(57)【要約】      （修正有）【課題】  多結晶または単結晶からなる小径のシリコン球状体を効率的に製造する方法および装置を提供する。【解決手段】  シリコン原料を溶融ルツボにおいて、該シリコン原料の融点と同一温度又はそれよりもより高い温度で加熱して溶融し、この溶融したシリコンを溶融ルツボの底部に設られたノズル穴より降下管２内に吐出させる。そして、吐出させた溶融シリコンを、降下管２内に充填した雰囲気ガス中で降下させながら放熱により結晶成長させてシリコン球状体に凝固させる。この際、降下管２内に充填した雰囲気ガスの圧力を調整することで、降下管２内を降下する溶融シリコンの冷却速度を調整して結晶成長速度を制御する。【選択図】  図１
2005162609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
降下管と、前記降下管の上端に取り付けられた溶解炉と、前記溶解炉内に設けられた溶融ルツボと、前記溶融ルツボを加熱する加熱部とを備えたシリコン球状体製造装置を使用し、
シリコン原料を前記溶融ルツボにおいて、該シリコン原料の融点と同一温度又はそれよりもより高い温度で加熱して溶融し、
前記溶融したシリコンを前記溶融ルツボの底部に設られたノズル穴より吐出させ、
前記吐出させた溶融シリコンを、前記降下管内に充填した雰囲気ガス中で降下させながら放熱により結晶成長させてシリコン球状体に凝固させてシリコン球状体を製造する方法であって、
前記降下管内に充填した雰囲気ガスの圧力を調整することで、前記降下管内を降下する前記溶融シリコンの冷却速度を調整して結晶成長速度を制御することを特徴とするシリコン球状体の製造方法。
【請求項２】
前記溶融ルツボの上端に押し出しガスを流し、前記溶融ルツボの内側と外側に、前記ノズル穴より前記溶融シリコンが線状に押し出されるように圧力差を設けることを特徴とする請求項１に記載のシリコン球状体の製造方法。
【請求項３】
底部にノズル穴を有する溶融ルツボを内蔵し、該溶融ルツボ内に収容したシリコン原料を加熱部で加熱して溶解する溶解炉と、
前記溶融ルツボの前記ノズル穴から吐出させた溶融シリコンを降下させながら放熱により結晶成長させてシリコン球状体に凝固させる降下管と、
前記降下管内に充填した雰囲気ガスの圧力を調整することで、前記降下管内を降下する前記溶融シリコンの冷却速度を調整して結晶成長速度を制御する雰囲気ガス圧力調整手段とを備えたことを特徴とするシリコン球状体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンの球状体の製造方法及びその製造装置に関し、特に多結晶もしくは単結晶からなる小径なシリコン球状体を量産するのに適したシリコン球状体の製造方法及びその製造装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
球面状の半導体基板上にセンサー、ソーラーセルなどを形成する、いわゆる球面半導体技術が近年提案され、ここ数年の間に製品化の段階にある。この球面半導体技術で重要となるシリコン球状体の作製方法の従来技術に関し、以下に述べる。
【０００３】
（１）シリコン基板上に設けた突起をレーザービーム等で溶解し、溶融シリコンの表面張力によって、シリコン球状体を形成する方法が、特許文献１（特開平７−１１８０９９号公報）に開示されている。
【０００４】
（２）また、作製するシリコン球状体と同量のシリコン片をガス流、電磁力等で浮遊させた状態で、プラズマ加熱、電磁浮遊加熱等で溶解した後、降下管内を自由落下させて表面張力によって溶融シリコンを液状化する方法が、特許文献２（特開平１０−３３９６９号公報）に開示されている。ここで、降下管にはアフターヒータが付いており、冷却速度をコントロールして単結晶化している。
【０００５】
（３）さらに別な技術として、溶解ルツボの底にあけた穴にオシレータを付けて、吐出ノズルを振動させながら溶融シリコンを吐出、細断し、降下管内を自由落下させて表面張力によって溶融シリコンを液状化する方法がある。これは、例えば、非特許文献１［Ball Semiconductor社発行資料（３２〜３９頁、１９９８年）］に開示されている。
【０００６】
（４）上記の他に、水やガスなどによって、滴下する溶融シリコンをアトマイズする方法、滴下する溶融シリコンを回転板にあてて、細粒化する方法、回転するシリコン棒の端面にレーザービーム等を照射して、端面の一部を溶解し吹き飛ばす方法が知られている。     
【特許文献１】特開平７−１１８０９９号公報
【特許文献２】特開平１０−３３９６９号公報
【非特許文献１】Ball Semiconductor社発行資料（３２〜３９頁、１９９８年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記（１）に記載された方法では、最後に基板と球状部を分離する必要があり、真空度が悪くなる問題があった。また、基板の加工および基板の再利用に問題があり、量産への適用が難しいという問題があった。
【０００８】
上記（２）の方法では、基本的にはシリコン球状体を１個ずつ作製する方法であり、生産性に問題があった。また、上記（４）に記載されたの方法では、アトマイズされる時に、溶融シリコンが急冷されて結晶化しにくいという問題があった。このように、従来技術では、量産を効率良く実施するには問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、多結晶または単結晶からなる小径のシリコン球状体を量産に適合するように、高いスループットを有し、効率的に製造するシリコン球状体の製造方法及びその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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、降下管と、前記降下管の上端に取り付けられた溶解炉と、前記溶解炉内に設けられた溶融ルツボと、前記溶融ルツボを加熱する加熱部とを備えたシリコン球状体製造装置を使用し、
シリコン原料を前記溶融ルツボにおいて、該シリコン原料の融点と同一温度又はそれよりもより高い温度で加熱して溶融し、
前記溶融したシリコンを前記溶融ルツボの底部に設られたノズル穴より吐出させ、
前記吐出させた溶融シリコンを、前記降下管内に充填した雰囲気ガス中で降下させながら放熱により結晶成長させてシリコン球状体に凝固させてシリコン球状体を製造する方法及びその製造装置であって、
前記降下管内に充填した雰囲気ガスの圧力を調整することで、前記降下管内を降下する前記溶融シリコンの冷却速度を調整して結晶成長速度を制御することを特徴とするものである。
【００１１】
シリコンの結晶成長において有用なファクターは、冷却速度である。シリコンの結晶成長過程では、最初に冷却される溶融シリコン中で核が形成され、この核を起点に結晶が成長していく。このため冷却速度により結晶状態に違いが出る。
【００１２】
本発明によれば、降下管内を降下する溶融シリコンの冷却速度ひいては結晶成長速度を雰囲気ガスの圧力調整によって制御することができて、シリコン球状体を多結晶にしたり、単結晶にしたりすることができる。
【００１３】
この場合、溶融ルツボの上端に押し出しガスを流し、溶融ルツボの内側と外側に、ノズル穴より溶融シリコンが線状に押し出されるように圧力差を設けるようにすると良い。これにより、ノズル穴より溶融シリコンを連続的に吐出させることができ、シリコン球状体を効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
最初に、本実施形態に適用するシリコン球状体を製造する要部である溶解炉について説明する。
【００１５】
図１に示すように、降下管２は、内径約１００ｍｍのサブ降下管３を多段に連結させ、全長約１２ｍの鉛直の降下管２と、降下管２の上端部に配置した溶解炉１と、降下管２の下端部に接続された回収容器４とから構成されている。
【００１６】
溶解炉１の内部には、溶融シリコン９を収納する溶融ルツボ１０が設けれ、溶融ルツボ１０の側面周辺は黒鉛円筒５で囲まれ、さらにその外側に高周波誘導加熱コイル６が配置されている。ここで、高周波出力は１０ｋＷであり、発振周波数を２０〜６０ｋＨｚとした。
なお、黒鉛円筒５は、高周波誘導加熱コイル６により加熱され、加熱部の温度は、約１５００℃の常温使用可能な装置である。
【００１７】
次に、図２に基づいて、溶解炉１内に設けられている溶融ルツボ１０および付属装置の構成を説明する。溶融ルツボ１０には、高純度石英が用いられている。この溶融ルツボ１０の底部にノズル７が取り付けられており、直径約１ｍｍのシリコン球を作製する際、そのノズル径は０．３〜０．５ｍｍである。
【００１８】
溶融シリコンは、溶融ルツボ１０の底部のノズル７より連続的に吐出される。
この場合、溶解炉１内部に充填する雰囲気ガスは、アルゴンまたはヘリウムの不活性ガスが用いられている。
不活性ガスは、溶解炉１全体と溶融ルツボ１０の両方に供給され、一方、押し出しガスは、溶融ルツボ１０内部のみに供給される。
【００１９】
溶解炉１全体あるいは降下管２側と溶融ルツボ１０内部は、溶解炉１内で同圧弁を開いて、溶解炉１全体あるいは降下管２側と溶融ルツボ１０内部を不活性ガスによって同圧状態に保っている。溶融シリコンの吐出には、この同圧弁を閉じて溶融ルツボ１０内部を密閉状態にした後に、溶融ルツボ１０内部に押し出しガス系統から押し出しガスが供給される。
【００２０】
次に、シリコンの球状体結晶を製造する方法について説明する。
まず、底にφ０．３〜０．５ｍｍのノズル７を有する溶融ルツボ１０でシリコン原料を加熱して融解し、シリコン溶液の温度が、融点より十分高くなった時点で、溶融ルツボ１０上部から微量の押出しガスを流し、溶融ルツボ１０の底部に設けたノズル７から溶融シリコンを吐出させる。
【００２１】
この時、溶融シリコン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。吐出した線状の溶融シリコンは、溶解炉１下方に配置された降下管２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、溶融シリコンの表面張力によって細断されて球状になり、凝固する。
【００２２】
降下管２には、雰囲気ガスとしてアルゴンまたはヘリウムが充填されている。アルゴンとヘリウムでは熱の伝達係数が違うので、降下中の溶融シリコン温度の放熱に違いが生じ、降下管２の雰囲気ガスとして両者を使用い分けることにより、溶融シリコンの冷却速度を変化させることが出来る。あるいは、降下管２内の雰囲気ガスの圧力を調整することにより、冷却速度を変化させることも可能である。この結果、溶融シリコンの結晶成長速度に差が生じ、シリコン球状体が多結晶にしたり、単結晶にしたりすることができる。
なお、降下管２には、アフターヒータが配備されており、溶融シリコンの冷却速度を補助的にコントロールする機能がある。
【００２３】
凝固したシリコン球は、降下管２下端に設けた回収容器４内の冷却油に回収される。ここで、冷却油としては、シリコンオイルまたは焼き入れ油を用いているが、これに拘らず、揮発性、蒸気圧が低く、シリコンに悪影響を及ぼさない油であれば他のものでも構わない。  上記の溶解、吐出、球状化、凝固および回収の各工程は、溶解炉１、降下管２および回収容器４内を真空または不活性ガス雰囲気にして行われる。
【００２４】
次に、本第１の実施形態の実施例を具体的に説明する。
まず、溶融ルツボ１０内にシリコン１００ｇを入れ、シリコン溶解温度である１４２０℃で溶解した。この時、経過時間が約６０分で、シリコンのメルトダウンが完了し、７０分程度で吐出が開始した。なお、炉内雰囲気はアルゴンまたはヘリウムとし、約１ｍｍ径のシリコン球を作成するためのノズル７の径は０．３〜０．５ｍｍとした。
【００２５】
また、図４に示すように、溶融ルツボ１０下部では溶融シリコンがノズル７より線状に吐出し、降下管２を降下した溶融シリコンは、降下管２の下端に設けられた回収容器４の冷却油内では細かい粒になっていることが観察された。
【００２６】
溶解炉１の下端に、溶融したシリコンを吐出する小径のノズル７が設けられている。溶融ルツボ１０内に不活性ガスにより圧力をかけることにより、そのノズル７より溶融シリコンが押出される。
【００２７】
このように作製されたシリコン球状体の径は、ノズル７の径に応じて、その大きさが決定された。ノズル７の径を０．３ｍｍから０．５ｍｍへと大きくするにつれて、シリコンボールの平均径も徐々に大きくなる。この様子を、図５に示す。なお、ノズル７の径を細くすると溶融シリコンが吐出しにくくなる傾向が見られるが、溶融温度を高くすることによって細いノズル７の径であっても溶融シリコンが良好に吐出することがわかった。
【００２８】
ところで、シリコンの結晶成長では冷却速度により、結晶状態に違いが現れる。そこで、本実施例では、冷却速度を変化させるために、降下管雰囲気として熱伝達係数の違うアルゴンまたはヘリウムを使用した。
【００２９】
図６に、時間毎の降下中のシリコンの温度変化を、アルゴンとヘリウムをパラメータとして求めた結果を示す。この図より、アルゴン雰囲気では、シリコンの温度変化は、ヘリウムに比べ小さいことが分かる。
【００３０】
次に、結晶粒径を大きくするために、溶融シリコンの吐出温度を融点温度よりも十分高くして吐出を行った。試料温度１５６０℃で吐出して作製したシリコン球状体と、１４２０℃で吐出し、作製したシリコン球状体との断面を比較すると、前者の結晶粒径が後者の１．５倍程大きくなっていた。
【００３１】
この理由は、シリコンの融点よりも高い温度で吐出することにより、ノズル７から吐出された溶融シリコンが冷却されて結晶化する過程で、融点付近での状態の時間が長くなり、結晶成長の時間が長くなったためと考えられる。
つまり、吐出するシリコンの温度を融点温度よりも高くして吐出を行うことで著しい効果が得られることが分かる。
【００３２】
以上説明したシリコン球状体の製造方法及びその製造装置によれば、降下管２内に充填した雰囲気ガスの圧力を調整することで、降下管２内を降下する溶融シリコンの冷却速度を調整して結晶成長速度を制御する機能を備えているので、雰囲気ガスの圧力調整によってシリコン球状体を多結晶にしたり、単結晶にしたりすることができ、高い歩留まりで小径のシリコン球状体を確実に製造できる。
【００３３】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。最初に第２の実施形態に適用するシリコン球状体を製造する製造装置について図７を基にして説明するが、図示されるように、第２の実施の形態に適用する製造装置は、図１に示した実施形態の製造装置に加えて、降下管２の内部の雰囲気中にシリコンの粉末を供給するシリコン粉末供給装置としての煙状シリコン生成装置２０を追加したものであり、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。よって、図１に示した実施形態と同じ構成については説明を省略する。
【００３４】
煙状シリコン生成装置２０は、その内部にシリコンの粉末Ｓが堆積された容器状の本体２１と、本体２１に雰囲気ガスを導入する導入管２２と、本体２１の内部に設けられシリコンの粉末を攪拌して煙状シリコンを生成する攪拌手段２３と、本体２３と降下管２の上端部とを接続し、生成された煙状シリコンを降下管２に噴出する噴出管２４とを備えて構成される。
【００３５】
導入管２２から導入される雰囲気ガスは、降下管２と同じアルゴンまたはヘリウムであり、生成した煙状シリコンを降下管２に噴出できる程度の圧力で本体２１に導入される。
シリコンの粉末は、例えば径が２〜１０μｍ程度の大きさであり、攪拌手段２３によって煙状にされてから降下管２に噴出されるまで煙状を維持できる程度の微粒子であることが望ましいが、これに限られることはなく、より径の大きい粒子であっても適用可能である。
攪拌手段２３は、プロペラ状や団扇状の攪拌羽根部を駆動して、シリコン粉末Ｓを煙状にするものであり、周知の様々な形態が適用可能である。
【００３６】
次に、本第２の実施形態のシリコンの球状体結晶を製造する方法について説明するが、先に説明した図１に示した装置で行われる第１の実施形態と同様の工程については、説明を簡略化又は省略する。
【００３７】
まず、第１の実施形態と同様に、溶融ルツボ１０内でシリコンを溶解し溶融ルツボ１０の底にあるノズル７から溶融シリコンを吐出させ、降下管２内を自由落下させる。すると、落下する溶融シリコンは重力加速度によって序々に径が細くなり、溶融シリコンの表面張力によって細断されて球状の滴となる。
【００３８】
その際、降下管２の上端部には煙状シリコン生成装置２０の噴出管２４が接続されているので、細断された直後の溶融シリコンの滴は、溶融状態のまま噴出管２４から噴出された煙状シリコンを含む雰囲気ガス中に浸される。
【００３９】
すると、溶融シリコンの滴は、溶融状態のまま雰囲気ガス中のシリコン粉末と接触するが、これにより溶融シリコンはシリコン粉末との接触箇所から急速に冷却され、降下管２内の落下中に凝固する。凝固したシリコン球は、降下管２下端に設けた回収容器４内の冷却油に回収される。
【００４０】
以下に、本第２の実施形態の実施例を具体的に説明する。
まず、溶融ルツボ１０内にシリコン１００ｇを入れ、溶融シリコンの吐出温度を融点温度よりも十分に高い１５６０℃で溶解した。この時、経過時間が約６０分で、シリコンのメルトダウンが完了し、７０分程度で吐出が開始した。なお、炉内雰囲気ガスはアルゴンまたはヘリウムとし、約１ｍｍ径のシリコン球を作成するためのノズル７の径は０．３〜０．５ｍｍとした。
【００４１】
その結果、第１の実施形態における実施例と同様に、溶融ルツボ１０下部では溶融シリコンがノズルより線状に吐出し、降下管２を降下した溶融シリコンは、降下管２の下端に設けられた回収容器４の冷却油内では細かい粒になっていることが観察され、生成された球状シリコンの結晶粒径は、３００〜５００μｍとなった。上述した第１の実施形態における実施例においては、球状シリコンの結晶粒径は５０〜１００μｍ程度であり、これと比較して結晶粒径の大きい球状シリコンを得ることができた。
【００４２】
このような良好な結果が得られたのは、溶融シリコンに接触するシリコン粉末が凝固する際の結晶化の核として作用するためと考えられる。すなわち、第１の実施の形態のように、溶融シリコンの滴を低温の雰囲気ガスに浸して凝固させる場合は、滴は雰囲気ガスとの熱伝導によって冷却されるため、滴の雰囲気ガスと接触する箇所は無数に存在し、これらが全て結晶の核として結晶成長するのであるが、溶融シリコンと接触するシリコン粉末が核として作用するのであれば、結晶の核の数を少なくすることができ、その結果、少数の結晶数又は単結晶で結晶粒自体は大きく成長したシリコン球状体が得られると考えられる。
【００４３】
なお、シリコン粉末が結晶化の核となり得る理由は次の（１）又は（２）の何れかであると考えられる。
（１）溶融ルツボ１０から降下管２に落下した溶融シリコンの滴が過冷却の状態にあるとすると、雰囲気ガス中のシリコン粉末が接触すれば、その接触箇所が溶融シリコンの滴に外乱を及ぼして瞬時に凝固する。つまり、シリコン粉末は過冷却状態の溶融シリコンに外乱を及ぼす要因であるため、結晶化の核とみなせる。
【００４４】
（２）溶融シリコンとシリコン粉末間の熱伝導率は溶融シリコンと雰囲気間の熱伝導率よりも高いため、溶融シリコンのシリコン粉末と接触する箇所は他の雰囲気ガスと接触する部分に比べて急速に冷却されて凝固する。つまり、シリコン粉末との接触箇所を基点として結晶化がなされるのであるから、結晶化の核とみなせる。
【００４５】
なお、第２の実施形態の実施例においては、第１の実施形態の実施例と同様に、溶融シリコンの吐出温度を融点温度よりも十分に高い１５６０℃として、極めて良好な結果を得たが、これに限られることはなく、例えば、従来技術と同様に溶融シリコンの吐出温度を溶解温度である１４２０℃としても良い。
【００４６】
本発明によれば、多結晶もしくは単結晶からなる小径なシリコン球状体を歩留まり良く、効率的に生産する製造方法及び製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態に用いる溶解炉の概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に用いる溶解炉の要部を示す図である。
【図３】従来の滴下法による結晶球体の形成過程を示す図である。
【図４】本発明による結晶球体の形成過程を示す図である（線状法）。
【図５】本発明による溶融ルツボ低部のノズル径とボール径との関係を示す図である。
【図６】降下中のシリコン温度と降下時間との関係を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に用いる溶解炉の概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…溶解炉、２…降下管、３…サブ降下管、４…回収容器、５…黒鉛円筒、６…誘導加熱コイル、７…ノズル、８…吐出された溶融シリコン、９…溶融シリコン、１０…溶融ルツボ、１１…滴下法により吐出された溶融シリコン、１２…線状法により吐出された溶融シリコン、２０…煙状シリコン生成装置、２１…煙状シリコン生成装置の本体、２２…導入管、２３…攪拌手段、２４…噴出管。
【図１】
2005162609.tif 000003
【図２】
2005162609.tif 000004
【図３】
2005162609.tif 000005
【図４】
2005162609.tif 000006
【図５】
2005162609.tif 000007
【図６】
2005162609.tif 000008
【図７】
2005162609.tif 000009