Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7690184B2 - Thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7690184B2 - Thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method - Google Patents

Thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP7690184B2
JP7690184B2 JP2021002285A JP2021002285A JP7690184B2 JP 7690184 B2 JP7690184 B2 JP 7690184B2 JP 2021002285 A JP2021002285 A JP 2021002285A JP 2021002285 A JP2021002285 A JP 2021002285A JP 7690184 B2 JP7690184 B2 JP 7690184B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
thin plate
shaped
producing
raw material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2021002285A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022094878A (en
Inventor
勇 進藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Crystal Systems Corp
Original Assignee
Crystal Systems Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Crystal Systems Corp filed Critical Crystal Systems Corp
Priority to EP21794699.5A priority Critical patent/EP4265827A4/en
Priority to CN202180003335.7A priority patent/CN114945712A/en
Priority to KR1020217037208A priority patent/KR102759972B1/en
Priority to PCT/JP2021/005139 priority patent/WO2022130651A1/en
Priority to US17/610,890 priority patent/US11939696B2/en
Priority to TW110141155A priority patent/TW202225500A/en
Publication of JP2022094878A publication Critical patent/JP2022094878A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7690184B2 publication Critical patent/JP7690184B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

本発明は、厚さが数百μm程度の薄板状の単結晶を連続して製造することのできる薄板状単結晶製造装置および薄板状単結晶製造方法に関する。 The present invention relates to a thin plate single crystal manufacturing apparatus and a thin plate single crystal manufacturing method that can continuously manufacture thin plate single crystals with a thickness of about several hundred μm.

近年、化石燃料から再生可能エネルギーへの転換が叫ばれ、石油を消費する発電方式から太陽光を利用する太陽電池を用いての発電方式への転換が世界的規模で進んでいる。しかしながら依然として太陽光発電の発電コストは他の発電方式と比べて高く、高効率で安価な太陽電池の開発が望まれている。 In recent years, there has been a call for a shift from fossil fuels to renewable energy, and a shift from power generation methods that consume petroleum to power generation methods using solar cells that utilize sunlight is underway on a global scale. However, the cost of generating electricity from solar power remains high compared to other power generation methods, and there is a demand for the development of highly efficient, inexpensive solar cells.

太陽電池を構成する基板材料としては、半導体シリコン結晶、アモルファスシリコン、化合物半導体結晶など様々な材料が知られ、それぞれに開発が進められている。中でも半導体シリコン結晶は、主要な基板材料である。基板の汎用サイズとしては、155mm角で厚さ0.3mm程度であり、この汎用サイズのシリコン結晶基板に、高効率に太陽光発電を可能にする処理を施し、発電した電力を取り出す電極を取り付けた製品を「セル」と呼び、このセルを面状に多数並べた製品を「モジュール」と呼ぶ。このモジュールを使用環境に合わせて設置し太陽光発電装置として使用している。 Various materials are known as substrate materials that make up solar cells, including semiconductor silicon crystal, amorphous silicon, and compound semiconductor crystal, and development is underway for each of these. Among these, semiconductor silicon crystal is the main substrate material. A standard size for a substrate is about 155 mm square and 0.3 mm thick. This standard size silicon crystal substrate is treated to enable highly efficient solar power generation, and a product in which electrodes are attached to extract the generated electricity is called a "cell," and a product in which many of these cells are arranged in a planar form is called a "module." This module is installed according to the usage environment and used as a solar power generation device.

太陽電池の発電コストの削減には、セルの主要な構成部品であり、半導体シリコン結晶から成る基板の性能向上と、基板材料の製造コストを現状よりも削減することのできる新たな製造方法の開発が重要である。 To reduce the cost of generating electricity from solar cells, it is important to improve the performance of the substrate, which is a main component of the cell and is made of semiconductor silicon crystals, and to develop new manufacturing methods that can reduce the manufacturing costs of substrate materials from current levels.

ところで、太陽電池として高効率な発電を達成できるとされている太陽電池セルの構造として、リンを添加したN型シリコン単結晶板を両側からアモルファスシリコン層で挟むことで、利用可能な太陽光の波長範囲を拡大したHIT(Heterojunction
with Intrinsic Thin-layer)型と呼ばれる方式がある。
By the way, the structure of a solar cell that is said to be able to achieve highly efficient power generation as a solar cell is HIT (Heterojunction) which expands the wavelength range of available sunlight by sandwiching a phosphorus-doped N-type silicon single crystal plate between amorphous silicon layers on both sides.
There is a method called the "with Intrinsic Thin-layer" type.

このHIT型と呼ばれる方式を採用し、かつ発電した電気を取り出す電極を全て裏側に集め、表側からは電極を排除したバックコンタクト型の併用方式が、最も高効率を達成できるとされている。ここで使用されるN型シリコン単結晶基板中では、リンは最適組成で均質に添加されていなければならない。 The most efficient method is said to be the combination of this HIT type method, in which all electrodes for extracting the generated electricity are concentrated on the back side, with no electrodes on the front side, and a back contact type method. In the N-type silicon single crystal substrate used here, phosphorus must be added homogeneously in an optimal composition.

現在の主要な汎用太陽電池用シリコン結晶基板の製造方法には、二つの方法がある。一つ目の方法は、大型の石英製ルツボ中で原料を融解させ、下方から上方に凝固させる一方向凝固法であり、得られた大型の結晶塊を汎用サイズに切断して結晶基板を製造する方法である。 Currently, there are two main methods for manufacturing silicon crystal substrates for general-purpose solar cells. The first method is a unidirectional solidification method in which the raw material is melted in a large quartz crucible and solidified from the bottom up, and the resulting large crystal mass is cut into general-purpose sizes to produce crystal substrates.

しかしながら、この方法で製造された結晶塊は、ホウ素を添加したP型多結晶であり、この一方向凝固法では原理的に前述した高効率な太陽電池用として必要なN型単結晶基板を製造することはできない。 However, the crystal mass produced by this method is a P-type polycrystal with added boron, and in principle, this unidirectional solidification method cannot produce the N-type single crystal substrate required for the highly efficient solar cells mentioned above.

二つ目の方法は、石英ルツボ中で原料を融解し、得られた融液に種子単結晶を浸して太らせながら上方に引上げる、いわゆる引上法によって丸棒状単結晶を製造し、製造された丸棒状の単結晶を切断加工して、汎用サイズの単結晶基板を製造する方法である。 The second method is to melt the raw material in a quartz crucible, immerse a seed single crystal in the resulting melt, and pull it upwards while thickening it, a process known as the pulling method, to produce a rod-shaped single crystal, which is then cut and processed to produce single crystal substrates of standard sizes.

この引上法には二つの大きな課題がある。一つ目の課題は製造単価が高額になってしまうことである。
引上法で得られる単結晶棒の製造コストは、単結晶棒の直径が大きくなるほどに増大する。汎用サイズの基板を得るには直径250mm程度の単結晶棒が必要であるが、製造コストを削減するために直径200mm程度の単結晶棒を使用して汎用サイズの基板を製造している。したがって四角の四隅が欠けた形状となっており、正確な四角形状の品よりも当然のことながら効率は低くなってしまっている。
This pulling method has two major problems. The first problem is that the manufacturing cost is very high.
The manufacturing cost of single crystal ingots obtained by the pulling method increases as the diameter of the single crystal ingot increases. To obtain a substrate of general size, a single crystal ingot with a diameter of about 250 mm is required, but in order to reduce manufacturing costs, a single crystal ingot with a diameter of about 200 mm is used to manufacture a substrate of general size. Therefore, the four corners of the square are chipped, and the efficiency is naturally lower than that of a product with a precise square shape.

引上法の二つ目の課題は、N型にするために添加したリンの含有濃度を均質化できないことである。原料シリコンにリンを添加して融解した融液中のリン濃度は均質であるが、単結晶として最初に固化した部分のリン濃度は、融液中のリン濃度よりも低くなっている。この現象を「分配現象」と呼び、融液中のリン濃度と固化物中のリン濃度の比を「分配係数」と呼ぶ。 The second problem with the pulling method is that it is not possible to homogenize the concentration of phosphorus added to make it N-type. When phosphorus is added to raw silicon and melted, the phosphorus concentration in the molten liquid is homogenous, but the phosphorus concentration in the portion that first solidifies as a single crystal is lower than the phosphorus concentration in the melt. This phenomenon is called the "distribution phenomenon," and the ratio of the phosphorus concentration in the melt to the phosphorus concentration in the solidified material is called the "distribution coefficient."

シリコンの場合、リンの分配係数は0.35程度とされているので、最初に固化した部分のリン濃度は薄く差分は融液中に残る。このため、固化が進むにつれて融液中のリン濃度は濃くなり、それに伴って固化物中のリン濃度も分配係数にしたがって濃くなる。したがって、最適組成部分は得られた単結晶中の一部分に限定される。 In the case of silicon, the distribution coefficient of phosphorus is approximately 0.35, so the phosphorus concentration in the first solidified portion is low, and the difference remains in the melt. As a result, as solidification progresses, the phosphorus concentration in the melt increases, and accordingly, the phosphorus concentration in the solidified material also increases according to the distribution coefficient. Therefore, the optimal composition portion is limited to a portion of the obtained single crystal.

しかも最初にルツボ中で融解した原料の半分程度が固化した段階で、リンの濃度が濃くなり過ぎてしまい、太陽電池用としては使えない。したがって単結晶の製造作業を停止して、製造炉内の雰囲気を不活性ガス雰囲気に維持し、原料融液温度を維持したまま製品を取り出し、残留原料融液に新たな粒状原料を補給して当初の原料融液組成に戻し、2本目の単結晶の製造を再開するという製造方法を採用している。 Moreover, once about half of the raw material initially melted in the crucible has solidified, the phosphorus concentration becomes too high and it is no longer usable for solar cells. Therefore, the production process is stopped, the atmosphere inside the production furnace is kept at an inert gas atmosphere, the product is removed while maintaining the raw material melt temperature, new granular raw material is replenished into the remaining raw material melt to return it to the original raw material melt composition, and the production of the second single crystal is resumed.

この製造方法では、原料融液を保持する石英ルツボの消耗が発生するので、繰り返しの使用回数は2回、もしくは特別に調製した高品質石英ルツボを使用したとしてもせいぜい3回繰り返すのが限度である。 With this manufacturing method, the quartz crucible that holds the raw material melt is worn out, so it can only be used twice, or at most three times if a specially prepared high-quality quartz crucible is used.

この製造方法が何よりも問題なのは、製品中のリンの濃度を均質にできないことにある。最適組成品のみで太陽電池用セルを製造することにより高効率を達成できるが、最適組成品は歩留まりが低いので価格は高額となってしまい、発電コストの上昇に直結する。 The biggest problem with this manufacturing method is that it is not possible to make the phosphorus concentration in the product uniform. High efficiency can be achieved by manufacturing solar cells using only optimal composition products, but the optimal composition products have a low yield rate, so they are expensive, which directly leads to higher power generation costs.

そこで最適組成品よりもリン濃度が薄過ぎるもの、およびリン濃度が濃過ぎるものを使用してコスト削減を図ると、当然のことながらモジュールの発電効率が劣化してしまう。
上記の他にも太陽電池用のシリコン単結晶基板の製造コストを削減する方法の開発は、これまでにも精力的に行われて来ている。大型の結晶塊を切断して薄板単結晶を製造するよりも、初めから所定の厚さの薄板単結晶を製造し、これを所定のサイズに切断する方が、切断ロスや生産コストを低減できる可能性が高いのは無論である。
Therefore, if an attempt is made to reduce costs by using a composition with a phosphorus concentration that is either too low or too high compared to the optimum composition, the power generation efficiency of the module will naturally be degraded.
In addition to the above, methods for reducing the manufacturing costs of silicon single crystal substrates for solar cells have been vigorously developed. It goes without saying that there is a high possibility of reducing cutting losses and production costs by manufacturing a thin single crystal plate of a specified thickness from the beginning and then cutting it to a specified size, rather than cutting a large crystal block to produce a thin single crystal plate.

これまでに報告されているシリコン薄板状結晶の製造方法には3種類の方法がある。
第1の方法は、ルツボ中で融解した原料融液にスリットを設けたダイ(DIE)と呼ばれる治具を挿入し、ダイ(DIE)のスリットから表面張力で上部に出てくる原料融液に、薄板状種子単結晶を浸して固化させながら上方に引上げ、薄板状単結晶を製造する方法で、EFG(Edge defined Film-fed Growth)法と呼ばれている。
There are three methods for producing silicon thin plate crystals that have been reported so far.
The first method is a method in which a jig with a slit, called a die (DIE), is inserted into the raw material melt melted in a crucible, and a thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the raw material melt that comes out of the slit of the die (DIE) due to surface tension, and is pulled upward while being solidified, thereby producing a thin plate-shaped single crystal, and is called the EFG (Edge defined Film-fed Growth) method.

この製造方法は、米国を中心に精力的に開発が進められて来ているが、太陽電池用シリコン基板製造用としては未だに実用化されていない。この理由としては、安定して長時間の使用に耐え得る治具の素材が見つからないこと、原料融液の固化の際の温度制御が困難であり、大型化が困難であることなどが挙げられている。 This manufacturing method has been vigorously developed, mainly in the United States, but it has not yet been put to practical use for manufacturing silicon substrates for solar cells. The reasons for this include the lack of materials for jigs that can withstand stable long-term use, the difficulty of controlling the temperature when the raw material melt solidifies, and the difficulty of enlarging the size of the process.

第2の方法は、ESR(Edge Stabilized Ribbon)法と命名された方法で、上記したダイ(DIE)の代わりに紐を使用する方法である。このESR法では、最初に紐を原料融液の表面に浸して横方向に貼り、少し上に持ち上げると表面張力で紐に付随して持ち上げられた原料融液が固化し薄板状結晶となる。 The second method is called the Edge Stabilized Ribbon (ESR) method, and uses a string instead of the die (DIE) mentioned above. In this ESR method, a string is first immersed in the surface of the raw material melt and attached horizontally, and when it is lifted slightly upwards, the raw material melt that is lifted along with the string due to surface tension solidifies and becomes a thin plate-like crystal.

紐の両サイドにも紐を繋げこれらを一緒に上方に引上げると、固化した薄板状結晶も一緒に成長しながら上方に引上げられる。ただし、この方法では最初に紐に持ち上げられて固化した部分は「多結晶」であり、付随して成長する薄板も「多結晶」であって、「単結晶」にはならない。 If a string is attached to both sides of the string and they are pulled upward together, the solidified thin plate-like crystals will grow and be pulled upward together. However, with this method, the part that is first lifted by the strings and solidifies is "polycrystalline", and the thin plate that grows along with it is also "polycrystalline" and does not become a "single crystal".

第3の方法は、Dendritic web(樹枝状布) growth methodと命名された方法である。デンドライト(樹枝状結晶)は、成長速度がある速度に達すると熱伝導性の高い方位方向に優先的に成長する性質を有する。この方法は、このデンドライト(樹枝状結晶)の性質を利用して、薄板状結晶を製造する方法である。 The third method is called the dendritic web growth method. Dendrites have the property that when their growth rate reaches a certain speed, they grow preferentially in the direction with the highest thermal conductivity. This method utilizes this property of dendrites to produce thin plate-like crystals.

この方法は、EFG法やESR法のように治具や紐を使わない方法であり、成長を最適に制御すれば単結晶を成長させることもできるとされている。しかしながら、現実には最初のデンドライト(樹枝状結晶)を単一にしない限り単結晶の製造はできないので、この方法により大型で長尺な薄板状単結晶を継続的に成長させた実例は無く、工業的な生産には至っていない。 This method does not use jigs or strings like the EFG and ESR methods, and it is said that it is possible to grow single crystals if the growth is optimally controlled. However, in reality, single crystals cannot be produced unless the initial dendrites (branched crystals) are made into a single crystal, so there are no examples of this method being used to continuously grow large, long, thin plate-shaped single crystals, and it has not yet been used for industrial production.

他方、上述したように、これまでに報告されている薄板状結晶の製造方法は、いずれもシリコン融液を石英ルツボ中に保持して結晶を製造する方法である。これらの製造方法のように、石英ルツボ中で原料シリコンを融解させると、式1のように、シリコン融液と石英とが反応して一酸化ケイ素(SiO)が発生する。 On the other hand, as mentioned above, all of the methods for producing thin plate crystals reported so far are methods for producing crystals by holding a silicon melt in a quartz crucible. When raw silicon is melted in a quartz crucible as in these production methods, the silicon melt reacts with the quartz to produce silicon monoxide (SiO), as shown in formula 1.

Figure 0007690184000001
Figure 0007690184000001

反応によって生成した一酸化ケイ素(SiO)は、製品であるシリコン結晶中に固溶体として混入し、単結晶としての性能劣化の主要な要因となる。したがって、高品質な単結晶を製造するには、石英ルツボを使用する必要の無い製造方法が望ましい。 The silicon monoxide (SiO) produced by the reaction is mixed into the silicon crystal product as a solid solution, and is the main cause of the deterioration of the performance of the single crystal. Therefore, in order to produce high-quality single crystals, a manufacturing method that does not require the use of a quartz crucible is desirable.

現在、ルツボを使用せずシリコン単結晶を製造する方法として、高周波誘導加熱を用いて原料棒を融解、固化させて単結晶を製造する高周波浮遊帯域溶融法が実用化されている(例えば特許文献1)。この高周波浮遊帯域溶融法により、製品中に一酸化ケイ素(SiO)を含有しない高純度な単結晶が得られる。 Currently, a high-frequency floating zone melting method has been put into practical use as a method for producing silicon single crystals without using a crucible, in which a raw material rod is melted and solidified using high-frequency induction heating to produce single crystals (see, for example, Patent Document 1). This high-frequency floating zone melting method produces high-purity single crystals that do not contain silicon monoxide (SiO) in the product.

しかしながら、高周波浮遊帯域溶融法に使用可能な原料棒は、特別に調製された高緻密な製品であり、このような原料棒は高価でしかも供給量が限定され、低コストが期待される太陽電池用としては不向きである。さらにこの高周波浮遊帯域溶融法では、薄板状単結晶の製造は極めて困難であり、製造されたという報告も見られない。 However, the raw material rods that can be used in the high-frequency floating zone melting method are specially prepared, highly dense products, and such raw material rods are expensive and the supply is limited, making them unsuitable for solar cells, which are expected to be low-cost. Furthermore, using this high-frequency floating zone melting method, it is extremely difficult to produce thin plate-shaped single crystals, and there have been no reports of such production.

ルツボを使用せず高純度な単結晶を製造する他の方法として、赤外線を使用する方法が知られている。赤外線を使用して単結晶を製造する方法としては、原料粉末を棒状に加工し、これを局部加熱して融解、固化させて単結晶棒を製造する、赤外線浮遊帯域溶融法が知られている。 Another method for producing high-purity single crystals without using a crucible is known to use infrared rays. One method for producing single crystals using infrared rays is the infrared floating zone melting method, in which raw material powder is processed into a rod shape, which is then locally heated to melt and solidify it to produce a single crystal rod.

この赤外線浮遊帯域溶融法は、赤外線の加熱によって形成される融液を、融液自身の表面張力で原料棒に保持させ、原料の融解と固化とを継続させている。
なお、この赤外線浮遊帯域溶融法では、従来は赤外線を水平方向から照射する方式が採用されてきている。しかしながらこの水平方向からの照射方式では原理的に直径が大きな単結晶を製造することはできない。
In this infrared floating zone melting method, a molten liquid formed by infrared heating is held on a raw material rod by the surface tension of the molten liquid itself, allowing the raw material to continue to melt and solidify.
In the infrared floating zone melting method, the infrared rays have been irradiated from a horizontal direction in the past, but this method of irradiating from a horizontal direction cannot, in principle, produce single crystals with a large diameter.

そこで下部に配置した直径が大きな種子単結晶の上面に赤外線を照射して融解し、ここに原料を融解した原料融液を滴下し、直径が大きな単結晶を製造可能とする上面融解法が開発された。この上面融解法により、製造可能な単結晶の直径には原理的に制限が無くなったので、その適用範囲が劇的に拡大した。 The top surface melting method was developed, which melts the top surface of a large diameter seed single crystal placed at the bottom by irradiating it with infrared rays and dripping the molten raw material onto it, making it possible to produce single crystals with a large diameter. This top surface melting method has, in principle, eliminated any limitations on the diameter of single crystals that can be produced, dramatically expanding its range of application.

他方、現在の産業用の単結晶の材料としては、上述した太陽電池用の材料以外にも強誘電体材料であるニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム、蛍光体材料であるケイ酸ルテチウムやケイ酸ガドリニウム、レーザ材料であるイットリウムアルミニウムガーネットやガドリニウムガリウムガーネットなど多くの酸化物材料が用いられている。 On the other hand, in addition to the solar cell materials mentioned above, many oxide materials are currently used as industrial single crystal materials, such as the ferroelectric materials lithium niobate and lithium tantalate, the phosphor materials lutetium silicate and gadolinium silicate, and the laser materials yttrium aluminum garnet and gadolinium gallium garnet.

これらの酸化物材料は、引上法で丸棒状単結晶を製造し、これを厚さ0.3mm程度の薄板状単結晶に切断加工して、各種のデバイス製造に利用している。しかしながら、引上法ではルツボ材からの製品中への汚染が避けられず、しかも前述した分配現象により原理的に有用添加物の製品中での濃度を均質化できない。このため高品質デバイス製造に不都合が発生している。 These oxide materials are produced in the form of rod-shaped single crystals by the pulling method, which are then cut and processed into thin plate-shaped single crystals with a thickness of approximately 0.3 mm for use in the manufacture of various devices. However, the pulling method inevitably results in contamination of the product from the crucible material, and due to the distribution phenomenon mentioned above, it is in principle impossible to homogenize the concentration of useful additives in the product. This creates problems for the manufacture of high-quality devices.

したがって、丸棒状単結晶を製造してから薄板状単結晶に切断加工して利用するよりも、初めから最適組成で所定の厚さの薄板状単結晶を製造して利用する方が、はるかに低コストで高性能品を製造可能である。 Therefore, rather than producing a rod-shaped single crystal and then cutting it into a thin plate-shaped single crystal for use, it is possible to produce a high-performance product at a much lower cost by producing a thin plate-shaped single crystal with the optimal composition and a specified thickness from the beginning.

特許第5279727号公報Patent No. 5279727

しかしながら、これまでの薄板状単結晶製造方法における研究開発の成果は十分では無く、薄板状単結晶を製造し産業用に利用している例は、わずかにEFG法によるサファイア単結晶板や酸化ガリウム単結晶板の製造等が知られている程度である。 However, research and development into the manufacturing method of thin single crystals has not produced sufficient results to date, and the only known examples of manufacturing thin single crystals for industrial use are the manufacture of sapphire single crystal plates and gallium oxide single crystal plates using the EFG method.

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであって、添加剤濃度が最適組成で均質であり、厚さが数百μm程度の薄板状の単結晶を、低コストでしかも連続して高精度に製造することのできる薄板状単結晶製造装置および薄板状単結晶製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a thin plate single crystal manufacturing apparatus and a thin plate single crystal manufacturing method that can manufacture thin plate single crystals having an optimal and homogeneous additive concentration and a thickness of several hundred μm continuously and with high precision at low cost.

本発明は、前述した従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、
本発明の薄板状単結晶製造装置は、
薄板状単結晶製造用原料塊(以下、原料塊とも称する)の上側面に対して赤外線を照射し、前記上側面の表面を融解する赤外線照射手段と、
前記赤外線照射手段にて融解され、前記上側面の表面に得られた融液中に薄板状種子単結晶の下側面を浸すとともに、浸した状態から前記薄板状種子単結晶を上方に引き上げる昇降手段と、
を備え、
前記赤外線照射手段によって薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面に得られた融液中に、前記昇降手段を介して薄板状種子単結晶の前記下側面を浸すことで、浸された薄板状種子単結晶の前記下側面から単結晶の育成が開始され、さらに前記昇降手段を介して薄板状種子単結晶を上方に引き上げることで、連続的に薄板状単結晶が製造されるよう構成されていることを特徴とする。
The present invention has been invented to solve the problems in the prior art described above,
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention comprises:
an infrared ray irradiating means for irradiating an upper side surface of a raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal (hereinafter also referred to as raw material lump) with infrared rays to melt the surface of the upper side surface;
a lifting means for immersing a lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal in the melt obtained on the upper surface of the thin plate-shaped seed single crystal by the infrared irradiation means and lifting the thin plate-shaped seed single crystal upward from the immersed state;
Equipped with
The method is characterized in that the lower side of the thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the molten liquid obtained on the upper surface of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal via the lifting means, and single crystal growth begins from the lower side of the immersed thin plate-shaped seed single crystal, and the thin plate-shaped seed single crystal is further pulled upward via the lifting means, thereby continuously producing thin plate-shaped single crystals.

このように構成されていれば、装置を構成する部材が少なく、添加剤濃度が最適組成で均質であり、厚さが数百μm程度の薄板状単結晶を、低コストでしかも連続して高精度に製造することができる。さらには分解融解物質や固溶体物質など、いわゆる不一致融解物質の均質組成薄板状単結晶を高精度に製造することができる。 With this configuration, the number of components constituting the device is small, the additive concentration is optimal and homogeneous, and thin plate-shaped single crystals with thicknesses of several hundred micrometers can be produced continuously and with high precision at low cost. Furthermore, it is possible to produce homogeneous-composition thin plate-shaped single crystals of so-called incongruent melting substances, such as decomposed melting substances and solid solution substances, with high precision.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記赤外線照射手段から照射される赤外線が、レーザ光であることを特徴とする。
このようにレーザ光であれば、原料塊の所定の範囲を正確に加熱することができるため、融液が原料塊の上側面からこぼれ落ちてしまうことなく、融液(融液溜まり)を確実に形成し続けることができる。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The infrared ray irradiated from the infrared ray irradiating means is a laser beam.
In this way, laser light can accurately heat a specified area of the raw material block, so that the melt (melt puddle) can be reliably formed without spilling over the upper side of the raw material block.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記レーザ光の照射域の形状が水平方向に細長い中空四角形状であり、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域に対し、前記中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光が照射されることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The shape of the irradiation area of the laser light is a hollow rectangle that is elongated in the horizontal direction,
The method is characterized in that the laser light is irradiated onto the peripheral region excluding the central portion of the upper side of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal so as to form the hollow rectangular irradiation region.

このように中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光を、原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域に対して合致するように照射すれば、原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域が先に融解され、レーザ光の当たっていない中心部は、先に融解された周縁領域の融液からの熱伝導により融解されることとなる。 In this way, if the laser light is irradiated so as to coincide with the peripheral region of the upper side of the raw material lump, excluding the center, to form a hollow rectangular irradiation area, the peripheral region of the upper side of the raw material lump, excluding the center, will melt first, and the center, which is not hit by the laser light, will melt due to thermal conduction from the molten liquid in the peripheral region that was melted first.

したがって中心部の温度を、周縁領域の温度よりも低く制御することができる。なお、レーザ光の中空四角形状の照射域を形成する方法としては、例えば直線状のレーザ光を四方から照射しても良い。 Therefore, the temperature of the center can be controlled to be lower than the temperature of the peripheral region. As a method for forming a hollow rectangular irradiation area of the laser light, for example, linear laser light can be irradiated from all sides.

さらにレーザ光は、原料塊の上側面に対して、斜め上方の方向から照射しても、真上から垂直方向に照射しても良いが、単結晶材料の熱伝導特性、製造する薄板状単結晶の厚さに応じて、照射角度を最適角度に調整可能であることが好ましい。
ところで、原料塊を融解して連続的に薄板状単結晶を製造するには、原料塊の融解と、薄板状単結晶としての固化とを、同時進行で継続させる必要がある。しかしながら原料塊の融解には加熱が必要であり、薄板状単結晶の固化には融液の冷却が必要である。
Furthermore, the laser light may be irradiated onto the upper surface of the raw material lump from an oblique upward direction or from directly above in a vertical direction, but it is preferable that the irradiation angle be adjustable to an optimal angle depending on the thermal conductivity characteristics of the single crystal material and the thickness of the thin plate-shaped single crystal to be produced.
In order to continuously produce a thin plate-shaped single crystal by melting a raw material lump, it is necessary to simultaneously continue melting the raw material lump and solidifying it into a thin plate-shaped single crystal. However, the melting of the raw material lump requires heating, and the solidification of the thin plate-shaped single crystal requires cooling the melt.

したがって、薄板状単結晶の安定的な製造を可能にするためには、「加熱」と「冷却」の相反する行為を、制御性良く安定的に継続させることが必須である。上記した中空四角形状のレーザ光を原料塊に照射することにより、これを実現することができる。
すなわち、このような温度分布を原料塊の上側面の融液溜まりに持たせることで、この中心部から薄板状単結晶の成長を安定して連続的に行うことができる。
Therefore, in order to enable the stable production of thin plate single crystals, it is essential to continue the opposing actions of "heating" and "cooling" stably with good controllability. This can be achieved by irradiating the raw material lump with the hollow rectangular laser light described above.
That is, by providing such a temperature distribution in the melt pool on the upper side of the raw material lump, a thin plate-shaped single crystal can be stably and continuously grown from the center.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記昇降手段が、
製造された前記薄板状単結晶を連続してロール状に巻き取る巻き取り手段であり、
前記巻き取り手段が、
前記薄板状単結晶を連続して巻き取る巻装軸と、
前記巻装軸を回動させる回動手段と、
を備え、
前記巻装軸に前記薄板状種子単結晶が吊り下げられるよう構成されていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The lifting means is
a winding means for continuously winding up the produced thin plate-like single crystal into a roll,
The winding means is
a winding shaft for continuously winding the thin plate-like single crystal;
A rotating means for rotating the winding shaft;
Equipped with
The thin plate-shaped seed single crystal is configured to be suspended from the winding shaft.

このように巻き取り手段が構成されていれば、連続的に製造された薄板状単結晶を確実に巻装軸に巻き取ることができ、装置を必要以上に大型化させることがない。さらに製造された薄板状単結晶はロール状であるため出荷の際に容易に搬送することができ、取扱い性を高めることができる。 If the winding means is configured in this way, the continuously produced thin plate single crystals can be reliably wound around the winding shaft, and the device does not need to be made larger than necessary. Furthermore, since the produced thin plate single crystals are in a roll shape, they can be easily transported during shipping, improving handleability.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状種子単結晶が、
複数の細線を介して前記巻装軸に吊り下げられていることを特徴とする。
このように薄板状種子単結晶の吊り下げを、熱に強くまた高強度な細線で行えば、連続的に製造された薄板状単結晶を確実に巻装軸に巻き取ることができる。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The thin plate-like seed single crystal is
It is characterized in that it is suspended from the winding shaft via a plurality of thin wires.
By suspending the thin plate-shaped seed single crystal in this manner using a thin wire that is resistant to heat and has high strength, the continuously produced thin plate-shaped single crystal can be reliably wound around a winding shaft.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状種子単結晶において、
前記細線が取り付けられた部分の厚さが、
製造される前記薄板状単結晶の厚さ以下の大きさであることが好ましい。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
In the thin plate-shaped seed single crystal,
The thickness of the portion to which the thin wire is attached is
It is preferable that the size is equal to or smaller than the thickness of the thin plate-like single crystal to be produced.

このように、薄板状種子単結晶において、細線を取り付けた部分の厚さが、製造される薄板状単結晶の厚さ以下の大きさに設定されていれば、巻装軸に薄板状単結晶を巻き取る際に、薄板状単結晶の表面が細線に接触して破損が生ずることを確実に防止することができる。 In this way, if the thickness of the thin plate-shaped seed single crystal at the portion where the thin wire is attached is set to a size equal to or smaller than the thickness of the thin plate-shaped single crystal to be produced, it is possible to reliably prevent the surface of the thin plate-shaped single crystal from coming into contact with the thin wire and causing damage when the thin plate-shaped single crystal is wound around the winding shaft.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面には、
製造される前記薄板状単結晶の組成と平衡共存する液相の組成物が必要量、最初に配置されていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The upper surface of the raw material block for producing a thin plate-shaped single crystal is
The method is characterized in that a required amount of a liquid phase composition which coexists in equilibrium with the composition of the thin plate-like single crystal to be produced is initially placed.

このように、製造される薄板状単結晶の組成と平衡共存する液相の組成物を必要量、最初から原料塊の上側面に配置すれば、均質で最適組成の薄板状単結晶を連続的に製造することができる。 In this way, if the required amount of liquid phase composition that coexists in equilibrium with the composition of the thin plate single crystal to be produced is placed on the upper surface of the raw material block from the beginning, thin plate single crystals that are homogeneous and have the optimal composition can be continuously produced.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記昇降手段と前記薄板状単結晶製造用原料塊の間に、
連続的に製造される前記薄板状単結晶の揺れを防止する揺れ止め部材が配設されていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
Between the lifting means and the raw material block for producing a thin plate-shaped single crystal,
The present invention is characterized in that an anti-vibration member is provided to prevent the thin plate-shaped single crystals being continuously produced from vibrating.

このように揺れ止め部材が配設されていれば、製造された薄板状単結晶が、左右に振れ過ぎることを抑制できる。したがって成長位置がズレを生ずることなく所定の範囲内に留めることができ、高品質な薄板状単結晶を連続的かつ安定的に製造することができる。 If anti-vibration members are provided in this way, the produced thin plate single crystal can be prevented from vibrating too much from side to side. This means that the growth position can be kept within a specified range without shifting, allowing for the continuous and stable production of high-quality thin plate single crystals.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記昇降手段と前記薄板状単結晶製造用原料塊の間に、
前記融液から発せられる輻射熱を、連続的に製造される前記薄板状単結晶に届き難いように遮蔽する遮蔽部材が設けられていることが好ましい。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
Between the lifting means and the raw material block for producing a thin plate-shaped single crystal,
It is preferable that a shielding member is provided to prevent radiant heat generated from the melt from reaching the thin plate-shaped single crystal being continuously produced.

薄板状単結晶は、融液から引き上げられながら固化していくが、融液から発せられた輻射熱が製造された薄板状単結晶に届いてしまうと、薄板状単結晶の製造速度を速めることが困難となる。したがって遮蔽部材を設けることで、融液の輻射熱が製造された薄板状単結晶に届き難くなり、薄板状単結晶の製造効率を高めることができる。 The thin plate single crystal solidifies as it is pulled up from the melt, but if the radiant heat emitted from the melt reaches the produced thin plate single crystal, it becomes difficult to increase the production speed of the thin plate single crystal. Therefore, by providing a shielding member, it becomes difficult for the radiant heat from the melt to reach the produced thin plate single crystal, and the production efficiency of the thin plate single crystal can be improved.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状単結晶製造用原料塊が、略直方体であることを特徴とする。
このような形状であれば、原料塊の上側面の表面に、赤外線の照射によって融液(融液溜まり)を継続的に設けることができる。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is characterized in that it has a substantially rectangular parallelepiped shape.
With such a shape, a melt (a melt pool) can be continuously provided on the surface of the upper side of the raw material lump by irradiating it with infrared rays.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の大きさは、前記薄板状種子単結晶の下側面の大きさよりも厚さ方向および横方向のいずれにおいても数mm以上、大きく設定されていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The size of the upper side of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is set to be several mm or more larger in both the thickness direction and the width direction than the size of the lower side of the thin plate-shaped seed single crystal.

このように原料塊と薄板状種子単結晶の大きさが設定されていれば、融液中に薄板状種子単結晶の下側面を全て浸すことができ、所望のサイズの薄板状単結晶を連続的に製造することができる。 By setting the size of the raw material block and the thin plate-shaped seed single crystal in this way, the entire underside of the thin plate-shaped seed single crystal can be immersed in the melt, and thin plate-shaped single crystals of the desired size can be continuously produced.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状単結晶製造用原料塊を載置する載置台と、
前記載置台の位置を所定位置となるように位置制御する位置制御手段と、
を備えることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
a mounting table for mounting the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal;
a position control means for controlling the position of the mounting table so that the position of the mounting table is at a predetermined position;
The present invention is characterized by comprising:

このように載置台の位置(特に上下方向の位置)を制御できるようにすれば、薄板状単結晶の引上げに伴って原料塊の融液の液面位置が下がっても、当初の位置を保つように原料塊の位置を上げることができ、常に液面位置を同じ位置に制御することができる。したがって、常に赤外線の照射位置を同じ位置に固定すれば良くなり、薄板状単結晶を安定的かつ歩留まり良く連続的に製造することができる。
なお、平行に進むレーザ光を、原料塊の上側面に対して垂直方向から照射する場合には、原料塊の融液の液面位置が下がってもレーザ光の照射強度は変わらないので、原料塊の融液の液面位置を一定に維持する位置制御をしなくても良い。
By making it possible to control the position of the mounting table (especially the vertical position) in this way, even if the liquid level of the molten raw material drops as the thin plate single crystal is pulled up, the position of the raw material can be raised to maintain its original position, and the liquid level can be controlled to always be at the same position. Therefore, it is only necessary to always fix the infrared irradiation position at the same position, and thin plate single crystals can be produced stably and continuously with high yield.
In addition, when the laser light traveling parallel to the raw material lump is irradiated from a direction perpendicular to the upper surface of the raw material lump, the irradiation intensity of the laser light does not change even if the liquid level of the molten raw material lump drops, so there is no need to perform position control to maintain the liquid level of the molten raw material lump constant.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記昇降手段が、
前記赤外線照射手段によって融解された薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の融液の中心部に、前記薄板状種子単結晶の前記下側面を浸すよう構成されていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The lifting means is
The method is characterized in that the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the center of the molten liquid on the upper surface of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal melted by the infrared ray irradiation means.

融液の中心部は、継続的に融液が溜まる部位であり、この中心部に薄板状種子単結晶の下側面を浸せば、薄板状種子単結晶を昇降手段で上方へ引き上げることにより、連続的に薄板状単結晶を製造することができる。 The center of the melt is where the melt accumulates continuously, and by immersing the underside of the thin plate-shaped seed single crystal in this center, the thin plate-shaped seed single crystal can be pulled upwards using a lifting means, allowing the thin plate-shaped single crystal to be produced continuously.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の周囲には、
前記薄板状単結晶製造用原料塊を予め加熱する予熱手段が設けられていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is surrounded by:
The apparatus is characterized in that it is provided with a preheating means for preheating the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal.

このように原料塊を予め融点近傍まで加熱すれば、赤外線照射手段による赤外線の照射量を削減することが可能となり、同時に調整精度を高めることで、融液溜まりの範囲を微調整することができる。したがって、連続的に薄板状単結晶を安定的かつ高精度に製造することができる。 By preheating the raw material block to near its melting point in this way, it is possible to reduce the amount of infrared radiation emitted by the infrared radiation means, and at the same time, by improving the adjustment accuracy, the range of the melt pool can be finely adjusted. Therefore, thin plate-shaped single crystals can be continuously produced stably and with high precision.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
少なくとも前記薄板状単結晶製造用原料塊がチャンバー内に配設され、
前記チャンバーの上部に前記昇降手段が配設されていることが好ましい。
このようにチャンバー内に原料塊が配設されていれば、単結晶材料に合致した雰囲気下で薄板状単結晶を製造することができる。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
At least the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is disposed in a chamber,
It is preferable that the lifting means is disposed at an upper portion of the chamber.
If the raw material block is disposed in the chamber in this manner, a thin plate-shaped single crystal can be produced in an atmosphere suited to the single crystal material.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記チャンバー内を、添加剤を含んだ雰囲気ガスで満たすガス導入装置を備えることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The present invention is characterized by including a gas introduction device that fills the inside of the chamber with an atmospheric gas containing an additive.

このようにガス導入装置を備えていれば、チャンバー内を、製造される薄板状単結晶の材料の特性に合わせた雰囲気とすることができ、これにより添加剤濃度が最適組成で均質な高品質薄板状単結晶を製造することができる。 By equipping the chamber with a gas introduction device like this, the atmosphere inside can be tailored to the characteristics of the material from which the thin plate single crystal is being produced, making it possible to produce homogeneous, high-quality thin plate single crystals with an optimal additive concentration.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記昇降手段が、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上部に複数設けられていることを特徴とする。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The lifting means is
The present invention is characterized in that a plurality of such nozzles are provided on the upper portion of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal.

このように構成されていれば、例えば一つの融液溜まりに複数の薄板状種子単結晶を並べて浸し、それぞれ昇降手段で上部に引き上げることで、昇降手段が一つの場合と比べて薄板状単結晶の製造効率を格段に向上させることができる。 With this configuration, for example, multiple thin plate-shaped seed single crystals can be lined up and immersed in one melt pool, and each can be pulled up to the top by a lifting means, which can dramatically improve the production efficiency of thin plate-shaped single crystals compared to when only one lifting means is used.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状種子単結晶の厚さが、300μm~500μmの範囲内であることが好ましい。
このような厚さであれば、高純度な薄板状単結晶を連続的に製造し、巻き取ることにより長尺化を達成することができる。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The thickness of the thin plate-like seed single crystal is preferably within a range of 300 μm to 500 μm.
With such a thickness, a high purity thin plate single crystal can be continuously produced and wound up to achieve a long length.

また、本発明の薄板状単結晶製造装置は、
前記薄板状単結晶の厚さが、100μm~3000μmの範囲内であることが好ましい。
製造される薄板状単結晶の厚さは、100μm~3000μmの範囲内で製造可能であるが、巻き取り手段で巻き取ることを想定した場合には、100μm~500μmの範囲内であることが好ましい。しかしながら、融液温度と引上速度を調整することにより100μmよりも薄く、または500μmよりも厚く調節することもできる。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus of the present invention further comprises:
The thickness of the thin plate-like single crystal is preferably within the range of 100 μm to 3000 μm.
The thickness of the thin plate single crystal produced can be in the range of 100 μm to 3000 μm, but when it is assumed that the crystal will be wound by a winding means, the thickness is preferably in the range of 100 μm to 500 μm. However, the thickness can be adjusted to be thinner than 100 μm or thicker than 500 μm by adjusting the melt temperature and the pulling speed.

ただし、500μmよりも厚い薄板状単結晶の場合には、巻き取り手段の巻装軸に薄板状単結晶を巻き取った際の径が大型化する。この場合には、巻き取らずに上方に引上げて製品化することも可能である。特に太陽電池用シリコン薄板状単結晶を製造する場合、薄板状単結晶の厚さは200μm~400μmの範囲内であることが好ましい。 However, in the case of thin plate single crystals thicker than 500 μm, the diameter of the thin plate single crystal when wound around the winding shaft of the winding means becomes large. In this case, it is possible to produce the product by pulling it upwards without winding it. In particular, when manufacturing thin plate single crystals of silicon for solar cells, it is preferable that the thickness of the thin plate single crystal is within the range of 200 μm to 400 μm.

また、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
赤外線照射手段を介して、薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に赤外線を照射し、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面を融解する融解工程と、
前記融解工程にて、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面に得られた融液中に、昇降手段を介して薄板状種子単結晶の下側面を浸し、前記薄板状種子単結晶の前記下側面から単結晶の育成を開始させる育成工程と、
前記育成工程にて、単結晶の育成が開始された前記薄板状種子単結晶を上方に引き上げ、連続的に薄板状単結晶を製造する連続製造工程と、
を少なくとも有することを特徴とする。
このような製造方法であれば、添加剤濃度が最適組成で均質であり、厚さが数百μm程度の薄板状単結晶を、低コストでしかも連続して高精度に製造することができる。
The method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention further comprises the steps of:
a melting step of irradiating an upper side surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal with infrared rays via an infrared ray irradiation means to melt the surface of the upper side surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal;
a growing step of immersing a lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal in the melt obtained on the upper surface of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal by using an elevating means, and starting the growth of the single crystal from the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal;
a continuous production step of pulling the thin plate-shaped seed single crystal upward after the single crystal growth has started in the growth step, and continuously producing the thin plate-shaped single crystal;
It is characterized by having at least the following.
This manufacturing method allows for the continuous and highly accurate production of thin plate single crystals having an optimum additive concentration and a homogeneous composition and a thickness of approximately several hundred μm at low cost.

また、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
前記融解工程において、
前記赤外線照射手段から照射される赤外線が、レーザ光であることを特徴とする。
The method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention further comprises the steps of:
In the melting step,
The infrared ray irradiated from the infrared ray irradiating means is a laser beam.

このようにレーザ光であれば、原料塊の所定の範囲を、所要の形状で正確に加熱することができるため、融液が原料塊の上側面からこぼれ落ちてしまうことなく、融液溜まりを確実に形成し続けることができる。 In this way, laser light can accurately heat a specific area of the raw material block in the required shape, so the melt does not spill over the upper side of the raw material block, and a melt pool can be reliably formed.

また、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
前記融解工程において、
前記レーザ光の照射域の形状が水平方向に細長い中空四角形状であり、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域に対し、前記中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光が照射されることを特徴とする。
The method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention further comprises the steps of:
In the melting step,
The shape of the irradiation area of the laser light is a hollow rectangle that is elongated in the horizontal direction,
The method is characterized in that the laser light is irradiated onto the peripheral region excluding the central portion of the upper side of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal so as to form the hollow rectangular irradiation region.

このように中空四角形状の照射域を形成するように、レーザ光を原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域に対して合致するように照射すれば、原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域が先に融解され、レーザ光の当たっていない中心部は、先に融解された周縁領域の融液からの熱伝導により融解されることとなる。 In this way, if the laser light is irradiated so as to coincide with the peripheral region of the upper side of the raw material lump, excluding the center, to form a hollow rectangular irradiation area, the peripheral region of the upper side of the raw material lump, excluding the center, will melt first, and the center, which is not hit by the laser light, will melt due to thermal conduction from the molten liquid in the peripheral region that was melted first.

したがって中心部の温度を、周縁領域の温度よりも低く制御することができる。これにより原料塊の融解と融液からの固化と言う相反する行為を、安定的に制御性良く継続することができる。
すなわち、このような温度分布を原料塊の上側面の融液溜まりに持たせることで、この中心部から薄板状単結晶の成長を安定して連続的に行うことができる。
Therefore, the temperature of the central portion can be controlled to be lower than that of the peripheral portion, which allows the opposing actions of melting the raw material mass and solidifying it from the melt to be continued stably and with good controllability.
That is, by providing such a temperature distribution in the melt pool on the upper side of the raw material lump, a thin plate-shaped single crystal can be stably and continuously grown from the center.

さらにレーザ光は、原料塊の上側面に対して、斜め上方の方向から照射しても、真上から垂直方向に照射しても良いが、薄板状単結晶材料の熱伝導率、厚みに応じて、照射角度を最適角度に調整することが好ましい。熱伝導率が高い材料の場合、レーザ光の照射角度は水平方向からの角度を大きく制御し、熱伝導率が低い材料の場合、レーザ光の照射角度は水平方向からの角度を小さく制御することが好ましい。 The laser light may be irradiated onto the upper surface of the raw material lump from an oblique upward direction, or vertically from directly above, but it is preferable to adjust the irradiation angle to an optimal angle depending on the thermal conductivity and thickness of the thin plate-shaped single crystal material. In the case of a material with high thermal conductivity, it is preferable to control the irradiation angle of the laser light to a large angle from the horizontal direction, and in the case of a material with low thermal conductivity, it is preferable to control the irradiation angle of the laser light to a small angle from the horizontal direction.

また、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
前記連続製造工程の後、
連続的に製造された前記薄板状単結晶を、ロール状に巻き取る巻き取り工程と、
をさらに有することを特徴とする。
このように巻き取り工程を有していれば、連続的に製造された薄板状単結晶を確実にロール状に巻き取ることができ、効率的に薄板状単結晶を製造することができる。
The method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention further comprises the steps of:
After the continuous manufacturing process,
a winding step of winding the continuously produced thin plate-like single crystal into a roll;
The present invention is characterized by further comprising:
By including such a winding step, the continuously produced thin plate-shaped single crystal can be reliably wound into a roll, and thus the thin plate-shaped single crystal can be produced efficiently.

また、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
前記融解工程において、
製造される前記薄板状単結晶が分解融解物質である場合には、その組成と平衡共存する液相(これを溶媒相と呼ぶ)の組成物を、最初に必要量、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に配置しておくことを特徴とする。
The method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention further comprises the steps of:
In the melting step,
When the thin plate-shaped single crystal to be produced is a decomposed molten substance, a required amount of a liquid phase (called a solvent phase) composition that coexists in equilibrium with the composition of the decomposed molten substance is first placed on the upper side of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal.

さらに、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
前記融解工程において、
製造される前記薄板状単結晶が添加剤を含む固溶体物質である場合には、その組成と平衡共存する液相(これを溶媒相と呼ぶ)の組成物を、最初に必要量、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に配置しておくことを特徴とする。
Furthermore, the method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention comprises the steps of:
In the melting step,
When the thin plate-shaped single crystal to be produced is a solid solution material containing an additive, a required amount of a liquid phase (called a solvent phase) composition that coexists in equilibrium with the composition of the solid solution is first placed on the upper surface of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal.

これにより最初に原料塊の上側面に形成される溶媒相から薄板状単結晶が固化すると、溶媒相の量は減り、組成は結晶成分が少なくなる。そこで溶媒相の下側ではレーザ光の到達強度が上がり、温度が上がるので、原料塊の融解が進む。 As a result, when a thin plate-shaped single crystal solidifies from the solvent phase that first forms on the upper surface of the raw material lump, the amount of the solvent phase decreases and the composition becomes less crystalline. Therefore, the intensity of the laser light reaches the lower side of the solvent phase and the temperature rises, which causes the raw material lump to melt.

これにより結晶化と原料塊の融解が同時に進むので、得られた製品(薄板状単結晶)中の添加剤濃度は原料塊中の添加剤濃度と同一となり均質となる。このスキームは「溶媒移動法」と呼ばれ、融液法で均質組成の単結晶製品を製造可能とする唯一の手段である。 As a result, crystallization and melting of the raw material mass proceed simultaneously, so the additive concentration in the resulting product (thin plate single crystal) is the same as that in the raw material mass, making it homogeneous. This scheme is called the "solvent transfer method," and is the only means by which single crystal products of homogeneous composition can be produced using the melt method.

このように、製造される薄板状単結晶の組成と平衡共存する液相の組成物を必要量、原料塊の上側面に初めに配置しておくことにより、均質で最適組成の薄板状単結晶を連続的に製造することができる。 In this way, by initially placing the required amount of liquid phase composition that is in equilibrium with the composition of the thin plate single crystal to be produced on the upper surface of the raw material mass, it is possible to continuously produce thin plate single crystals that are homogeneous and have the optimal composition.

また、本発明の薄板状単結晶製造方法は、
前記育成工程において、
前記融解された薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面の融液の中心部に、前記薄板状種子単結晶の前記下側面を浸すことを特徴とする。
The method for producing a thin plate-like single crystal of the present invention further comprises the steps of:
In the growing step,
The method is characterized in that the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the center of the melt on the surface of the upper surface of the molten raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal.

融液の中心部は、継続的に融液が溜まる部位であり、この中心部に薄板状種子単結晶の下側面を浸せば、薄板状種子単結晶を昇降手段で上方へ引き上げることにより、連続的に薄板状単結晶を製造することができる。 The center of the melt is where the melt accumulates continuously, and by immersing the underside of the thin plate-shaped seed single crystal in this center, the thin plate-shaped seed single crystal can be pulled upwards using a lifting means, allowing the thin plate-shaped single crystal to be produced continuously.

本発明の薄板状単結晶製造装置および薄板状単結晶製造方法によれば、薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面を赤外線で融解して融液を形成し、この融液内に薄板状種子単結晶を浸して上方に引き上げることで、添加剤濃度が最適組成で均質であり、厚さが数百μm程度の薄板状の単結晶を、低コストでしかも連続して高精度に製造することができる。 According to the thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method of the present invention, the upper surface of the raw material block for manufacturing the thin plate single crystal is melted with infrared rays to form a melt, and a thin plate seed single crystal is immersed in this melt and pulled upward, making it possible to continuously and precisely manufacture thin plate single crystals with a thickness of several hundred micrometers that have an optimal additive concentration and are homogeneous.

図1は、本発明の第1の実施形態における薄板状単結晶製造装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a thin plate single crystal manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention. 図2は、赤外線照射手段から照射されるレーザ光の照射域の形状を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing the shape of an irradiation area of laser light irradiated from an infrared irradiation means. 図3は、本発明の薄板状単結晶製造装置において、薄板状単結晶製造用原料塊を上側面側から見た状態の概念図である。FIG. 3 is a conceptual diagram showing a state in which a raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal is viewed from the upper side in the thin plate-shaped single crystal producing apparatus of the present invention. 図4は、本発明の第1の実施形態における薄板状単結晶製造装置の他の概略図である。FIG. 4 is another schematic diagram of the thin plate single crystal manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図5は、図1に示した薄板状単結晶製造装置において、薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に形成された融液(融液溜まり)の状態を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the state of the melt (melt pool) formed on the upper side of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal in the thin plate-shaped single crystal producing apparatus shown in FIG. 図6は、図4に示した薄板状単結晶製造装置において、薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に形成された融液(融液溜まり)の状態を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the state of the melt (melt pool) formed on the upper side of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal in the thin plate-shaped single crystal producing apparatus shown in FIG. 図7は、薄板状単結晶製造用原料塊と薄板状種子単結晶と薄板状単結晶の状態を説明するための概略斜視図である。FIG. 7 is a schematic perspective view for explaining the state of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal, the thin plate-shaped seed single crystal, and the thin plate-shaped single crystal. 図8は、本発明の第2の実施形態における薄板状単結晶製造装置の概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram of a thin plate single crystal manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第2の実施形態における別の薄板状単結晶製造装置の概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram of another thin plate single crystal manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第3の実施形態における薄板状単結晶製造装置の概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram of a thin plate single crystal manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention. 図11は、図10に示した薄板状単結晶製造装置の要部拡大図である。FIG. 11 is an enlarged view of the main part of the thin plate single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 図12は、本発明の薄板状単結晶製造方法の各工程を示す概略図である。FIG. 12 is a schematic diagram showing each step of the method for producing a thin plate-shaped single crystal of the present invention. 図13は、本発明の薄板状単結晶製造方法の各工程を示す概略図である。FIG. 13 is a schematic diagram showing each step of the method for producing a thin plate-shaped single crystal of the present invention.

以下、本発明の薄板状単結晶製造装置および薄板状単結晶製造方法について、図面に基づきより詳細に説明する。
本発明の薄板状単結晶製造装置および薄板状単結晶製造方法は、添加剤濃度が最適組成で均質であり、厚さが数百μm程度の薄板状の単結晶を、低コストでしかも連続して高精度に製造するためのものである。
The thin plate single crystal manufacturing apparatus and the thin plate single crystal manufacturing method of the present invention will be described in more detail below with reference to the drawings.
The thin plate single crystal manufacturing apparatus and method of the present invention are intended to produce thin plate single crystals having an optimal additive concentration and a homogeneous composition, and having a thickness of approximately several hundred μm, continuously and with high precision at low cost.

<薄板状単結晶製造装置10>
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態における薄板状単結晶製造装置10は、図1に示したように、まずチャンバー80内の下方に配設された載置台82上に薄板状単結晶製造用原料塊(以下、原料塊とも称する)12が設けられている。この原料塊12は、略直方体をしており、例えば本のような板状体である。
<Thin Plate Single Crystal Manufacturing Apparatus 10>
[First embodiment]
1, in the apparatus 10 for producing a thin plate-shaped single crystal according to the first embodiment of the present invention, a raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal (hereinafter also referred to as raw material lump) 12 is provided on a mounting table 82 disposed at the bottom inside a chamber 80. The raw material lump 12 has a substantially rectangular parallelepiped shape, for example, a plate-like body like a book.

また、チャンバー80の上部側方には、この略直方体の原料塊12の上側面14に対して赤外線16を照射し、上側面14の表面を融解する赤外線照射手段20を備えている。
なお赤外線照射手段20から照射される赤外線16は、レーザ光16aであることが好ましい。
Further, an infrared ray irradiation means 20 is provided on the upper side of the chamber 80 for irradiating the upper side surface 14 of the roughly rectangular parallelepiped raw material lump 12 with infrared rays 16 to melt the surface of the upper side surface 14 .
The infrared rays 16 irradiated from the infrared irradiating means 20 are preferably laser light 16a.

すなわち、図2に示したように、レーザ光16aの照射域の形状を水平方向(図2では上下方向)に細長い中空四角形状とし、図3に示したように、原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域に、この水平方向に細長い中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光16aを合致させて照射することが好ましい。 In other words, as shown in FIG. 2, it is preferable to make the shape of the irradiation area of the laser light 16a a horizontally elongated hollow rectangular shape (vertical direction in FIG. 2), and to irradiate the laser light 16a so as to match it to the peripheral area of the upper side surface 14 of the raw material lump 12 excluding the center, so as to form this horizontally elongated hollow rectangular irradiation area, as shown in FIG. 3.

ここで、赤外線照射手段20から照射されるレーザ光16aは、チャンバー80の側部に設けられた窓22からチャンバー80内に入射され、チャンバー80内の反射鏡24を介して原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域に照射されるようにすることが好ましい。この時、レーザ光16aは、図1に示したように原料塊12の上側面14に対して、斜め上方の方向から照射しても、図4に示したように原料塊12の上側面14に対して、真上から垂直方向に照射しても良いが、単結晶材料の熱伝導率および製造する薄板状単結晶40の厚さなどに合致させて、照射角度を最適角度に制御する。 Here, it is preferable that the laser light 16a emitted from the infrared irradiation means 20 enters the chamber 80 through a window 22 provided on the side of the chamber 80 and is irradiated via a reflector 24 in the chamber 80 to the peripheral region of the upper surface 14 of the raw material lump 12 excluding the center. At this time, the laser light 16a may be irradiated from an obliquely upward direction to the upper surface 14 of the raw material lump 12 as shown in FIG. 1, or may be irradiated from directly above in a vertical direction to the upper surface 14 of the raw material lump 12 as shown in FIG. 4, but the irradiation angle is controlled to an optimal angle in accordance with the thermal conductivity of the single crystal material and the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 to be manufactured.

これにより、原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域が、中心部よりも先に融解され、レーザ光16aの当たっていない中心部は、先に融解された周縁領域の融液18からの熱伝導により融解されることとなる。 As a result, the peripheral region of the upper surface 14 of the raw material lump 12, excluding the center, melts before the center, and the center, which is not hit by the laser light 16a, melts due to thermal conduction from the molten liquid 18 in the peripheral region that melted first.

したがって中心部の温度を、周縁領域の温度よりも低く制御することができ、このような温度分布を原料塊12の上側面14の融液18(融液溜まり)に持たせることで、この中心部から薄板状単結晶40の成長を安定して連続的に行うことができる。 Therefore, the temperature of the center can be controlled to be lower than the temperature of the peripheral region, and by providing such a temperature distribution to the melt 18 (melt pool) on the upper surface 14 of the raw material lump 12, the growth of a thin plate-shaped single crystal 40 can be performed stably and continuously from the center.

すなわち、図5および図6に示したように、原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域にレーザ光16aを照射することで、周縁領域の方が、深くまで融液18が形成され、中心部は周縁領域よりも浅く低い温度の融液18が形成されることとなる。 That is, as shown in Figures 5 and 6, by irradiating the peripheral region of the upper surface 14 of the raw material lump 12, excluding the center, with laser light 16a, melt 18 is formed deeper in the peripheral region, and melt 18 at a lower temperature is formed shallower in the center than in the peripheral region.

なお原料塊12の周囲には、図1,図3,図4に示したように、原料塊12を予め加熱する予熱手段70が設けられており、赤外線照射手段20で原料塊12の上側面14の表面を融解する前に、原料塊12を予め融点近傍まで加熱しておくことが好ましい。このように予め加熱しておけば、あとは赤外線照射手段20による赤外線16の照射量を大幅に低減することができ、位置や照射量を微調整することで、融液18(融液溜まり)の範囲を微調整することができる。 As shown in Figures 1, 3 and 4, a preheating means 70 for preheating the raw material lump 12 is provided around the raw material lump 12, and it is preferable to preheat the raw material lump 12 to near its melting point before melting the surface of the upper side 14 of the raw material lump 12 with the infrared irradiation means 20. By preheating in this way, the amount of infrared rays 16 irradiated by the infrared irradiation means 20 can be significantly reduced, and the range of the melt 18 (melt pool) can be fine-tuned by fine-tuning the position and amount of irradiation.

一方、チャンバー80の上方には、赤外線照射手段20にて融解され、原料塊12の上側面14の表面に得られた融液18中に、薄板状種子単結晶32の下側面34を浸すとともに、浸した状態から薄板状種子単結晶32を上方に引き上げる昇降手段30が設けられている。 On the other hand, above the chamber 80, a lifting means 30 is provided for immersing the lower surface 34 of the thin seed single crystal 32 in the molten liquid 18 obtained on the surface of the upper surface 14 of the raw material lump 12, which is melted by the infrared irradiation means 20, and for lifting the thin seed single crystal 32 upward from the immersed state.

昇降手段30としては特に限定されるものではないが、例えば製造された薄板状単結晶40を連続してロール状に巻き取る巻き取り手段50であることが好ましい。具体的な構成としては、製造された薄板状単結晶40を連続して巻き取る巻装軸36と、巻装軸36を回動させる回動手段38とを有するものである。 The lifting means 30 is not particularly limited, but is preferably, for example, a winding means 50 that continuously winds the manufactured thin plate single crystal 40 into a roll. Specifically, it has a winding shaft 36 that continuously winds the manufactured thin plate single crystal 40, and a rotating means 38 that rotates the winding shaft 36.

ここで薄板状種子単結晶32の下側面34の大きさは、原料塊12の上側面14よりも一回り小さく設定されている。例えば具体的な両者の大きさの関係として、薄板状種子単結晶32の下側面34の大きさよりも原料塊12の上側面14の大きさは厚さ方向および横方向のいずれにおいてもそれぞれ数mm以上、大きく設定されている。すなわち、融液18中に薄板状種子単結晶32の下側面34を全て浸すことができる大きさに設定されている。 Here, the size of the underside 34 of the thin plate-shaped seed single crystal 32 is set to be slightly smaller than the upper side 14 of the raw material lump 12. For example, as a specific relationship between the sizes of the two, the size of the upper side 14 of the raw material lump 12 is set to be several mm or more larger in both the thickness direction and the lateral direction than the size of the underside 34 of the thin plate-shaped seed single crystal 32. In other words, the size is set so that the entire underside 34 of the thin plate-shaped seed single crystal 32 can be immersed in the melt 18.

そして、赤外線照射手段20によって原料塊12の上側面14の表面に得られた融液18の中心部に、図7に示したように、昇降手段30を介して薄板状種子単結晶32の下側面34を浸すことで、浸された薄板状種子単結晶32の下側面34から単結晶の育成が開始され、さらに昇降手段30を介して薄板状種子単結晶32を上方に引き上げることで、連続的に薄板状単結晶40が製造されるようになる。 Then, as shown in FIG. 7, the lower surface 34 of the thin plate-shaped seed single crystal 32 is immersed in the center of the melt 18 obtained on the surface of the upper surface 14 of the raw material lump 12 by the infrared irradiation means 20 via the lifting means 30, and the growth of a single crystal begins from the lower surface 34 of the immersed thin plate-shaped seed single crystal 32. The thin plate-shaped seed single crystal 32 is then pulled upward via the lifting means 30, and the thin plate-shaped single crystal 40 is continuously produced.

製造される薄板状単結晶40の厚さは、定常状態では融液温度、および薄板状種子単結晶32の引上速度などにより調整可能であり、例えば100μm~3000μmを超える程度の厚さとすることができる。ただし、薄板状単結晶40の厚さが500μmを超えると巻き取り手段50が大型化してしまうので、500μmを超える場合には巻き取らずに上方に引上げて製品とすることもできる。特に太陽電池用シリコン薄板状単結晶を製造する場合、薄板状単結晶40の厚さは200μm~400μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 produced can be adjusted in a steady state by the melt temperature and the pulling speed of the thin plate-shaped seed single crystal 32, and can be, for example, from 100 μm to more than 3000 μm. However, if the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 exceeds 500 μm, the winding means 50 will become too large, so if it exceeds 500 μm, it can be pulled upward without being wound to produce a product. In particular, when producing thin plate-shaped single crystals of silicon for solar cells, it is preferable that the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 is within the range of 200 μm to 400 μm.

なお、融液温度と引上速度との間には相関関係がある。すなわち、融液温度が高い場合には薄板状単結晶40の成長に必要な冷却量が増えるので、引上速度を遅くし、融液温度が低い場合には薄板状単結晶40の引上速度を速めることで、薄板状単結晶40の生産性を高めることができる。ただし、引上速度が速すぎるといわゆる「セル成長」が発生し易くなり、薄板状単結晶40の結晶特性が劣化するので、適宜引上速度を調整することが好ましい。 There is a correlation between the melt temperature and the pulling speed. That is, when the melt temperature is high, the amount of cooling required to grow the thin plate single crystal 40 increases, so the pulling speed is slowed down, and when the melt temperature is low, the pulling speed of the thin plate single crystal 40 is increased, thereby increasing the productivity of the thin plate single crystal 40. However, if the pulling speed is too fast, so-called "cell growth" is likely to occur, and the crystal properties of the thin plate single crystal 40 will deteriorate, so it is preferable to adjust the pulling speed appropriately.

なお、融液18に浸される薄板状種子単結晶32の厚さとしては、例えば300μm~500μm程度の厚さとすれば良い。このような厚さの薄板状種子単結晶32であれば、融液温度および引上速度を調節することにより所望の厚さの薄板状単結晶40を連続的に製造することができ好ましい。 The thickness of the thin plate-shaped seed single crystal 32 immersed in the melt 18 may be, for example, about 300 μm to 500 μm. A thin plate-shaped seed single crystal 32 of this thickness is preferable because it is possible to continuously produce a thin plate-shaped single crystal 40 of the desired thickness by adjusting the melt temperature and pulling speed.

また図1および図4中では、薄板状単結晶40の厚さと薄板状種子単結晶32の厚さを異ならせて図示しているが、これは図中で薄板状単結晶40と薄板状種子単結晶32の区別がつくように敢えてしたものであって、特に両者の厚さの関係を限定するものではないものである。 In addition, in Figures 1 and 4, the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 and the thickness of the thin plate-shaped seed single crystal 32 are shown to be different, but this is done intentionally so that the thin plate-shaped single crystal 40 and the thin plate-shaped seed single crystal 32 can be distinguished in the figures, and does not particularly limit the relationship between the thicknesses of the two.

なおこのとき巻き取り手段50の巻装軸36に、薄板状種子単結晶32を複数(図7では3本)の、熱に強く高強度な細線52を介して吊り下げておくことが好ましい。特に薄板状種子単結晶32において、細線52が取り付けられた部位の厚さを、薄板状種子単結晶32の厚さ以下とすれば、巻装軸36に薄板状単結晶40を巻き取る際に、薄板状単結晶40の表面が細線52に接触して破損が生ずることを確実に防止することができる。 At this time, it is preferable to suspend the thin plate-shaped seed single crystal 32 from the winding shaft 36 of the winding means 50 via a plurality of (three in FIG. 7) thin wires 52 that are heat-resistant and high-strength. In particular, if the thickness of the portion of the thin plate-shaped seed single crystal 32 to which the thin wires 52 are attached is set to be equal to or less than the thickness of the thin plate-shaped seed single crystal 32, it is possible to reliably prevent the surface of the thin plate-shaped single crystal 40 from coming into contact with the thin wires 52 and causing damage when the thin plate-shaped single crystal 40 is wound around the winding shaft 36.

薄板状種子単結晶32に細線52を取り付ける方法としては特に限定されるものではないが、例えば薄板状種子単結晶32の端部に細線52を結びつけるための貫通穴を数カ所設けるとともに、この貫通穴とつながるように凹溝を薄板状種子単結晶32の両面に設け、薄板状種子単結晶32に細線52を結び付けた際に、この凹溝内に細線52が嵌り、薄板状種子単結晶32よりも外方に細線52が出っ張らないようにすると良い。このようにすることにより、薄板状単結晶40を巻き取る際に、薄板状単結晶40の表面が細線52に接触して破損が生ずることを確実に防止することができる。 The method of attaching the thin wire 52 to the thin seed single crystal 32 is not particularly limited, but for example, it is preferable to provide several through holes at the end of the thin seed single crystal 32 for tying the thin wire 52, and provide grooves on both sides of the thin seed single crystal 32 to connect with the through holes, so that when the thin wire 52 is tied to the thin seed single crystal 32, the thin wire 52 fits into the grooves and does not protrude outward from the thin seed single crystal 32. By doing so, it is possible to reliably prevent the surface of the thin seed single crystal 40 from coming into contact with the thin wire 52 and causing damage when the thin seed single crystal 40 is wound up.

また、本薄板状単結晶製造装置10においては、昇降手段30と原料塊12の間に、連続的に製造される薄板状単結晶40の揺れを防止し、成長位置がズレを生じないように所定の範囲内に留める揺れ止め部材60と、融液18から発せられる輻射熱を、連続的に製造される薄板状単結晶40に届き難いように遮蔽する遮蔽部材62と、を設けておくことが好ましい。 In addition, in the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10, it is preferable to provide a vibration prevention member 60 between the lifting means 30 and the raw material lump 12 to prevent the continuously manufactured thin plate single crystals 40 from shaking and to keep the growth position within a predetermined range so as not to shift, and a shielding member 62 to block the radiant heat emitted from the melt 18 so that it does not reach the continuously manufactured thin plate single crystals 40.

揺れ止め部材60を設けることで、製造された薄板状単結晶40が、左右に振れ過ぎ成長位置がズレを生ずることを抑制でき、高品質な薄板状単結晶40を連続的に製造することができる。 By providing the anti-vibration member 60, it is possible to prevent the produced thin plate-shaped single crystal 40 from vibrating too much to the left or right, which would cause the growth position to shift, and it is possible to continuously produce high-quality thin plate-shaped single crystal 40.

また遮蔽部材62を設けることで、薄板状単結晶40の製造速度を速めることができる。すなわち、原料を融解し、単結晶として固化させる方法は融液法と呼ばれるが、この融液法における単結晶の成長速度は、結晶が固化する際に放出される結晶化潜熱を、融液に接触している単結晶中の熱伝導によって効率良く排熱することで速められる。 The provision of the shielding member 62 also makes it possible to increase the production speed of the thin plate-shaped single crystal 40. In other words, the method of melting the raw material and solidifying it into a single crystal is called the melt method, and the growth speed of the single crystal in this melt method is increased by efficiently dissipating the latent heat of crystallization released when the crystal solidifies through thermal conduction within the single crystal in contact with the melt.

したがって、例えば赤外線16(レーザ光16a)の光路を遮らないように遮蔽部材62を設ければ、薄板状単結晶40への輻射熱の到達量を減らし、薄板状単結晶40の温度を上げないことにより結晶化潜熱を効率良く排熱でき、薄板状単結晶40の製造効率を高めることができる。 Therefore, for example, if a shielding member 62 is provided so as not to block the optical path of the infrared rays 16 (laser light 16a), the amount of radiant heat reaching the thin plate-shaped single crystal 40 is reduced, and the crystallization latent heat can be efficiently discharged by not increasing the temperature of the thin plate-shaped single crystal 40, thereby improving the manufacturing efficiency of the thin plate-shaped single crystal 40.

このように、本薄板状単結晶製造装置10を用いることで、連続的に薄板状単結晶40を製造することができるが、薄板状単結晶40を連続して製造していくと、原料塊12の上側面14の表面に得られた融液18が減り、上側面14の位置が下がってしまうこととなる。このようになってしまうと赤外線照射手段20による赤外線の照射位置を、所望の位置となるように制御する必要がある。 In this way, by using the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10, thin plate single crystals 40 can be manufactured continuously. However, when the thin plate single crystals 40 are manufactured continuously, the amount of melt 18 obtained on the surface of the upper side 14 of the raw material lump 12 decreases, and the position of the upper side 14 drops. When this happens, it is necessary to control the position of infrared irradiation by the infrared irradiation means 20 so that it is the desired position.

本実施形態においては、赤外線16の照射位置を制御する代わりに、原料塊12を載置する載置台82に、載置台82の上下方向の位置を制御する位置制御手段84を備えている。 In this embodiment, instead of controlling the irradiation position of the infrared rays 16, the table 82 on which the raw material lump 12 is placed is provided with a position control means 84 that controls the vertical position of the table 82.

このよう位置制御手段84を備えることで、連続的に製造された薄板状単結晶40の引上げに伴って、原料塊12の上側面14の融液18の位置が下がっても、載置台82を上げて原料塊12の上側面14の融液18の位置を当初の位置と同位置に保つことができ、常に融液18の液面位置を同じ位置にすることができる。 By providing such a position control means 84, even if the position of the melt 18 on the upper surface 14 of the raw material lump 12 drops as the continuously produced thin plate-shaped single crystal 40 is pulled up, the mounting table 82 can be raised to keep the position of the melt 18 on the upper surface 14 of the raw material lump 12 at the same position as it was initially, and the liquid surface position of the melt 18 can always be kept at the same position.

したがって、常に同じ位置に赤外線16が照射されるようにすれば良く、薄板状単結晶40を安定的に歩留まり良く連続的に製造することができる。ここで図4および図6に示した薄板状単結晶製造装置10のように、原料塊12の上側面14に対し、レーザ光16aを原料塊12の真上から垂直に照射する場合には、原料塊12の上側面14の位置が変動しても融液18の温度は変わらないので、原料塊12の上側面14の位置制御をしなくても良い。
なお、上述した薄板状単結晶製造装置10に用いられる原料塊12は、製造される薄板状単結晶40の材料の組成の原料塊12である。ただし、薄板状単結晶40の材料が分解融解物質である場合には、この原料塊12を、本薄板状単結晶製造装置10でそのまま融解して固化させても、目的とする薄板状単結晶40を得ることはできない。
Therefore, it is only necessary to always irradiate the same position with the infrared rays 16, and it is possible to stably and continuously produce the thin plate single crystals 40 with good yield. Here, when the laser light 16a is irradiated vertically from directly above the upper surface 14 of the raw material lump 12 as in the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 shown in Figures 4 and 6, the temperature of the melt 18 does not change even if the position of the upper surface 14 of the raw material lump 12 fluctuates, so there is no need to control the position of the upper surface 14 of the raw material lump 12.
The raw material lump 12 used in the above-mentioned thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 has the same composition as the material of the thin plate single crystal 40 to be manufactured. However, if the material of the thin plate single crystal 40 is a decomposed melting substance, the intended thin plate single crystal 40 cannot be obtained even if the raw material lump 12 is melted and solidified as it is in the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10.

そこで製造される薄板状単結晶40の材料の組成と平衡共存する液相の組成物を、液相の量だけ原料塊12の上側面14に載せておき、最初にこれを融解する。このようにすると原料塊12の上側面14に溶けている溶媒が載っている状態となる。 The liquid phase composition that is in equilibrium with the composition of the material of the thin plate-shaped single crystal 40 to be produced is placed on the upper surface 14 of the raw material lump 12 in an amount sufficient for the liquid phase, and this is melted first. In this way, the upper surface 14 of the raw material lump 12 is placed with the dissolved solvent.

このようにしてから薄板状単結晶40を製造すると、単結晶として固化したのと同量の原料塊12が融解するため、溶媒の量と組成は最初から最後まで変わらず、見かけ上、溶媒相が原料塊12を溶かしつつ単結晶を析出しながら移動している様子に見える。 When the thin plate-shaped single crystal 40 is produced in this manner, the same amount of raw material lump 12 that solidified as the single crystal is melted, so the amount and composition of the solvent remain unchanged from start to finish, and it appears as if the solvent phase is moving while dissolving the raw material lump 12 and precipitating the single crystal.

このスキームを「溶媒移動法」と呼ぶ。本薄板状単結晶製造装置10によって得られる薄板状単結晶40が分解融解物質である場合や添加剤を含む固溶体物質である場合、得られる薄板状単結晶40中の添加剤濃度を均質にするには、この「溶媒移動法」を用いることが重要である。 This scheme is called the "solvent migration method." When the thin plate single crystal 40 obtained by the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 is a decomposed molten material or a solid solution material containing additives, it is important to use this "solvent migration method" to make the additive concentration in the obtained thin plate single crystal 40 homogenous.

[第2の実施形態]
次に本発明の薄板状単結晶製造装置10の第2の実施形態について説明する。
図8および図9は、本発明の第2の実施形態における薄板状単結晶製造装置10である。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the present invention will be described.
8 and 9 show an apparatus 10 for producing a thin plate-shaped single crystal according to a second embodiment of the present invention.

図8および図9に示した薄板状単結晶製造装置10は、基本的には図1~図7に示した第1の実施形態の薄板状単結晶製造装置10と同じ構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略し、相違点について説明する。 The thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 shown in Figures 8 and 9 is basically the same in configuration as the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the first embodiment shown in Figures 1 to 7, so the same components are given the same reference numbers and detailed descriptions are omitted, and only the differences will be described.

本発明の第2の実施形態における薄板状単結晶製造装置10は、図8および図9に示したように、チャンバー80において、チャンバー80内を、添加剤を含んだ雰囲気ガスで満たすガス導入装置90が備えられている点で、第1の実施形態における薄板状単結晶製造装置10と異なっている。 As shown in Figures 8 and 9, the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 in the second embodiment of the present invention differs from the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 in the first embodiment in that the chamber 80 is provided with a gas introduction device 90 that fills the chamber 80 with an atmospheric gas containing an additive.

ガス導入装置90は、チャンバー80の上部側方に設けられ、ガス導入装置90から導入管92を介してチャンバー80内に、雰囲気ガスが導入されるようになっている。またチャンバー80の下方側方には、排出管94が設けられ、この排出管94からチャンバー80外に雰囲気ガスを排出できるようになっている。 The gas introduction device 90 is provided on the upper side of the chamber 80, and atmospheric gas is introduced from the gas introduction device 90 into the chamber 80 via an introduction pipe 92. In addition, an exhaust pipe 94 is provided on the lower side of the chamber 80, and the atmospheric gas can be exhausted from this exhaust pipe 94 to the outside of the chamber 80.

これにより、チャンバー80内は、薄板状単結晶40の製造に適した雰囲気ガスで満たされた状態を維持することができ、添加剤濃度が均質で高品質な薄板状単結晶40を連続的に製造することができる。 This allows the chamber 80 to be kept filled with an atmospheric gas suitable for producing thin plate-shaped single crystals 40, and allows for the continuous production of high-quality thin plate-shaped single crystals 40 with a uniform additive concentration.

なお雰囲気ガスは、製造される薄板状単結晶40の材料の特性に合わせて用意すれば良く、例えばN型シリコンの薄板状単結晶を製造する場合には、雰囲気ガスとしてホスフィン(PH3)を最適濃度に含有する高純度アルゴンガスをチャンバー80内に導入することが好ましい。 The atmospheric gas may be prepared according to the characteristics of the material of the thin plate single crystal 40 being manufactured. For example, when manufacturing a thin plate single crystal of N-type silicon, it is preferable to introduce high-purity argon gas containing an optimal concentration of phosphine ( PH3 ) into the chamber 80 as the atmospheric gas.

また、図9に示したように、例えば赤外線照射手段20から照射された赤外線16(レーザ光16a)をチャンバー80内に導光するための窓22や、チャンバー80内に導光された赤外線16(レーザ光16a)を原料塊12の上側面14に導光するための反射鏡24などをカバー部材42で覆い、積極的にこのカバー部材42内にガス導入装置90から雰囲気ガスが導入されるようにしても良いものである。 Also, as shown in FIG. 9, for example, a window 22 for guiding the infrared rays 16 (laser light 16a) irradiated from the infrared irradiating means 20 into the chamber 80, and a reflector 24 for guiding the infrared rays 16 (laser light 16a) guided into the chamber 80 to the upper surface 14 of the raw material lump 12, etc., may be covered with a cover member 42, and atmospheric gas may be actively introduced into this cover member 42 from a gas introduction device 90.

このようにカバー部材42内に雰囲気ガスが導入されれば、窓22,反射鏡24などに、融液18から生ずる蒸発物が付着してしまうことを防止することができ、添加剤濃度が均質で高品質な薄板状単結晶40を安定的に歩留まり良く連続的に製造することができる。 By introducing the atmospheric gas into the cover member 42 in this manner, it is possible to prevent evaporation products from the melt 18 from adhering to the window 22, reflector 24, etc., and it is possible to stably and continuously produce high-quality thin plate-shaped single crystals 40 with a homogenous additive concentration with good yield.

[第3の実施形態]
次に本発明の薄板状単結晶製造装置10の第3の実施形態について説明する。
図10および図11は、本発明の第3の実施形態における薄板状単結晶製造装置10である。
[Third embodiment]
Next, a third embodiment of the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the present invention will be described.
10 and 11 show a thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 according to a third embodiment of the present invention.

図10および図11に示した薄板状単結晶製造装置10は、基本的には図1~図7に示した第1の実施形態の薄板状単結晶製造装置10と同じ構成であるので、同じ構成部材には、同じ参照番号を付してその詳細な説明を省略し、相違点について説明する。 The thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 shown in Figures 10 and 11 has basically the same configuration as the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the first embodiment shown in Figures 1 to 7, so the same components are given the same reference numbers and detailed descriptions are omitted, and only the differences will be described.

本発明の第3の実施形態における薄板状単結晶製造装置10は、図10および図11に示したように、昇降手段30が、原料塊12の上部に複数(図10では2つ)設けられている点で、第1の実施形態における薄板状単結晶製造装置10と異なっている。 As shown in Figures 10 and 11, the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 in the third embodiment of the present invention differs from the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 in the first embodiment in that multiple lifting means 30 (two in Figure 10) are provided above the raw material block 12.

具体的には、昇降手段30(巻き取り手段50)がチャンバー80の上部に左右に2つ並べて設けられており、原料塊12の上側面14の融液18に薄板状種子単結晶32,32を浸し、これをそれぞれに昇降手段30,30(巻き取り手段50,50)で上方に引き上げることで、薄板状単結晶40,40をそれぞれ製造することができるようになっている。
このように昇降手段30が原料塊12の上部に複数設けられていれば、昇降手段30が一つの場合と比べ、薄板状単結晶40の製造効率を格段に向上させることができる。
Specifically, two lifting means 30 (winding means 50) are provided side by side on the upper part of the chamber 80, and thin plate-shaped seed single crystals 32, 32 are immersed in the molten liquid 18 on the upper surface 14 of the raw material lump 12, and then pulled upward by the lifting means 30, 30 (winding means 50, 50), thereby producing thin plate-shaped single crystals 40, 40, respectively.
When a plurality of lifting means 30 are provided above the raw material ingot 12 in this manner, the production efficiency of the thin plate-shaped single crystal 40 can be significantly improved compared to when only one lifting means 30 is provided.

<薄板状単結晶製造方法>
次に、本発明の薄板状単結晶製造装置10を用いた薄板状単結晶製造方法について説明する。
<Method for producing thin plate-shaped single crystals>
Next, a method for producing a thin plate single crystal using the thin plate single crystal producing apparatus 10 of the present invention will be described.

まず図12(a)に示したように、チャンバー80内の載置台82に原料塊12を載せてチャンバー80内を密閉し、原料塊12の上側面の上部に、原料塊12の長さ方向と薄板状種子単結晶32の延設方向が一致するように薄板状種子単結晶32を配設する。薄板状種子単結晶32は、細線52を介して巻き取り手段50の巻装軸36から吊り下げられている。 First, as shown in FIG. 12(a), the raw material lump 12 is placed on the mounting table 82 in the chamber 80 to seal the chamber 80, and the thin plate-shaped seed single crystal 32 is placed on the upper part of the upper side of the raw material lump 12 so that the length direction of the raw material lump 12 and the extension direction of the thin plate-shaped seed single crystal 32 coincide with each other. The thin plate-shaped seed single crystal 32 is suspended from the winding shaft 36 of the winding means 50 via a thin wire 52.

なお、チャンバー80内は、排気管(図示せず)を介して雰囲気が真空排気され、製造される薄板状単結晶40の材料の特性に合わせた雰囲気ガスが、ガス導入装置(図示せず)を介してチャンバー80内に導入される。 The atmosphere in the chamber 80 is evacuated to a vacuum via an exhaust pipe (not shown), and an atmospheric gas that matches the characteristics of the material of the thin plate-shaped single crystal 40 being manufactured is introduced into the chamber 80 via a gas introduction device (not shown).

次いで、予熱手段70によって原料塊12の温度を融点近傍まで上げておく。次いで図12(b)に示したように、赤外線照射手段20を介して原料塊12の上側面14に対して赤外線16(レーザ光16a)を照射し、上側面14の表面を融解する。 Next, the temperature of the raw material lump 12 is raised to near its melting point by the preheating means 70. Next, as shown in FIG. 12(b), infrared rays 16 (laser light 16a) are irradiated onto the upper surface 14 of the raw material lump 12 via the infrared irradiation means 20 to melt the surface of the upper surface 14.

赤外線16(レーザ光16a)の照射域の形状は、水平方向に細長い中空四角形状であり、原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域に、この水平方向に細長い中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光16aを合致させて照射する。 The shape of the irradiation area of the infrared rays 16 (laser light 16a) is a horizontally elongated hollow rectangle, and the laser light 16a is irradiated to the peripheral area of the upper surface 14 of the raw material lump 12, excluding the center, so as to form this horizontally elongated hollow rectangular irradiation area.

これにより、原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域が、中心部よりも先に融解され、レーザ光16aの当たっていない中心部は、先に融解された周縁領域の融液18からの熱伝導により融解される。 As a result, the peripheral region of the upper surface 14 of the raw material lump 12, excluding the center, melts before the center, and the center, which is not hit by the laser light 16a, melts due to thermal conduction from the melt 18 in the peripheral region that melted first.

次いで図12(c)に示したように、原料塊12の上側面14に得られた融液18の中心部に、昇降手段30(巻き取り手段50)を介して、薄板状種子単結晶32の下側面34を浸し、薄板状種子単結晶32の下側面34から単結晶の育成を開始させる。 Next, as shown in FIG. 12(c), the lower surface 34 of the thin seed single crystal 32 is immersed in the center of the melt 18 obtained on the upper surface 14 of the raw material lump 12 via the lifting means 30 (winding means 50), and the growth of the single crystal begins from the lower surface 34 of the thin seed single crystal 32.

次いで図13(a)に示したように、昇降手段30(巻き取り手段50)を介して薄板状種子単結晶32を上方に引上げ、薄板状単結晶40を連続的に製造する。
次いで図13(b)に示したように、薄板状単結晶40の連続的な製造に伴って、載置台82の位置を、位置制御手段84を介して上方に移動させる。これにより、引上げに伴って原料塊12の融液18の位置が下がっても、当初の位置を保つように原料塊12の位置を位置制御し、常に融液18の液面位置を同じ位置とする。
ここで図4および図6に示した薄板状単結晶製造装置10のように、原料塊12の上側面14に対し、レーザ光16aを原料塊12の真上から垂直に照射する場合には、原料塊12の上側面14の位置が変動しても融液18の温度は変わらないので、原料塊12の上側面14の位置を一定の位置に制御しなくても良い。
Next, as shown in FIG. 13( a ), the thin plate-shaped seed single crystal 32 is pulled upward by the lifting means 30 (winding means 50 ), and the thin plate-shaped single crystal 40 is continuously produced.
13(b), as the thin plate single crystal 40 is continuously produced, the position of the mounting table 82 is moved upward via the position control means 84. As a result, even if the position of the melt 18 of the raw material lump 12 drops as it is pulled up, the position of the raw material lump 12 is controlled so as to maintain the original position, and the liquid surface position of the melt 18 is always kept at the same position.
Here, when laser light 16a is irradiated vertically from directly above the upper surface 14 of raw material lump 12 as in the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 shown in Figures 4 and 6, the temperature of the melt 18 does not change even if the position of the upper surface 14 of raw material lump 12 fluctuates, so there is no need to control the position of the upper surface 14 of raw material lump 12 to a constant position.

最後に図13(c)に示したように、赤外線照射手段20による赤外線16(レーザ光16a)の照射量を増やして融液18の温度を上げ薄板状単結晶40を融液18から切り離し、昇降手段30(巻き取り手段50)により連続的に製造された薄板状単結晶40の巻き取りを終え、赤外線照射手段20による赤外線16(レーザ光16a)の照射を終えれば、薄板状単結晶40の製造が完了となる。 Finally, as shown in FIG. 13(c), the amount of infrared rays 16 (laser light 16a) irradiated by the infrared irradiating means 20 is increased to raise the temperature of the melt 18 and separate the thin plate-shaped single crystal 40 from the melt 18. The continuously produced thin plate-shaped single crystal 40 is wound up by the lifting means 30 (winding means 50), and irradiation of infrared rays 16 (laser light 16a) by the infrared irradiating means 20 is terminated, completing the production of the thin plate-shaped single crystal 40.

[実施例1]
本発明の薄板状単結晶製造装置10を用いて、リンを添加したN型シリコンの薄板状単結晶40を製造した。
[Example 1]
Using the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the present invention, a thin plate single crystal 40 of N-type silicon doped with phosphorus was manufactured.

なお原料塊12として、幅400mm、厚み50mm、高さ500mmの立方体状の原料塊12を用いた。
一方、薄板状種子単結晶32として、(111)面を有する幅350mm、厚み0.3mm、高さ100mmのシリコンの薄板状種子単結晶32を用いた。シリコンは(111)面方向にファセットと呼ばれる平坦状の面が現れやすい性質があり、この平坦状の面を、薄板状種子単結晶32の板面とした。薄板状種子単結晶32は、予め3本の細線52を介して巻き取り手段50の巻装軸36に取り付けた。
The raw material lump 12 used was a cube having a width of 400 mm, a thickness of 50 mm, and a height of 500 mm.
On the other hand, a thin plate-shaped silicon seed single crystal 32 having a (111) plane and a width of 350 mm, a thickness of 0.3 mm, and a height of 100 mm was used as the thin plate-shaped seed single crystal 32. Silicon has a tendency to have flat surfaces called facets in the (111) plane direction, and this flat surface was used as the plate surface of the thin plate-shaped seed single crystal 32. The thin plate-shaped seed single crystal 32 was attached to the winding shaft 36 of the winding means 50 via three thin wires 52 in advance.

まず、チャンバー80内の載置台82上にこの原料塊12を載せ、チャンバー80を閉じて内部の雰囲気を真空状態とした。
次いでチャンバー80内に、雰囲気ガスを導入した。雰囲気ガスとしては、高純度アルゴンガスを使用し、リンを添加するためにホスフィン(PH3)ガスを必要量添加したものを用いた。
First, the raw material lump 12 was placed on the placement table 82 in the chamber 80, and the chamber 80 was closed to create a vacuum inside the chamber.
Next, an atmospheric gas was introduced into the chamber 80. High purity argon gas was used as the atmospheric gas, and a necessary amount of phosphine (PH 3 ) gas was added to add phosphorus.

この原料塊12を、まずは予熱手段70で融点近傍まで加熱し、加熱を確認したら、この原料塊12の上側面14の中心部および最周縁部を除く周縁領域に、幅20mm、長さ396mmのレーザ光を左右からそれぞれ水平方向からの角度60度で終端部から2mm離して照射し、同時に原料塊12の長さ方向の両端部には原料塊12の中心線上、端から2mm離して幅6mmの直角な照射域形状を有するレーザ光16aを水平方向から60度の角度でそれぞれ照射した。照射域の形状は全体的には水平方向に細長い中空四角形状となっている。これにより上側面14の全域を融解した。 First, the raw material lump 12 is heated to near its melting point by the preheating means 70. Once heating is confirmed, the peripheral region of the upper surface 14 of the raw material lump 12, excluding the center and outermost edge, is irradiated with a laser beam 20 mm wide and 396 mm long from the left and right, at an angle of 60 degrees from the horizontal and 2 mm away from the end, and at the same time, both ends of the length of the raw material lump 12 are irradiated with a laser beam 16a having a right-angled irradiation area shape of 6 mm wide, 2 mm away from the end, on the center line of the raw material lump 12, at an angle of 60 degrees from the horizontal. The overall shape of the irradiation area is a hollow rectangle that is elongated horizontally. This melts the entire upper surface 14.

巻き取り手段50の巻装軸36を回転させ、融解して得られた融液18の中心部に、上記したシリコンの薄板状種子単結晶32の下側面34を浸し、薄板状種子単結晶32の下側面34から薄板状単結晶40を成長させながら、今度は巻装軸36を逆方向に回転させ、薄板状種子単結晶32を上方に引上げ、上部で巻装軸36に薄板状単結晶40を連続的にロール状に巻き取り、長さ10mを超える長尺の薄板状単結晶40を製造した。 The winding shaft 36 of the winding means 50 is rotated, and the lower surface 34 of the thin silicon seed single crystal 32 is immersed in the center of the melt 18 obtained by melting. A thin single crystal 40 is grown from the lower surface 34 of the thin seed single crystal 32. Then, the winding shaft 36 is rotated in the opposite direction, and the thin seed single crystal 32 is pulled upward. The thin single crystal 40 is continuously wound in a roll around the winding shaft 36 at the top, producing a long thin single crystal 40 with a length of more than 10 m.

なお、薄板状種子単結晶32は、直径0.05mm程度のカーボンファイバー細線52で巻き取り手段50の巻装軸36にセットされ、回動手段38で巻装軸36の回転方向や回転速度を制御することで、薄板状種子単結晶32を上下方向に移動させた。 The thin seed single crystal 32 was set on the winding shaft 36 of the winding means 50 with a thin carbon fiber wire 52 having a diameter of about 0.05 mm, and the thin seed single crystal 32 was moved up and down by controlling the rotation direction and rotation speed of the winding shaft 36 with the rotating means 38.

融液18の中心部に薄板状種子単結晶32が浸されると、直ぐに結晶化が始まり、薄板状種子単結晶32の浸された部分は厚くなるものの、このまま放置すると厚くなった部分が融解して薄くなることを確認した。 When the thin plate-shaped seed single crystal 32 is immersed in the center of the melt 18, crystallization begins immediately, and the immersed portion of the thin plate-shaped seed single crystal 32 thickens, but it was confirmed that if left in this state, the thickened portion melts and becomes thinner.

この状態で、薄板状種子単結晶32を上方に引き上げ、製造された薄板状単結晶40の厚さをカメラで確認し、引上げ速度とレーザ光16aの照射強度を調整しながら厚さを0.3mmに制御して巻装軸36を回転させ、連続的に薄板状単結晶40を巻装軸36に巻き取った。 In this state, the thin plate-shaped seed single crystal 32 was pulled upward, and the thickness of the produced thin plate-shaped single crystal 40 was checked with a camera. The pulling speed and the irradiation intensity of the laser light 16a were adjusted to control the thickness to 0.3 mm, and the winding shaft 36 was rotated, and the thin plate-shaped single crystal 40 was continuously wound around the winding shaft 36.

なお、薄板状種子単結晶32の引上げ速度を遅くすると、薄板状単結晶40の厚さが厚くなり、引上げ速度を速めると薄板状単結晶40の厚さが薄くなることを確認した。毎分30mmの速度で厚さ0.3mmの薄板状単結晶40が連続して引き上がるように融液温度を調節した。 It was confirmed that the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 increases when the pulling speed of the thin plate-shaped seed single crystal 32 is slowed down, and the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 decreases when the pulling speed is increased. The melt temperature was adjusted so that the thin plate-shaped single crystal 40 with a thickness of 0.3 mm was continuously pulled up at a speed of 30 mm per minute.

ここで薄板状単結晶40の引上げに伴い、原料塊12の融液18の液面位置が下がるので、当初の位置を保つように原料塊12を載せている載置台82の位置を、位置制御手段84を介して所定の位置に制御し、常に原料塊12の融液18の液面位置を当初の位置と同じ位置となるようにしている。 As the thin plate single crystal 40 is pulled up, the liquid surface position of the melt 18 in the raw material lump 12 drops, so the position of the mounting table 82 on which the raw material lump 12 is placed is controlled to a predetermined position via the position control means 84 so that the liquid surface position of the melt 18 in the raw material lump 12 is always kept at the same position as the original position.

このようにして製造された10mを超える長尺で、厚さが0.3mm、幅が383~386mmの薄板状単結晶40を、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)法を用いて確認したところ、添加剤であるリンの濃度が最適組成で均質であり、高品質であることが確認され、本発明の薄板状単結晶製造装置10および薄板状単結晶製造方法の優位性が確認できた。 The thin plate single crystal 40 thus produced, which was over 10 m long, had a thickness of 0.3 mm, and a width of 383 to 386 mm, was examined using secondary ion mass spectrometry (SIMS) and found to have an optimal, homogeneous concentration of the additive phosphorus, and to be of high quality, confirming the superiority of the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 and thin plate single crystal manufacturing method of the present invention.

次に上述した本発明の薄板状単結晶製造装置10およびこの薄板状単結晶製造装置10を用いた薄板状単結晶製造方法のまとめについて説明する。
本発明の薄板状単結晶製造装置10および薄板状単結晶製造方法によって、薄板状単結晶40を連続して安定的に製造できるようにした最も大きな要因は、原料塊12の融解と、得られた融液18からの単結晶化とを、それぞれ独立して概ね制御できるようにした点である。
Next, a summary of the above-mentioned thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the present invention and the thin plate single crystal manufacturing method using this thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 will be described.
The biggest factor that enables the thin plate-shaped single crystal manufacturing apparatus 10 and thin plate-shaped single crystal manufacturing method of the present invention to continuously and stably produce thin plate-shaped single crystals 40 is that the melting of the raw material lump 12 and the single crystallization from the resulting melt 18 can each be largely controlled independently.

すなわち、原料塊12を融解して融液18を得るには加熱が必要であるが、融液18を固化させて結晶化させるには冷却が必要であり、両者は相反している。
そこで本発明では、結晶化が行われる部分(融液18の中心部)には直接、レーザ光16aを照射せず、結晶化が行われる部分以外の部分(融液18の中心部を除いた周縁領域)にレーザ光16aを照射して、原料塊12の上側面14を融解し、融液18の熱を、結晶化が行われる部分(融液18の中心部)に伝導させて、上側面14の中心部にも融液18を形成させる構成とした。
That is, heating is necessary to melt the raw material lump 12 and obtain the melt 18, but cooling is necessary to solidify and crystallize the melt 18, and the two are contradictory.
Therefore, in the present invention, the laser light 16a is not directly irradiated onto the portion where crystallization is to occur (the center of the melt 18), but rather onto the portion other than the portion where crystallization is to occur (the peripheral region excluding the center of the melt 18), thereby melting the upper surface 14 of the raw material lump 12 and conducting the heat of the melt 18 to the portion where crystallization is to occur (the center of the melt 18), thereby forming the melt 18 also in the center of the upper surface 14.

これにより、結晶化が行われる部分(融液18の中心部)の温度は、レーザ光16aの照射を受けて融解している部分(融液18の中心部を除いた周縁領域)の温度よりも低くなり、結晶化を容易にしている。 As a result, the temperature of the portion where crystallization is taking place (the center of the melt 18) becomes lower than the temperature of the portion that is melted by irradiation with the laser light 16a (the peripheral region of the melt 18 excluding the center), making crystallization easier.

融液18の中心部に、薄板状種子単結晶32を浸すと、融液18の熱が、浸された薄板状種子単結晶32の下側面34に伝わるので、下側面34に接する融液の温度は低くなり、結晶化が急激に進む。しばらく放置しておくと、薄板状種子単結晶32を伝わって逃げる熱量は定常状態になり、それまでに急激に固化した部位は周囲の融液18からの熱により次第に融解し、定常状態になる。 When the thin plate-shaped seed single crystal 32 is immersed in the center of the melt 18, the heat of the melt 18 is transferred to the underside 34 of the immersed thin plate-shaped seed single crystal 32, lowering the temperature of the melt in contact with the underside 34 and causing crystallization to proceed rapidly. If left for a while, the amount of heat escaping through the thin plate-shaped seed single crystal 32 reaches a steady state, and the parts that had solidified rapidly up until that point gradually melt due to the heat from the surrounding melt 18, and return to a steady state.

この状態で薄板状種子単結晶32を上方に引上げると、薄板状種子単結晶32は低温部に移動することになるので、融液18と接している下側面34では、結晶化が進む。
薄板状種子単結晶32の引上速度を速め、結晶化が追い付かなくなると、製造された薄板状単結晶40の厚みは薄くなり、引上速度を遅くすると結晶化が進むので薄板状単結晶40の厚みが増す。
When the thin plate-shaped seed single crystal 32 is pulled upward in this state, the thin plate-shaped seed single crystal 32 moves to a low temperature area, so that crystallization proceeds on the lower surface 34 in contact with the melt 18 .
When the pulling speed of the thin plate-shaped seed single crystal 32 is increased and the crystallization cannot keep up with the speed, the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 produced becomes thin, whereas when the pulling speed is slowed, the crystallization proceeds and the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 increases.

そこで融液18の温度を低めに制御すれば結晶化が容易となり、薄板状単結晶40の厚みが厚くなるので、引上速度を速めても所定の厚みの薄板状単結晶40を連続的に製造することができる。 Therefore, by controlling the temperature of the melt 18 to a low temperature, crystallization becomes easier and the thickness of the thin plate-shaped single crystal 40 increases, so that thin plate-shaped single crystal 40 of a desired thickness can be continuously produced even if the pulling speed is increased.

なお、引上速度を速めれば、薄板状単結晶40の製造効率を高めることができるが、あまり早くし過ぎるとセル成長が発生する可能性が高まる。セル成長が発生すると、局部的に添加剤であるリンの濃度が大きく変動し、単結晶としての特性が劣化する。したがって、セル成長の発生を抑止しながら、できるだけ引上速度を速めて薄板状単結晶40を連続的に製造することが重要である。 Increasing the pulling speed can improve the manufacturing efficiency of the thin plate-shaped single crystal 40, but if it is made too fast, the possibility of cell growth increases. If cell growth occurs, the concentration of the additive phosphorus will fluctuate significantly locally, degrading the properties of the single crystal. Therefore, it is important to continuously manufacture the thin plate-shaped single crystal 40 by accelerating the pulling speed as much as possible while suppressing the occurrence of cell growth.

さらには本発明によって分解融解物質や固溶体単結晶などいわゆる不一致融解物質についても均質組成で高品質な薄板状単結晶40の製造を始めて可能にした。このような不一致融解物質の均質組成の薄板状単結晶40は、従来法では製造が不可能とされてきたものである。 Furthermore, the present invention has made it possible for the first time to produce high-quality thin plate single crystals 40 with homogeneous composition from so-called incongruent melting substances, such as decomposed melting substances and solid solution single crystals. It has been thought impossible to produce such thin plate single crystals 40 with homogeneous composition from incongruent melting substances using conventional methods.

すなわち、原料を融解して融液を形成させ、これを固化して単結晶を製造するいわゆる融液法でこれらの不一致融解物質の均質組成単結晶を製造するためには、目的組成の原料塊12を製造しておき、目的組成物質と平衡共存する溶媒組成の溶媒を用いて原料塊12の溶解と、溶媒からの単結晶の析出を同時進行で進めるいわゆる溶媒移動法を適用する以外に原理的に方法が無い。 In other words, in order to produce homogeneous single crystals of these incompatible molten substances using the so-called melting method, in which the raw materials are melted to form a melt and then solidified to produce single crystals, there is no other method in principle than to produce a raw material lump 12 of the target composition, and then use a solvent with a solvent composition that coexists in equilibrium with the target composition to simultaneously dissolve the raw material lump 12 and precipitate single crystals from the solvent, known as the solvent transfer method.

本特許においては原料塊12の上側面14に溶媒相成分を必要量配置してから赤外線16を照射して融解し、溶媒溶液を形成させる。そして溶媒からの単結晶の製造と溶媒への原料塊12の溶解を同時進行させることにより溶媒移動法を適用し、均質組成の薄板状単結晶40を製造可能とした。 In this patent, the required amount of solvent phase components is placed on the upper surface 14 of the raw material lump 12, and then infrared rays 16 are irradiated to melt the lump and form a solvent solution. The production of single crystals from the solvent and the dissolution of the raw material lump 12 into the solvent are simultaneously carried out, applying the solvent transfer method and making it possible to produce a thin plate-shaped single crystal 40 with a homogenous composition.

以上、本発明の薄板状単結晶製造装置10およびこの薄板状単結晶製造装置10を使用した薄板状単結晶製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないものである。 The thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the present invention and the thin plate single crystal manufacturing method using this thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 have been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、上記した薄板状単結晶製造装置10では、第1の実施形態から第3の実施形態までを別々に記載したが、これを組み合わせて本発明の薄板状単結晶製造装置10としても良いものである。すなわち例えば第1の実施形態に、第2の実施形態と第3の実施形態を組み合わせて成る、薄板状単結晶製造装置10としても良いものである。 For example, in the above-mentioned thin plate single crystal manufacturing apparatus 10, the first to third embodiments have been described separately, but these may be combined to form the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 of the present invention. In other words, for example, the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 may be formed by combining the first embodiment with the second and third embodiments.

さらに上記した薄板状単結晶製造装置10では、赤外線照射手段20を四角形状のそれぞれの辺に平行に照射できるように設けた場合を例にしているが、これに限定されるものではなく、一つの赤外線照射手段20のみとしても良いものである。 Furthermore, in the above-mentioned thin plate single crystal manufacturing apparatus 10, the infrared irradiation means 20 is provided so as to irradiate parallel to each side of the rectangular shape, but this is not limited thereto, and only one infrared irradiation means 20 may be provided.

また、原料塊12の上側面14の中心部を除く周縁領域に合致する、水平方向に細長い中空四角形状の照射域を形成できるようにレーザ光16aを照射することができれば、この細長い中空四角形状の照射域を複数のレーザ光16aで形成しても良く、数や一つの赤外線照射手段20から照射されるレーザ光16aの断面形状が限定されるものではないものである。 In addition, as long as the laser light 16a can be irradiated so as to form a horizontally elongated hollow rectangular irradiation area that matches the peripheral area excluding the center of the upper surface 14 of the raw material lump 12, this elongated hollow rectangular irradiation area may be formed by multiple laser lights 16a, and the number and cross-sectional shape of the laser light 16a irradiated from one infrared irradiation means 20 are not limited.

すなわち、断面コ字状のレーザ光16aを左右それぞれから原料塊12の上側面14に照射し、2つの断面コ字状のレーザ光16a,16aで、水平方向に細長い中空四角形状の断面形状の照射域を形成したり、断面棒形状の4つのレーザ光で、水平方向に細長い中空四角形状の照射域を形成させても良いものである。 That is, laser beams 16a with a U-shaped cross section can be irradiated onto the upper surface 14 of the raw material block 12 from the left and right, and the two laser beams 16a, 16a with a U-shaped cross section can form an irradiation area with a horizontally elongated hollow rectangular cross section, or four laser beams with rod-shaped cross sections can form an irradiation area with a horizontally elongated hollow rectangular cross section.

さらに、製造される薄板状単結晶40の厚さとしては、100μm~3000μm程度の厚さとして記載したが、これ以上の例えば5000μm以上の厚さであっても原理的に製造可能であって、厚さが上記の範囲に限定されるものではないものである。 Furthermore, the thickness of the thin plate-like single crystal 40 to be manufactured has been described as being approximately 100 μm to 3000 μm, but in principle it is possible to manufacture it with a thickness greater than this, for example 5000 μm or more, and the thickness is not limited to the above range.

また、融液18に浸される薄板状種子単結晶32の厚さについても、例えば300μm~500μm程度の厚さとして記載したが、こちらもこの範囲外の厚さであっても原理的に薄板状単結晶40を製造可能であって、厚さが上記の範囲に限定されるものではないものである。 The thickness of the thin plate-shaped seed single crystal 32 that is immersed in the melt 18 has been described as, for example, about 300 μm to 500 μm, but in principle it is possible to produce a thin plate-shaped single crystal 40 with a thickness outside this range, and the thickness is not limited to the above range.

このように本発明の薄板状単結晶製造装置10および薄板状単結晶製造方法は、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。 In this way, the thin plate single crystal manufacturing apparatus 10 and the thin plate single crystal manufacturing method of the present invention can be modified in various ways without departing from the purpose of the present invention.

10 薄板状単結晶製造装置
12 薄板状単結晶製造用原料塊(原料塊)
14 上側面
16 赤外線
16a レーザ光
18 融液
20 赤外線照射手段
22 窓
24 反射鏡
30 昇降手段
32 薄板状種子単結晶
34 下側面
36 巻装軸
38 回動手段
40 薄板状単結晶
42 カバー部材
50 巻き取り手段
52 細線
54 供給手段
56 供給管
60 揺れ止め部材
62 遮蔽部材
70 予熱手段
80 チャンバー
82 載置台
84 位置制御手段
90 ガス導入装置
92 導入管
94 排出管
10 Thin plate single crystal manufacturing apparatus 12 Raw material block for manufacturing thin plate single crystal (raw material block)
Reference Signs List 14 Upper surface 16 Infrared rays 16a Laser light 18 Melt 20 Infrared irradiation means 22 Window 24 Reflecting mirror 30 Lifting means 32 Thin plate-shaped seed single crystal 34 Lower surface 36 Winding shaft 38 Rotating means 40 Thin plate-shaped single crystal 42 Cover member 50 Winding means 52 Thin wire 54 Supply means 56 Supply pipe 60 Anti-sway member 62 Shielding member 70 Preheating means 80 Chamber 82 Mounting table 84 Position control means 90 Gas introduction device 92 Inlet pipe 94 Exhaust pipe

Claims (22)

薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に対して赤外線を照射し、前記上側面の表面を融解する赤外線照射手段と、
前記赤外線照射手段にて融解され、前記上側面の表面に得られた融液中に薄板状種子単結晶の下側面を浸すとともに、浸した状態から前記薄板状種子単結晶を上方に引き上げる昇降手段と、
を備え、
前記赤外線照射手段によって薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面に得られた融液中に、前記昇降手段を介して薄板状種子単結晶の前記下側面を浸すことで、浸された薄板状種子単結晶の前記下側面から単結晶の育成が開始され、さらに前記昇降手段を介して薄板状種子単結晶を上方に引き上げることで、連続的に薄板状単結晶が製造されるよう構成されており、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面には、
製造される前記薄板状単結晶の組成と平衡共存する液相の組成物が必要量、最初に配置されていることを特徴とする薄板状単結晶製造装置。
an infrared ray irradiating means for irradiating an upper surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal with infrared rays to melt the surface of the upper surface;
a lifting means for immersing a lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal in the melt obtained on the upper surface of the thin plate-shaped seed single crystal by the infrared irradiation means and lifting the thin plate-shaped seed single crystal upward from the immersed state;
Equipped with
the lower side of the thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the melt obtained on the upper surface of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal by the infrared irradiation means via the lifting means, so that the growth of a single crystal is started from the lower side of the immersed thin plate-shaped seed single crystal, and the thin plate-shaped seed single crystal is further pulled upward via the lifting means, so that the thin plate-shaped single crystal is continuously produced;
The upper surface of the raw material block for producing a thin plate-shaped single crystal is
An apparatus for producing a thin plate-shaped single crystal, characterized in that a required amount of a liquid phase composition which coexists in equilibrium with the composition of the thin plate-shaped single crystal to be produced is initially placed in the apparatus.
前記赤外線照射手段から照射される赤外線が、レーザ光であることを特徴とする請求項1に記載の薄板状単結晶製造装置。 The thin plate single crystal manufacturing apparatus according to claim 1, characterized in that the infrared light irradiated from the infrared light irradiating means is laser light. 前記レーザ光の照射域の形状が水平方向に細長い中空四角形状であり、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域に対し、前記中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光が照射されることを特徴とする請求項2に記載の薄板状単結晶製造装置。
The shape of the irradiation area of the laser light is a hollow rectangle that is elongated in the horizontal direction,
The thin plate single crystal manufacturing apparatus according to claim 2, characterized in that laser light is irradiated to the peripheral region excluding the center of the upper side of the raw material block for manufacturing the thin plate single crystal so as to form the hollow rectangular irradiation area.
前記昇降手段が、
製造された前記薄板状単結晶を連続してロール状に巻き取る巻き取り手段であり、
前記巻き取り手段が、
前記薄板状単結晶を連続して巻き取る巻装軸と、
前記巻装軸を回動させる回動手段と、
を備え、
前記巻装軸に前記薄板状種子単結晶が吊り下げられるよう構成されていることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
The lifting means is
a winding means for continuously winding up the produced thin plate-like single crystal into a roll,
The winding means is
a winding shaft for continuously winding the thin plate-like single crystal;
A rotating means for rotating the winding shaft;
Equipped with
4. The thin plate single crystal manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the thin plate seed single crystal is suspended from the winding shaft.
前記薄板状種子単結晶が、
複数の細線を介して前記巻装軸に吊り下げられていることを特徴とする請求項4に記載の薄板状単結晶製造装置。
The thin plate-like seed single crystal is
5. The apparatus for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 4, wherein the crystal is suspended from the winding shaft via a plurality of thin wires.
前記薄板状種子単結晶において、
前記細線が取り付けられた部分の厚さが、
製造される前記薄板状単結晶の厚さ以下の大きさであることを特徴とする請求項5に記載の薄板状単結晶製造装置。
In the thin plate-shaped seed single crystal,
The thickness of the portion to which the thin wire is attached is
6. The apparatus for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 5, wherein the size of the thin plate-shaped single crystal is equal to or smaller than the thickness of the thin plate-shaped single crystal to be produced.
前記昇降手段と前記薄板状単結晶製造用原料塊の間に、
連続的に製造される前記薄板状単結晶の揺れを防止する揺れ止め部材が配設されていることを特徴とする請求項1~のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
Between the lifting means and the raw material block for producing a thin plate-shaped single crystal,
7. The apparatus for producing thin plate-shaped single crystals according to claim 1, further comprising an anti-vibration member for preventing the thin plate-shaped single crystals from vibrating as they are continuously produced.
前記昇降手段と前記薄板状単結晶製造用原料塊の間に、
前記融液から発せられる輻射熱を、連続的に製造される前記薄板状単結晶に届き難いように遮蔽する遮蔽部材が設けられていることを特徴とする請求項1~のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
Between the lifting means and the raw material block for producing a thin plate-shaped single crystal,
The thin plate single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 7 , further comprising a shielding member for blocking radiant heat emitted from the melt so that the radiant heat does not reach the thin plate single crystal being continuously manufactured.
前記薄板状単結晶製造用原料塊が、略直方体であることを特徴とする請求項1~のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。 9. The apparatus for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 1 , wherein the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is substantially rectangular. 前記薄板状単結晶製造用原料塊を載置する載置台と、
前記載置台の位置を所定位置となるように位置制御する位置制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項1~のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
a mounting table for mounting the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal;
a position control means for controlling the position of the mounting table so that the position of the mounting table is at a predetermined position;
The thin plate single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 9 , further comprising:
前記昇降手段が、
前記赤外線照射手段によって融解された薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の融液の中心部に、前記薄板状種子単結晶の前記下側面を浸すよう構成されていることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
The lifting means is
The thin plate-shaped single crystal manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the center of the molten liquid on the upper surface of the raw material lump for manufacturing the thin plate-shaped single crystal melted by the infrared irradiation means.
前記薄板状単結晶製造用原料塊の周囲には、
前記薄板状単結晶製造用原料塊を予め加熱する予熱手段が設けられていることを特徴とする請求項1~11のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
The raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is surrounded by:
12. The apparatus for producing a thin plate single crystal according to claim 1 , further comprising a preheating means for preheating the raw material lump for producing the thin plate single crystal.
少なくとも前記薄板状単結晶製造用原料塊がチャンバー内に配設され、
前記チャンバーの上部に前記昇降手段が配設されていることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
At least the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal is disposed in a chamber,
13. The apparatus for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 1, wherein the lifting means is disposed at an upper portion of the chamber.
前記チャンバー内を、添加剤を含んだ雰囲気ガスで満たすガス導入装置を備えることを特徴とする請求項13に記載の薄板状単結晶製造装置。 14. The thin plate single crystal manufacturing apparatus according to claim 13 , further comprising a gas introduction device for filling the chamber with an atmospheric gas containing an additive. 前記昇降手段が、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上部に複数設けられていることを特徴とする請求項1~14のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。
The lifting means is
15. The apparatus for producing a thin plate single crystal according to claim 1, wherein a plurality of the apparatuses are provided above the raw material block for producing the thin plate single crystal.
前記薄板状種子単結晶の厚さが、300μm~500μmの範囲内であることを特徴とする請求項1~15のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造装置。 16. The apparatus for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 1, wherein the thickness of the thin plate-shaped seed single crystal is within a range of 300 μm to 500 μm. 赤外線照射手段を介して、薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に赤外線を照射し、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面を融解する融解工程と、
前記融解工程にて、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面に得られた融液中に、昇降手段を介して薄板状種子単結晶の下側面を浸し、前記薄板状種子単結晶の前記下側面から単結晶の育成を開始させる育成工程と、
前記育成工程にて、単結晶の育成が開始された前記薄板状種子単結晶を上方に引き上げ、連続的に薄板状単結晶を製造する連続製造工程と、
を少なくとも有し、
前記融解工程において、
製造される前記薄板状単結晶が分解融解物質である場合には、その組成と平衡共存する液相の組成物を、最初に必要量、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に配置しておくことを特徴とする薄板状単結晶製造方法。
a melting step of irradiating an upper side surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal with infrared rays via an infrared ray irradiation means to melt the surface of the upper side surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal;
a growing step of immersing a lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal in the melt obtained on the upper surface of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal by using an elevating means, and starting the growth of the single crystal from the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal;
a continuous production step of pulling the thin plate-shaped seed single crystal upward after the single crystal growth has started in the growth step, and continuously producing the thin plate-shaped single crystal;
and
In the melting step,
When the thin plate-shaped single crystal to be produced is a decomposed melt substance, a required amount of a liquid phase composition that coexists in equilibrium with the composition of the decomposed melt substance is initially placed on the upper side of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal.
赤外線照射手段を介して、薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に赤外線を照射し、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面を融解する融解工程と、a melting step of irradiating an upper side surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal with infrared rays via an infrared ray irradiation means to melt the surface of the upper side surface of the raw material lump for producing a thin plate-shaped single crystal;
前記融解工程にて、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面に得られた融液中に、昇降手段を介して薄板状種子単結晶の下側面を浸し、前記薄板状種子単結晶の前記下側面から単結晶の育成を開始させる育成工程と、a growing step of immersing a lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal in the melt obtained on the upper surface of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal by using an elevating means, and starting the growth of the single crystal from the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal;
前記育成工程にて、単結晶の育成が開始された前記薄板状種子単結晶を上方に引き上げ、連続的に薄板状単結晶を製造する連続製造工程と、a continuous production step of pulling the thin plate-shaped seed single crystal upward after the single crystal growth has started in the growth step, and continuously producing the thin plate-shaped single crystal;
を少なくとも有し、and
前記融解工程において、In the melting step,
製造される前記薄板状単結晶が添加剤を含む固溶体物質である場合には、その組成と平衡共存する液相の組成物を、最初に必要量、前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面に配置しておくことを特徴とする薄板状単結晶製造方法。When the thin plate-shaped single crystal to be produced is a solid solution material containing additives, a required amount of a liquid phase composition that coexists in equilibrium with the composition is first placed on the upper surface of the raw material block for producing the thin plate-shaped single crystal.
前記融解工程において、
前記赤外線照射手段から照射される赤外線が、レーザ光であることを特徴とする請求項17または18に記載の薄板状単結晶製造方法。
In the melting step,
19. The method for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 17 or 18 , wherein the infrared rays irradiated from the infrared ray irradiating means are laser light.
前記融解工程において、
前記レーザ光の照射域の形状が水平方向に細長い中空四角形状であり、
前記薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の中心部を除く周縁領域に対し、前記中空四角形状の照射域を形成するようにレーザ光が照射されることを特徴とする請求項19に記載の薄板状単結晶製造方法。
In the melting step,
The shape of the irradiation area of the laser light is a hollow rectangle that is elongated in the horizontal direction,
The method for producing a thin plate-shaped single crystal according to claim 19 , characterized in that laser light is irradiated to the peripheral region excluding the center of the upper side of the raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal so as to form the hollow rectangular irradiation area.
前記連続製造工程の後、
連続的に製造された前記薄板状単結晶を、ロール状に巻き取る巻き取り工程と、
をさらに有することを特徴とする請求項17~20のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造方法。
After the continuous manufacturing process,
a winding step of winding the continuously produced thin plate-like single crystal into a roll;
The method for producing a thin plate-shaped single crystal according to any one of claims 17 to 20, further comprising:
前記育成工程において、
前記融解された薄板状単結晶製造用原料塊の上側面の表面の融液の中心部に、前記薄板状種子単結晶の前記下側面を浸すことを特徴とする請求項17~21のいずれか一項に記載の薄板状単結晶製造方法。

In the growing step,
A method for producing a thin plate-shaped single crystal according to any one of claims 17 to 21, characterized in that the lower surface of the thin plate-shaped seed single crystal is immersed in the center of the molten liquid on the surface of the upper surface of the molten raw material lump for producing the thin plate-shaped single crystal.

JP2021002285A 2020-12-15 2021-01-08 Thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method Active JP7690184B2 (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21794699.5A EP4265827A4 (en) 2020-12-15 2021-02-12 DEVICE FOR THE PRODUCTION OF THIN PLATE-SHAPED SINGLE CRYSTALS AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF THIN PLATE-SHAPED SINGLE CRYSTALS
CN202180003335.7A CN114945712A (en) 2020-12-15 2021-02-12 Thin plate-like single crystal manufacturing apparatus and thin plate-like single crystal manufacturing method
KR1020217037208A KR102759972B1 (en) 2020-12-15 2021-02-12 Thin plate single crystal manufacturing device and thin plate single crystal manufacturing method
PCT/JP2021/005139 WO2022130651A1 (en) 2020-12-15 2021-02-12 Thin plate-shaped monocrystal production device and thin plate-shaped monocrystal production method
US17/610,890 US11939696B2 (en) 2020-12-15 2021-02-12 Thin plate-shaped single-crystal production equipment and thin plate-shaped single-crystal production method
TW110141155A TW202225500A (en) 2020-12-15 2021-11-04 Apparatus for manufacturing thin plate-shaped single crystal and method for manufacturing thin plate-shaped single crystal

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020207337 2020-12-15
JP2020207337 2020-12-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022094878A JP2022094878A (en) 2022-06-27
JP7690184B2 true JP7690184B2 (en) 2025-06-10

Family

ID=82162680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021002285A Active JP7690184B2 (en) 2020-12-15 2021-01-08 Thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7690184B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009081811A1 (en) 2007-12-25 2009-07-02 Crystal Systems Corporation Floating-zone melting apparatus
JP2016147800A (en) 2015-01-29 2016-08-18 国立大学法人山梨大学 Floating zone meting method, and device using the same
JP2018516829A (en) 2015-03-25 2018-06-28 シャスタ・クリスタルズ・インコーポレーテッドShasta Crystals, Incorporated Apparatus and method for making small diameter crystal fiber using laser melt pedestal growth method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05294791A (en) * 1992-04-21 1993-11-09 Fuji Electric Co Ltd Method and device for producing polycrystal substrate

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009081811A1 (en) 2007-12-25 2009-07-02 Crystal Systems Corporation Floating-zone melting apparatus
JP2016147800A (en) 2015-01-29 2016-08-18 国立大学法人山梨大学 Floating zone meting method, and device using the same
JP2018516829A (en) 2015-03-25 2018-06-28 シャスタ・クリスタルズ・インコーポレーテッドShasta Crystals, Incorporated Apparatus and method for making small diameter crystal fiber using laser melt pedestal growth method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022094878A (en) 2022-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8440157B2 (en) Methods and apparatuses for manufacturing cast silicon from seed crystals
AU667130B2 (en) Improved columnar-grained polycrystalline solar cell and process of manufacture
US10829869B2 (en) Single-crystal production equipment and single-crystal production method
US20100148403A1 (en) Systems and Methods For Manufacturing Cast Silicon
EP4386115A1 (en) Thin plate-shaped monocrystal production device and thin plate-shaped monocrystal production method
JP7690184B2 (en) Thin plate single crystal manufacturing apparatus and thin plate single crystal manufacturing method
KR102759972B1 (en) Thin plate single crystal manufacturing device and thin plate single crystal manufacturing method
JP4784095B2 (en) Compound semiconductor single crystal and method and apparatus for manufacturing the same
JP5370393B2 (en) Compound semiconductor single crystal substrate
WO2025248803A1 (en) Apparatus for manufacturing thin plate-like single crystal, and thin plate-like single crystal
TW202546283A (en) Thin plate-shaped single crystal manufacturing apparatus and thin plate-shaped single crystal
WO2025093146A1 (en) A technique for replenishing molten, levitating material by growing monocrystalline, polycrystalline, or other solid-state structures under electromagnetic levitation conditions
CN119932694A (en) A method for preparing gradient-doped Nd:LuAG laser crystal
JP2005047797A (en) InP SINGLE CRYSTAL, GaAs SINGLE CRYSTAL, AND METHOD FOR PRODUCING THEM
JP2005035817A (en) Ge-based crystal growth method, Ge-based crystal, Ge-based crystal substrate, and solar cell
JP2000178095A (en) Crystal growth method
JP2017178716A (en) Compound semiconductor polycrystal, method for producing compound semiconductor single crystal, and method for producing compound semiconductor polycrystal
HK1145521A (en) Methods and apparatuses for manufacturing cast silicon from seed crystals

Legal Events

Date Code Title Description
AA64 Notification of invalidation of claim of internal priority (with term)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A241764

Effective date: 20210413

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210415

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231129

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20250128

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250507

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250522

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7690184

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150