(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体材料塊を耐火物層の上に互いに離間して形成する工程と、
前記半導体原料を少なくとも部分的に融解させかつ半導体粒子を形成するのに充分なエネルギを有した光学的エネルギを、前記複数の半導体原料の塊へ向ける工程とを備えることを特徴とする、半導体粒子の形成方法。
【請求項２】
平方センチメートルあたり約４００Ｗないし６００Ｗのフラックス密度を有した前記光学的エネルギを向ける工程を更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項３】
コンベア媒体の上に前記耐火物層を形成する工程と、前記コンベア媒体を進ませて、前記半導体原料塊を、前記光学的エネルギを通って進ませる工程とを更に備えることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項４】
前記コンベア媒体を毎分約６．１メートルないし９．１メートルの速度で進める工程を備えることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項５】
前記コンベア媒体の上にシリカの層を前記耐火物層として形成する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第３項または第４項に記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項６】
前記半導体原料としてシリコンを利用する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項７】
前記半導体原料としてドープしたものを利用する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項８】
約１ミリメートルの厚さの前記シリカの層を形成する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第５項ないし第７項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項９】
テンプレートを利用して前記半導体原料塊を形成する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１０】
光学的アーク炉を利用して、前記半導体原料塊に前記光学的エネルギを向けかつ該エネルギの焦点を該塊へ合わせる工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１１】
前記シリカの耐火物層から前記半導体粒子を分離する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１２】
前記半導体粒子からの分離の後に前記シリカの耐火物層を収集し、前記シリカの耐火物層を再処理する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１３】
前記光学的エネルギを前記半導体原料塊に向けたときに前記半導体原料塊の回りから周囲空気を一掃する工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１２項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１４】
前記半導体原料塊を全て溶融させるに充分なエネルギの前記光学的エネルギを向ける工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１３項のいずれかに記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１５】
前記半導体原料塊が溶融しかつ前記半導体粒子を一般的には球状に形成するように、前記光学的エネルギを向ける工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の半導体粒子の形成方法。
【請求項１６】
複数の半導体原料塊を耐火物層の上に互いに離間して形成するための手段と、
前記複数の半導体原料塊に光学的エネルギを向けて前記半導体原料塊を少なくとも部分的に融解させかつ半導体粒子を形成する手段と
を備えることを特徴とする、半導体粒子の形成装置。
【請求項１７】
前記光学的エネルギを向ける手段を通過させて、前記耐火物層および前記半導体原料塊を進めるコンベア媒体を更に備えることを特徴とする請求の範囲第１６項に記載の半導体粒子の形成装置。
【請求項１８】
前記光学的エネルギを向ける手段は、光学的アーク炉を備えることを特徴とする請求の範囲第１６項または第１７項に記載の半導体粒子の形成装置。
【請求項１９】
前記耐火物層から前記半導体粒子を分離するための手段を更に備えることを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第１８項のいずれかに記載の半導体粒子の形成装置。
【請求項２０】
前記半導体原料を形成する手段はテンプレートを備えることを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第１９項のいずれかに記載の半導体粒子の形成装置。
【請求項２１】
前記耐火物層はシリカを備えることを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第２０項のいずれかに記載の半導体粒子の形成装置。
【請求項２２】
前記半導体原料は、シリコン、ゲルマニウムまたはガリウム砒素を備えることを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第２１項のいずれかに記載の半導体粒子の形成装置。
【請求項２３】
前記半導体原料はドープ材料を備えることを特徴とする請求の範囲第１６項ないし第２２項のいずれかに記載の半導体粒子の形成装置。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、一般的には光起電性の太陽電池アレイに関し、特に、太陽電池アレイに用いられ、質量が均一な半導体の球状体を効率的に製造する方法および装置に関する。
発明の背景
太陽電池は、太陽の太陽エネルギを有用な電気エネルギに変換する光起電性デバイスである。太陽電池は、典型的には、光反射性のアルミニウム箔に埋設されたドープ半導体球状体のマトリックスまたはアレイを備えている。半導体材料は、典型的にはシリコンを備える。その様な太陽電池の一つは、ホッチキス氏に対して付与され、本願と同一の譲受人へ譲渡された米国特許第５，０２８，５４６号「箔接触点を備えた太陽電池の製造方法」に開示されている。これらの太陽電池は、典型的には、シリコンの球状粒子を備えた透明なマトリックスから構成されている。各々の粒子は、一側のマトリックス面に露出したｐ領域と他側のマトリックス面へ延びるｎ領域とを有している。光の光子がシリコン球体に衝突したときに電気的エネルギが発生して、２つの導電領域の間の空乏領域を横切る電子を誘起する。
本分野では、多数の半導体の球体製造方法が知られている。理想的な太陽電池アレイでは、半導体の球体は、シリコンなどの純粋半導体材料から構成され、均一の質量を有し、結晶性で形状が球状であり、太陽エネルギから電気エネルギへの変換効率が高く、自動化装置により大量生産されるようなものである。理想的なシリコン球体は、直径が約３０ミル（１ミル＝２５．４ミクロン）で、１０％を上回るエネルギ効率を実現し、僅かな融解サイクルの間に球状形状にされる。
レヴィン氏に付与された米国特許第５０６９７４０号の教示を本願明細書中に文献として援用するものであるが、この米国特許に開示されているように、従来公知のシリコン球体製造方法の一つは、先ず、ふるいを用いて、不規則形状の冶金学グレード（metallurgical grade）のシリコン粒子をサイズ毎に分離する。所望の寸法範囲内の粒子は、シリコンの融点よりも高温で作動する抵抗加熱式の対流型平炉により融解される。シリコン粒子を大気中で加熱しても良く、これにより、融解プロセス中に粒子表面に二酸化ケイ素表皮を形成しつつ、シリコンの表面張力によって粒子が球状化される。これらの粒子の冷却を制御して球状の結晶性粒子を得る。従来公知の研磨を使用し、またはＨＦ溶液などを用いた化学的エッチング法を使用して、二酸化ケイ素表皮が除去される。加熱、冷却の繰り返しによって、ボロンなどの不純物がシリコンから二酸化ケイ素表皮へ追い出される。従って、粒子を繰り返して加熱、冷却することは、より純粋なシリコン球体を得る助けになる。
シリコンの粒子およびパウダを融解するための抵抗加熱炉は、処理能力および搬送能力の双方において制約がある。この種の炉は、熱をシリコンに直接に結合するものではない。この結果、シリコンおよびその下側の耐火材料ならびに搬送トレイをシリコンの融点まで加熱する必要が生じる。このため、エネルギ効率が低下するばかりでなく、その結果としてシリコン融点への到達遅れによる事前酸化が生じる。事前酸化は二酸化ケイ素の成長をもたらす。シリコン材料の事前酸化によって、シリコンパウダから溶融粒子への変換の効率が低下すると共に、シリコンが二酸化ケイ素により覆われるので質量分布が広くなる。二酸化ケイ素は溶融粒子への付着を阻害する。一酸化シリコンが形成されると、全体としてのシリコン産出量が減少する。ウォーキングビーム式平炉は、温度調節および搬送調節に関連して大きな制約がある。
その他の均一質量シリコン球体製造方法は、ノズルまたは回転ディスクからの溶融純粋シリコンのショッティング（shotting）を含む。この様にして形成される球体は、形状が非常に不規則であり、多結晶性である。球体は、材料を融点よりも高温へ再加熱した後に上述のように材料を可制御的に冷却するなどのその他のプロセスにより、後で結晶化することができる。
米国特許第４，６３７，８５５号には、その他の結晶性シリコン球体製造方法が開示されている。シリコン球体は、シリコン融点を越える温度での結合性を維持可能する基板表面に冶金学グレードのシリコンのスラリーを塗布することにより製造される。
次に、シリコンスラリー層をパターン成形して、冶金学グレードのシリコンの領域を設ける。そして、基板およびシリコンスラリーをシリコン融点よりも高温へ加熱する。シリコンがビードとしてスラリーから表面へ比較的純粋なシリコンとして上昇し、シリコンの高い表面張力または結合力によりシリコン球体が形成される。次に、球体は、シリコン融点よりも低温へ制御的に冷却され、シリコン球体が結晶化される。
幾人かの執筆者（すなわち、ドイツ国ミュンヒェンのジーメンス・アー・ゲー社）が過去に公刊した報告によれば、融解シリコンパウダへ集中光を用いて連続モードで多結晶性シリコンリボンを形成する試みがなされている。これらのプロセスの全ては、パウダを固めた後に個々に固められたシートを融解させるべく、各側を多数回にわたって加熱する必要がある。溶融シリコンの表面張力によりシートが小さい溶融粒子へ分断されるので、シートを充分に融解させることは不可能であった。更に、毎分数センチメートルを上回る生産量は、秩序ある多結晶性構造のための要件を満たさないので、達成不能である。連続した多結晶性リボンの製造にあたっては高い生産能力を得ることができるとは考えられておらず、先の試みではいずれも低フラックス装置が用いられた。
エネルギ変換効率が高い太陽電池を実現するべく、半導体球体を高純度材料で構成する必要がある。冶金学グレードまたは半導体グレードのシリコンからスタートすることにより、最終的には、高純度のシリコン球体を得ることはできる。しかしながら、出発材料の不純物が多いほど、最終的に高純度のシリコン球体を得るには、より多くの後続の純化プロセスが必要になる。また、追加の融解・不純物除去サイクルを含む純化プロセスは時間がかかり、相当量のエネルギを要し、全体としてのシリコン産出量が少なくなる。出発材料のコストに対して上記の考察をバランスさせる必要がある。冶金学グレードのシリコン原料に比べて、半導体グレードのシリコン原料のコストは高価である。しかしながら、規格外の半導体グレードのシリコン原料のコストは、冶金学グレードのシリコン原料のコストに匹敵するもので、不純物除去の必要がなくなる。
上記に相互参照した係属中の関連特許出願に開示されているように、耐火物層の上にパウダ原料を均一質量の塊として計量供給することにより、均一質量の半導体粒子を得ることができる。そして、半導体原料塊を一時的に融解させて、均一質量の統合化された半導体粒子を得る。シリカは好適な耐火物層であり、溶融過程後に半導体粒子を耐火物層から分離可能である。この独創的な計量プロセスは、自動化されたプロセス制御装置にて実施するのが望ましい。ここで、プロセスパラメータは正確に制御可能であり、事前酸化を殆どまたは全く生じることなしに、エネルギ変換効率および均一質量のシリコン球体の生産量の向上を図れる。
発明の概要
本発明は、高エネルギ光学炉を実装して、集束された高強度の光を複数の半導体パウダ原料塊へ向けて、これらの塊を殆ど瞬時に効率的に溶融させる。これにより、如何なる酸化物の成長をも阻止し、下側の耐火物層および搬送面への熱損失量を制限する。
光学炉は、半導体パウダ原料塊がベルトコンベアによって光学炉の下方を通過する間に半導体パウダ原料塊を殆ど瞬時に融解させ、原料を迅速に凝固させ一つの溶融粒子を形成する。下側に配される反射性の耐火基板を用いて、この光は、シリコンに直接に結合される。シリコン粒子は、基板に対するよりも互いの濡れが良く、変換性が向上する。原料は、部分的または全体的に融解可能で、結晶性または多結晶性粒子へ冷却され、次いで、その下側の、パウダ状または粒状の耐火物層から分離される。その後に、球状性および結晶性を向上するべく再融解を実施しても良い。好ましくは、係属中の相互参照特許出願の手法によるテンプレートを用いて、半導体原料塊は計量供給されて均一質量の列にされる。この種の炉は、電力レベルおよび搬送速度をオンラインで迅速に調節可能である。
本発明の好適な実施形態による方法は、離間された複数の半導体原料塊を反射性の耐火物層の上で形成することを含む。充分な強度である高強度の光学的エネルギが、複数の半導体原料塊へ向けられる。光学的エネルギは、半導体原料を少なくとも部分的に融解しかつ一つの半導体粒子を形成する時間にわたって持続する。好ましくは、耐火物層は、ベルトコンベア上に広がったパウダ化されたシリカの薄い層を備える。この耐火物層は、光学炉で半導体原料塊と共に進行する。シリコン塊に対して光学的エネルギの焦点を合わせると、耐火物層中に熱を発生させることは殆どない。好ましくは、光は、平方センチメートルあたり約４００Ｗないし６００Ｗのフラックス密度を有し、コンベア媒体は毎分約２０フィート（毎分６．１メートル）ないし毎分３０フィート（毎分９．１メートル）の速度で進行する。この好適形態では、カナダ国、ブリティッシュコロンビア、バンクーバのボーテック・インダストリーズ・リミテッドが製造しているような、楕円形反射室を備えた高エネルギ光学炉を用いている。
シリカ耐火物層は、好ましくは、約１ミリメートルの厚さを有している。コンベア媒体は、好ましくは、光学炉中でかつ分離ステーションに向けて、シリカ耐火物層および半導体原料塊を支持すると共に進行させる連続ベルトである。分離ステーションでは、シリカ耐火物層から溶融半導体粒子が分離され、半導体粒子は一つの貯蔵部に収集されて後使用のために戻される。角度付きロッドスクリーン、振動スクリーン、空気サイクロンなどの、種々の分離装置を使用可能である。
上記の好適形態において、光学エネルギが原料塊に向けられているとき、周囲空気は光学炉から及び半導体原料塊の回りから一掃され、殆ど瞬時の融解の間の半導体材料での酸化物の成長が抑制される。好ましくは、焦点を合わせた光学エネルギは、半導体原料塊の全てを溶融させるのに足るエネルギであって、溶融半導体材料は殆ど球状になる。
本発明の好適形態による装置は、耐火物層と、離間した半導体原料塊を耐火物層上で形成するための機構とを含む。この好適形態において、上記の機構は、耐火物層上で半導体パウダ原料の均一質量塊を形成するためのテンプレートを含む。高エネルギ光学炉が設けられ、光学エネルギが複数の半導体パウダ原料塊に向けられると共に、これに光学エネルギの焦点が合わされる。光学炉は、充分な光エネルギを向けて、少なくとも部分的に半導体原料塊を融解・溶融させる。該塊は、半導体粒子を形成する。ベルトコンベアは、耐火物層およびその上の半導体原料塊を、溶融のため、光学炉へ進めるためのコンベア媒体として利用される。半導体原料は、好ましくは、半導体グレードのシリコンを備える。但し、必要ならば、冶金学グレードのものであっても良い。更に、所要生産量に応じて、ドープシリコン原料または非ドープシリコン原料を利用可能である。その他の、ゲルマニウム、ガリウム砒素化合物を含む半導体原料材料、および、その他の周知の半導体材料も使用可能である。窒素ガスまたはアルゴンガスは、光学炉から半導体原料塊の回りの雰囲気を溶融・融解中に一掃するために利用される。溶融／融解は殆ど瞬時であり、その後、半導体粒子は殆ど瞬時に凝固する。耐火物層には殆ど熱は供給されない。半導体原料のパウダまたは粒状物同士の濡れは、耐火物層との濡れよりも良好である。一掃された雰囲気では、半導体粒子内に酸化物層がとどまることはない。
耐火物層上の一点に向けられかつ焦点を合わされ、従って、半導体原料塊が耐火物層を通過する間に半導体原料塊に向けられかつ焦点を合わされた光学エネルギによれば、僅か１ミリメートルの深さのシリカ耐火物層で充分であり、耐火物層を支持するコンベアベルトは、エネルギを殆どまたは全く受けることがなく、冷却されたままである。すなわち、光学エネルギは、半導体原料塊の温度を摂氏約１，４５０度まで一時的に上昇させるのに充分である。コンベア表面での温度は摂氏１００度よりも低い。好適形態では、コンベアベルトは、高分子（すなわち、ファイバグラス織布上のシリコン）からなる。但し、耐火物層が晒される温度により加熱されたときに嵩高にならないような硬質ゴムまたは金属でコンベアベルトを構成可能である。好適形態では、半導体原料塊は、約０．２秒の間に室温から約摂氏１，４５０度まで加熱される。光学エネルギは、半導体原料塊を殆ど瞬時に溶融し、その後、半導体粒子は殆ど瞬時に凝固する。塊中には、シリコンの融点温度を上回る温度に維持するに足る熱が存在しないからである。
【図面の簡単な説明】
図１は、パウダ化された半導体原料の均一質量塊を溶融するための、本発明の好適形態による高エネルギ光学炉を含む装置の立面図である。
図２は、半導体原料塊を少なくとも部分的に融解させるための、好適な光学炉フラックス密度を、コンベアベルト速度の関数で示すグラフである。
好適形態の説明
図１を参照すると、高純度半導体粒子を形成するための、本発明の好適形態による自動化された大量生産装置は、符号１０により一般的に示されている。左から右に見て、装置１０は、シリカ（二酸化ケイ素）などのパウダ化された耐火物材料を含む計量分配貯蔵部１２を含み、回転する無端コンベアベルト１６上にシリカ１４を均一に計量分配して均一厚さの耐火物層１８を形成する。コンベアベルト１６は、一対の両側の駆動ホイール２０により進められ調節される。図示のように、各ホイールは、コンベア１６の各端に配されている。符号２２により一般的に示すローディング部では、テンプレート２４が自動的または手動で利用されて、シリコンのような半導体パウダ状原料２６の均一質量の塊が計量分配される。半導体グレードのシリコン原料２６を使用するのが好ましい。但し、必要であれば、冶金学グレードの原料を使用可能である。更に、所要生産量に応じて、ドープシリコン原料または非ドープシリコン原料を使用できる。
高エネルギの光学アーク炉３０が図示されている。アーク炉は、コンベアベルト１６の中央部に位置づけられ、また、アークランプ３２を含んでいる。光学炉３０は、好ましくは、カナダ国ブリティッシュ・コロンビア、バンクーバのボーテックス・インダストリーズ・リミテッドにより製造されるアーク炉により構成される。図１中、矢印で示すように、ランプ３２の高強度光学エネルギは楕円形内壁３４で反射されて、耐火物層１８の上面に定めた単一点に向けられる。結果として、半導体原料の塊が進行されるときに、光学エネルギの焦点は塊に合わされる。
パラボリック状またはＵ字状の内壁のような、その他の形状の反射壁３４を使用可能であることが予期される。現状では、高生産性のシリコン溶融プロセス用に充分なフラックス密度を提供するその他の技術が存しないので、ボーテックス・インダストリーズ社により製造される光学炉が好ましい。炉３０の受端３８および出口端４０は、耐火物層１８の表面から上方へ約１センチメートルだけ離間され、半導体原料２６の塊が炉の下方で進行可能で、また、溶融して統合する半導体粒子４２を形成可能である。装置１０の先端には、耐火部部層収集貯蔵部４６と半導体粒子収集貯蔵部４８とが存する。耐火物層１８の落下流の直前では、アングル付きのロッドスクリーン５０が図示のように方向づけられている。このスクリーンは、耐火物層１８から一体化した半導体粒子４２をすくい取り、図示のように、粒子４２を収集貯蔵部４８へ向ける。
好適形態において、耐火物層１８は、好ましくは１ミリメートルの深さを有している。開口の配列（図示略）はテンプレート２４を延びている。ローディング部２２において、パウダ化された半導体原料が開口に充填される。耐火物層１８からテンプレート２４が取り除かれる前に、ドクタ・ブレーディングなどにより、上面が平滑されて余剰のパウダ原料が除去され、半導体原料塊２６が形成される。必要ならば、テンプレート２４による塊２６の計量プロセスは自動化可能である。
光学炉３０は中央室５４を有している。溶融プロセス中、ダクト５６を介して、窒素またはアルゴンなどの不活性ガスを室５４へ導入することにより、室５４から雰囲気空気を一掃可能である。従って、半導体原料塊２６が殆ど瞬時に溶融される間、雰囲気不純物は存在せず、半導体原料塊２６を溶融して統合半導体粒状体４２を形成する間に雰囲気不純物が半導体塊２６中に侵入することはない。従来の対流炉において、その室内の雰囲気を一掃することは本分野では周知であり、本発明に開示の光学炉に対しても同様に適用可能である。溶融される半導体原料塊２６の回りの雰囲気を一掃することにより、および、塊２６上に光エネルギの焦点をあわせることにより、半導体原料パウダのグレインに濡れが生じて、互いに容易に融合する。不純物（酸素を含む）を除去することにより、粒子４２の表面にはシリコン酸化物は形成されず、また、半導体材料のすべてが一つの粒子の形成に転化される。従って、研磨や、ＨＦなどの酸性溶液を用いた化学的処理などによる清浄化のための後処理は不要である。
図２のグラフを参照すると、コンベア１６の進行速度が毎分２０ないし３０フィート（毎分６．１メートルないし９．１メートル）である場合での光学炉３０の好適な動作フラックス密度は４００〜６００Ｗ／ｃｍ２であることが分かる。ベルト速度が遅いほど、半導体原料２６の塊を少なくとも部分的に融解させるための、炉の所要フラックス密度は小さくなる。好適形態では、コンベア速度が毎分約３０フィートの場合での最大フラックス密度は約６００Ｗ／ｃｍ２である。上記は本発明に対して好適なパラメータであるが、これらの速度またはフラックス密度に限定されるものではなく、塊の融解の望ましい完了および複数の半導体塊間の融解の望ましい均一性に応じて、その他のパラメータを選択できる。本発明の一つの特徴は、光学的フラックス密度およびベルト速度を含むプロセスパラメータを、ウォームアップ時間を要することなく、殆ど瞬時に変化可能または設定可能である。この点で、従来の抵抗加熱式平炉を用いる場合に対して相当な改善が図られる。
動作方法
図１を参照して、本発明の好適形態による方法を説明する。駆動ホイール２０を駆動することにより毎分約２０ないし３０フィートでコンベア１６を均一に進めると、計量分配貯蔵部１２はパウダ化されたシリカ１４をコンベア１６の上面に計量分配して、約１ミリメートル厚の耐火物層１８を均一の厚さに形成する。
半導体塊のローディング部２２では、テンプレート２４を利用して、複数の均一質量の半導体原料塊２６が計量供給される。テンプレート２４の穴（図示略）の各々にはパウダ化された半導体原料が完全に充填される。この半導体原料は、好ましくは半導体グレードのものであるが、必要であれば、冶金学グレードのパウダ化された半導体原料でも良い。余剰の半導体原料は、必要に応じて好適な平滑ツールまたはドクタブレーディングにより、テンプレート２４の上面から除去される。次いで、テンプレート２４は、耐火物層１６から慎重に除去され、図示のように、複数の均一質量の半導体原料塊２６が形成される。
光学炉３０の受端３８の下方で、コンベア１６は、半導体原料塊２６を均一速度で室５４内へ進める。半導体原料塊２６が室５４内の溶融位置３６へ進む間、アークランプ３２から連続的に放射される高強度の光学エネルギが、楕円壁３４で反射されて、溶融位置３６ひいては半導体原料塊２６に光学エネルギの焦点が合わされる。平方センチメートルあたり４００ないし６００Ｗのフラックス密度を有した光学炉と半導体粒子２６を毎分２０ないし３０フィートで進めるコンベア１６とにより、光学エネルギは、約０．２秒の間に、原料材料の粒子を殆ど瞬時に濡れさせて融解、溶融する。シリコンの融点は約摂氏１４５０度である。アークランプ３２により提供される光学エネルギは、不完全な融解のみを達成するに足るのが好ましく、原料のグレインの各々は、単に、隣りのグレインとの融合のみを開始する。しかしながら、このエネルギは、原料のグレインを互いに溶融させて一体化した半導体粒子４２を形成するのには十分なものである。必要ならば、半導体原料の塊２６を完全に融解させるように光学エネルギおよび／またはコンベア速度を確立し、パウダ化された原料を融合させ完全に融解させることができる。
光エネルギの焦点を原料塊２６に合わせるので、耐火物層１８はエネルギを殆ど受けず、殆ど加熱されない。従って、原料の粒状物は互いに濡れ、原料粒状物と耐火物層とは漏れを生じない。窒素またはアルゴンなどの不活性ガスをダクト５６を介して導入することにより、室５４の空気が一掃され、粒子４２内への不純物の導入が回避される。溶融プロセスが殆ど瞬時に行われるので、事前酸化を生じることは殆どなく、シリコンが殆ど完全に転化されて一体化した粒子４２を形成し、均一質量の粒子４２が実現される。さらに、研磨または化学的エッチングによる清浄化の後処理が不要である。
コンベア１６は、溶融した半導体粒子４２を溶融位置３６から進め、半導体粒子は殆ど瞬時に凝固して多結晶粒子４２を形成する。塊２６での光学エネルギは、半導体材料をその融点よりも高温に維持するには不足だからである。コンベア１６は、光学炉３０の出口４０の下方において半導体粒子４２を進め、半導体粒子を装置の先端へ進める。必要であれば、炉３０はシュラウドを備えて雰囲気の一掃プロセスを行うものでも良い。
装置の先端において、ロッドスクリーン５０は、収集貯蔵部４６へ投入される耐火物層１８から一体化した半導体粒子４２をすくい取り、図示のように、半導体粒子４２は、受入収集貯蔵部４８へ案内される。ロッドスクリーンは、本分野で周知であり、本発明で好適である。但し、振動スクリーンおよびエアサイクロンを含むその他の代替物は公知であり、使用可能である。
貯蔵部４８に収集された半導体粒子は、次いで、一つ以上の加熱・冷却（融解）サイクルによって再び処理されて必要ならば不純物を除去し、結晶性半導体球状体を得る。この後処理としての加熱および純化プロセスは、上記のプロセスを用いて、または、本願の従来技術説明で幾つか言及した本分野で周知のプロセスを用いて実行可能である。必要であれば、光学炉３０の下方において、上述の場合と同一の速度または異なる速度でかつ同一または異なる光学的フラックス密度で、上述したように半導体粒子を進めることによって、半導体粒子４２を再処理可能である。この様にして得た半導体球状体は最後に太陽電池に実装される。
本発明の好適形態によれば、高生産性の装置および方法が提供される。光学的溶融プロセス中に粒子中へ不純物を導入することなく、均一質量の半導体粒子４２を得ることができる。光学炉３０は、ウォームアップ時間が不要であるのでパワー効率に優れ、また、大きなエネルギを耐火物層１６へ向けることなしに、エネルギを主として半導体原料塊へ直接に加えることができる。従って、従来の対流式の炉に比べて、光学炉を用いて時間およびエネルギの浪費が回避される。
コンベア１６が進む速度および光学炉３０が動作するフラックス密度を含むプロセスパラメータは、正確かつ即時に制御可能である。これにより、半導体粒子４２の生産量を制御可能とし、また、溶融プロセス中に半導体粒子を部分的に融解すべきか或いは全てを融解すべきかの半導体粒子４２の組織を制御可能とする。純粋半導体粒子４２を利用して塊２６を形成する場合、純粋半導体粒子４２が実現される。また、太陽電池アレイに実装される場合、エネルギ変換率が１０％を上回るような高効率の太陽電池アレイが実現される。シリコンが、本発明によって処理される好適な半導体材料であるが、必要であれば、ゲルマニウムやガリウム砒素を含むその他の周知の半導体原料材料を利用可能である。好適形態において、半導体粒子は、約３０ミル（１ミル＝２５．４ミクロン）の直径を有している。
シリカは、耐火物層１８として好適な材料である。但し、必要であれば、石英ボートを含むその他の耐火物材料を使用可能である。しかしながら、半導体原料塊２６を支持するために非常に円滑な反射層を形成でき、比較的安価であり、また、図示のように収集貯蔵部４６に収集することにより容易に再処理可能である点において、シリカが理想的である。
好適形態において、１フィート（３００ミリメートル）幅の融解炉において毎分２００，０００個を上回る数の半導体粒子４２を形成できる。勿論、この生産量は、本発明に関連する寸法およびプロセスパラメータのみにより制約される。より大きなコンベア、より大きなテンプレート、および／または、高フラックス密度の光学炉を用いることにより、より高い生産量を実現できる。
本発明のプロセスは適切に自動化されているので、高品質な半導体粒子の製造に関連する費用が非常に魅力のあるものになる。高度に均一で、高純度かつ高い均質性を有した半導体粒子が得られる。本発明は、公知の対流式の炉に関連する欠点を克服する。
上記において特定の好適形態を参照して本発明を説明したが、本願の教示に基づく種々の変形は本分野の熟練者には明らかである。
【図１】
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【図２】
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