示す概略断面構造図である。
【図３】本発明に係る半導体栓体の製造方法における他の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る半導体栓体の形状を示す概略断面構造図である。
【図５】一般的な半導体鋳造装置の一実施形態を示す概略断面構造図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  ：型
１ａ：保持台
１ｂ：開口部
２  ：半導体原料
３  ：半導体原料加熱部
３ａ：本発明の第一の実施形態に係る半導体溶融時加熱部
３ｂ：本発明の第一の実施形態に係る半導体凝固時加熱部
３ｃ：本発明の第二の実施形態に係る半導体溶融時加熱部
３ｄ：本発明の第二の実施形態に係る半導体凝固時加熱部
４  ：断熱材
５  ：型搬送部
６  ：原料供給部
７  ：半導体栓体
８  ：坩堝
１１ａ：溶融坩堝
１１ｂ：保持坩堝
１２  ：ノズル
１３  ：排出口
１４ａ：上部加熱手段
１４ｂ：側部加熱手段
１５  ：鋳型加熱手段
１６  ：鋳型
１０７：従来のシリコン栓体
【図１】
2006275344.tif 000003
【図２】
2006275344.tif 000004
【図３】
2006275344.tif 000005
【図４】
2006275344.tif 000006
【図５】
2006275344.tif 000007