| 【発明の名称】 |
金属粒子の製造装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】山口 由紀夫
【氏名】加藤 健治
【氏名】宮崎 聖樹
|
| 【要約】 |
【課題】Ｓｉなどの金属粒子を連続して大量生産すること。
【解決手段】底部２６５にノズル孔２１８が形成された坩堝２０８に溶融したＳｉを貯留し、その溶融Ｓｉの上方の空間２６６に、ガスによって圧力を作用し、ノズル孔２１８から、溶融Ｓｉを滴下する。坩堝２０８は、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成る。ガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数である。ノズル孔の内径Ｄ３は、０．０５〜２．０ｍｍφであり、長さＬ３はノズル孔の内径の１〜３０倍である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 （ａ）坩堝であって、溶融金属を貯留し、底部にノズル孔が形成され、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成る坩堝と、（ｂ）坩堝内の溶融金属の上部空間に、大気圧を超えるガスを供給するガス源であって、このガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数を含むガス源とを含み、（ｃ）溶融金属を、ノズル孔から滴下することを特徴とする金属粒子の製造装置。
【請求項２】 金属は、Ｓｉであり、坩堝のノズル孔付近の材料は、六方晶ＢＮであり、ガスは、Ａｒであることを特徴とする請求項１記載の金属粒子の製造装置。
【請求項３】 坩堝自体が前記材料から成ることを特徴とする請求項１または２に記載の金属粒子の製造装置。
【請求項４】 坩堝は、底部に取付孔が形成された坩堝本体と、取付孔に取付けられ、ノズル孔が形成され、前記材料から成るノズル部材とを含むことを特徴とする請求項１〜３のうちの１つに記載の金属粒子の製造装置。
【請求項５】 坩堝本体の表面には、前記材料から成る被覆層が形成されることを特徴とする請求項１，２または４記載の金属粒子の製造装置。
【請求項６】 ノズル孔の内径は、０．０５〜２．０ｍｍφであり、ノズル孔の長さは、ノズル孔の内径の１〜５０倍であることを特徴とする請求項１記載の金属粒子の製造装置。
【請求項７】 ノズル孔の上部は、下方になるにつれて小径となるように彎曲して形成されることを特徴とする請求項１〜６のうちの１つに記載の金属粒子の製造装置。
【請求項８】 ノズル孔の下部は、下方になるにつれて大径となるように彎曲して形成されることを特徴とする請求項７記載の金属粒子の製造装置。
【請求項９】 坩堝の底部の内表面は、下方になるにつれてノズル孔の上部に近づくように傾斜して形成されることを特徴とする請求項１〜８のうちの１つに記載の金属粒子の製造装置。
【請求項１０】 ガスの圧力は、１〜５０ｋＰａであることを特徴とする請求項１〜９のうちの１つに記載の金属粒子の製造装置。
【請求項１１】 溶融金属を貯留し、底部にノズル孔が形成され、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成ることを特徴とする坩堝。
【請求項１２】 溶融金属を、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成るノズル孔から、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数を含むガスによって、加圧して、滴下することを特徴とする金属粒子の製造方法。
【請求項１３】 半導体を、貯留し、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成り、貯留された溶融半導体を滴下するノズルを有する坩堝と、坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、気相中で、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、坩堝内の半導体の上部空間に、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数を含むガス源から、大気圧を超えるガスを供給し、半導体を加圧する加圧手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置。
【請求項１４】 加振手段は、滴下する溶融半導体に音波または超音波を発生して、この音波または超音波によってノズル孔から滴下する溶融半導体を振動することを特徴とする請求項１３記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
【請求項１５】 加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間の圧力を変動する圧力変動手段であることを特徴とする請求項１３記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
【請求項１６】 加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間に連通して設けられるダイヤフラムと、ダイヤフラムを往復駆動する駆動源とを含むことを特徴とする請求項１５記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
【請求項１７】 加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間に接続される駆動室と、駆動室の圧力を振動させる駆動源とを含むことを特徴とする請求項１５記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
【請求項１８】 加振手段は、坩堝内の溶融半導体に挿入される加振棒と、加振棒を振動する駆動源とを含むことを特徴とする請求項１３記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
【請求項１９】 加振手段は、坩堝を振動することを特徴とする請求項１３記載の球状半導体粒子の大量生産装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属粒子、特に高融点で反応性が高い金属の粒子を製造するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】本件明細書中、用語「金属」は、シリコンＳｉ、ガリウムヒ素ＧａＡｓ、インジウムガリウム燐ＩｎＧａＰなどの半導体を含む概念として解釈されなければならない。
【０００３】典型的な先行技術は、アメリカ特許ＵＳＰ４，１８８，１７７である。この先行技術は、シリコン粒子を製造するために、石英製筒状坩堝を用い、不活性ガス、Ｈｅ、Ａｒを用いて坩堝内の溶融Ｓｉを加圧してノズル孔から滴下する構成を開示する。
【０００４】他の先行技術は特公昭６０−５９２８３である。この先行技術では、粉末冶金に適した金属粉末を製造するために、坩堝に貯留された溶融金属を、不活性ガス、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ、Ｋｒによって加圧してノズル孔から噴霧し、アルミニウムには限定的にＮ2を用いる技術が開示される。
【０００５】さらに他の先行技術は、特許２６７４０５３である。この先行技術では、金などの微細な金属粒を製造するために、耐火物の坩堝を用い、不活性ガスで加圧する構成を開示する。
【０００６】これらの各先行技術では、本件発明者の実験によれば、坩堝に貯留された溶融金属の滴下噴出速度を制御することができず、ノズルから滴下する溶融金属の滴下速度が、時間経過に伴って低下し、最終的にはノズル孔から溶融金属が滴下することが不可能な状態に至る。本件発明者はこの原因■，■を次のように解明した。
【０００７】原因■坩堝に設けられたノズル孔より溶融金属を加圧ガスと自重により滴下噴出させるにあたり、坩堝材料が溶融金属で濡れることにより、ノズル孔の周囲に金属材料が付着しやすい。また、溶融金属が高温であるために坩堝材料と反応して濡れが進行するとともに、反応生成物がノズル孔の周囲に堆積しやすく、さらにノズル孔に入り込むことによってノズル孔が閉塞される。
【０００８】原因■さらに、高温の溶融金属は加圧ガスとも反応しやすく、その反応生成物は上記坩堝材料との反応生成物の場合と同様に、ノズル孔の周囲への堆積、孔の閉塞を引き起こす原因となる。
【０００９】このようにして、坩堝のノズル孔の周辺部およびノズル孔の中の溶融金属の流れが徐々に阻害されていく現象が起こる。これにより、一定のガス圧力下で加圧しているにもかかわらず、溶融金属の滴下速度が低下したり、停止するという問題が発生する。この問題は、溶融金属の滴下速度に応じてガス圧力を調整する方法を採った場合でも解決できない。これは、溶融金属の滴下速度を一定に保つためのガス圧制御機構が非常に複雑であり、さらに最終的には、ガス圧力を最大限に上昇させても溶融金属が滴下しないというノズル孔の閉塞状態が発生するためである。このような現象は、溶融金属がＳｉであり、坩堝がカーボン、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3またはＺｒＯ2から成り、加圧ガスがＮ2ガスから成るとき、特に著しく生じる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、溶融金属と坩堝および加圧ガスとの反応を抑制することにより、上記従来の技術の問題点が解決された製造装置を提供することであり、これにより、高融点の金属であっても、生産性良く均一な粒度分布の金属粒子を提供することを可能にする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、（ａ）坩堝であって、溶融金属を貯留し、底部にノズル孔が形成され、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成る坩堝と、（ｂ）坩堝内の溶融金属の上部空間に、大気圧を超えるガスを供給するガス源であって、このガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数を含むガス源とを含み、（ｃ）溶融金属を、ノズル孔から滴下することを特徴とする金属粒子の製造装置である。
【００１２】また本発明は、金属は、Ｓｉであり、坩堝のノズル孔付近の材料は、六方晶ＢＮであり、ガスは、Ａｒであることを特徴とする。
【００１３】また本発明は、坩堝自体が前記材料から成ることを特徴とする。また本発明は、坩堝は、底部に取付孔が形成された坩堝本体と、取付孔に取付けられ、ノズル孔が形成され、前記材料から成るノズル部材とを含むことを特徴とする。
【００１４】また本発明は、坩堝本体の表面には、前記材料から成る被覆層が形成されることを特徴とする。
【００１５】また本発明は、ガスの圧力は、１〜５０ｋＰａであることを特徴とする。また本発明は、溶融金属を貯留し、底部にノズル孔が形成され、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成ることを特徴とする坩堝である。
【００１６】また本発明は、溶融金属を、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成るノズル孔から、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、およびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数を含むガスによって、加圧して、滴下することを特徴とする金属粒子の製造方法である。
【００１７】本発明の金属粒子製造装置は、溶融状態の金属を保持した坩堝中にガスを供給し、そのガスの加圧力および前記溶融状態の金属の自重による加圧力により、前記溶融状態の金属を前記坩堝の底部に設けられた孔から噴出滴下させる装置を有し、前記坩堝が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成る群より選ばれた少なくとも１種の化合物を含み、前記ガスが、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅから成る群より選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とするものである。不活性の加圧ガスと非反応性耐熱坩堝材料の組合わせにより、溶融金属が加圧ガスと坩堝材料のいずれとも反応しないようにする。これにより、溶融金属の滴下噴出速度の制御を可能にし、特に高融点の金属の粒子を均一な粒度分布で生産性良く、製造可能とする。
【００１８】坩堝（少なくともノズル孔を含むその内表面）を溶融金属と化学的に安定で濡れ性が低い上記化合物を主成分として構成することによって、坩堝と溶融金属との反応を抑制し、反応生成物および濡れによる前記弊害を抑制することができる。また、上記化合物は耐熱性も高いので、一般的に１０００度Ｃ以上の融点を有する金属を溶融状態で保持するために好適な材料である。
【００１９】さらに加圧ガスとして上記の希ガス（不活性ガス）を使用することによって、加圧ガスと溶融金属の反応を阻止し、反応生成物による前記弊害をなくすことができる。
【００２０】本発明の金属粒子の製造装置を適用して特に効果がある金属を述べる。高温での反応性が高い金属（化合物の種類が多い金属）、かつ高融点（１０００度Ｃ以上）の金属、たとえば、シリコンＳｉ、ガリウムヒ素ＧａＡｓ、インジウムガリウム燐ＩｎＧａＰ、チタン、クロム、銅、鉄、マンガン、タングステン、モリブデン、タンタルである。融点１０００度Ｃ以下では、マグネシウム、アルミニウム、亜鉛などが挙られる。
【００２１】その金属の中で特にシリコンに適用して有効な理由を述べる。Ｓｉは、特に反応性が高く、シリサイドを形成しやすく、かつ高融点１４２０℃の金属であるので、シリコン球形粒子の太陽電池や半導体分野でのニーズが高いにかかわらず、従来法では製造が困難である。本発明では、このシリコン球形粒子を容易に製造可能にできる工業的効果はきわめて大きい。
【００２２】加圧ガスについて述べる。不活性雰囲気とするために一般的に用いられるＮ2ガスは、反応性が高い前記各種金属と反応し、たとえばシリコンの場合にはＳｉ3Ｎ4を形成する。本件発明者は、これら反応生成物が前記の弊害を引き起こすことを発見し、あえて、希ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒまたはＸｅを用いて、厳密な不活性雰囲気とすることで、前記の弊害を抑制できることを見出した。
【００２３】坩堝材料について述べる。本発明は、上記加圧ガス種の限定に加えて、耐熱性、非濡れ性と溶融金属への化学的安定性を兼ね備えた坩堝を使用することで、さらに効果的に前記弊害を排除することを可能にする。
【００２４】先行技術の坩堝の材料として用いられる従来からのカーボンは、溶融シリコンとＳｉＣを形成し、坩堝表面のＳｉＣは溶融シリコンと濡れてしまう。また、タングステン、モリブデン、タンタルとは、シリサイドと呼ばれる化合物を形成し、同様に濡れの問題が発生する。シリサイドは、種類が非常に多く、それだけシリコンは、いろいろな金属と化合物を形成する、反応性の高い金属である。さらに、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）などの非濡れ性を有する耐熱材料も、溶融シリコンと接触すると反応してアルミニウムシリサイド、ジルコニウムシリサイドを生成し、非濡れ性が失われる。
【００２５】上記のような数多い耐熱材料のうちで、本件発明者は、耐熱性、非濡れ性、および、特にシリコンなどの高融点金属の溶融状態の金属に対する化学的安定性を兼ね備えた坩堝材料として、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成る群より選ばれた少なくとも１種の物質を主成分として含むものが好適であることを見出した。本発明における上記物質を主成分とする材料は、上記物質を７０重量％以上含有する材料が好ましく、９０重量％以上含む材料がさらに好ましい。坩堝材料としては上記物質を単体で用いる以外に、ＢＮ−Ｓｉ3Ｎ4など上記物質同士の各種複合体、およびＢＮ−ＡｌＮ、ＢＮ−Ａｌ2Ｏ3など上記物質と他の物質との各種複合体を用いることもできる。
【００２６】上記坩堝材料を用いた坩堝の実施の各形態■〜■について述べる。
■坩堝全体を前述の本発明の坩堝材料で構成したもの。たとえば、材料粉末をバインダなどと混合したものを加圧成型、あるいはさらにこれを焼結して作製。後述の図１、図２参照。
【００２７】■カーボン、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2、ＳｉＣ、タングステン、モリブデン、タンタルなどの、必ずしも非濡れ性、化学的安定性が充分ではない耐熱性材料で構成した坩堝本体の少なくとも内表面を、前述の本発明の坩堝材料から成る被覆層で被覆したもの。たとえば、化学蒸着法、物理蒸着法で０．１〜５μｍ程度被覆する。被覆層の厚みが厚すぎると密着性が劣り、薄すぎると被覆効果が薄い。ほかに、被覆層の形成は、ペースト塗布でコーティング後、熱処理する方法でもよい。図４参照。
【００２８】■坩堝本体は必ずしも非濡れ性、化学的安定性が充分ではない上記の耐熱性材料から成り、坩堝のノズル孔の周辺のみが前述の本発明の坩堝材料から成るもの。たとえば、坩堝底部のノズル孔付近に、前述の本発明の坩堝材料で構成した溶融金属滴下用小孔であるノズル孔を備えた部材を嵌め込む。図５〜図８参照。
【００２９】■前述の■の坩堝本体に前述の■の被覆層を施したもの（すなわち前述の被覆層■と前述の部材■との組合わせ）。図９参照。
【００３０】これらの各構成によって、坩堝底部のノズル孔が反応生成物によって閉塞され、溶融金属を噴出滴下させる際の圧力が一定とならなかったり、また一定圧力を保持しているにもかかわらず滴下が停止してしまったり、最悪の場合には加圧圧力を上昇させても滴下しないという前記のノズル孔の閉塞の各問題を防止することができる。その結果、高融点、高反応性金属、たとえばＳｉであっても、均一な粒度分布で均一な形状の球形金属粒子を生産性良く製造することが可能となる。
【００３１】また本発明は、ノズル孔の内径は、０．０５〜２．０ｍｍφであり、ノズル孔の長さは、ノズル孔の内径の１〜５０倍であることを特徴とする。
【００３２】本発明に従えば、ノズル孔の内径Ｄ３は前述のように０．０５〜２．０ｍｍφに選ばれ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍφに選ばれ、これによって粒径が揃った球状の金属粒子を大量生産することができる。内径が０．０５ｍｍφ未満では、製造される金属粒子の粒径が小さすぎて、取扱いハンドリングが繁雑になる。内径が２．０ｍｍφを超えると、製造される金属粒子の粒径が大きくなりすぎて、たとえば後述の光発電装置の用途における単位面積あたりの発電電力である発電効率が低下してしまう。後述の光発電装置では、製造される金属粒子は、たとえば１ｍｍφであることが、発電効率の観点から、好ましい。このノズル孔の内径は、好ましくは０．１〜０．５ｍｍφである。
【００３３】ノズル孔の長さＬ３は、前述のようにノズル孔の内径の１〜５０倍であり（Ｄ３≦Ｌ３≦５０・Ｄ３）、好ましくは１０〜２０倍であり、たとえば０．０５〜６０ｍｍであってもよく、１０〜２０ｍｍが好ましく、さらに約１５ｍｍが好ましい。ノズル孔の長さが、ノズル孔の内径の１倍未満では、そのノズル孔を流れる溶融金属が層流にならず、レイノルズ数が大きくなってしまい、ノズル孔を流れる溶融金属が乱流になり、これによって滴下する粒子の粒径が不揃いになる。５０倍を超えるとドリルによるノズル孔の穿孔が困難になり、また金属粒子の粒径を揃えるためには、無意味でもある。
【００３４】このようにノズル孔の内径とノズル孔の長さとを適切に選ぶことによって、坩堝内の溶融半導体が、その自重でノズルを落下して流過してしまうおそれはなく、加圧手段による圧力によって、たとえば一定の流量でノズルから溶融半導体を落下することができるようになる。これによって粒径が揃った球状粒子を、正確に得ることができるようになる。
【００３５】また本発明は、ノズル孔の上部は、下方になるにつれて小径となるように彎曲して形成されることを特徴とする。
【００３６】また本発明は、ノズル孔の下部は、下方になるにつれて大径となるように彎曲して形成されることを特徴とする。
【００３７】本発明に従えば、ノズル孔の上部をラッパ状に形成することによって、溶融金属が円滑にノズル孔に案内されて層流で流下することができ、滴下が正確になる。
【００３８】ノズル孔の下部をラッパ状に形成することによって、ノズル孔の下部に溶融金属が付着して、その付着量が時間経過に伴って増大して成長することを防ぐことができる。これによってノズル孔の下部が、溶融金属の付着によって閉塞してしまう恐れはなく、溶融金属の連続的な滴下が継続される。
【００３９】また本発明は、坩堝の底部の内表面は、下方になるにつれてノズル孔の上部に近づくように傾斜して形成されることを特徴とする。
【００４０】本発明に従えば、坩堝内に貯留された溶融金属は、坩堝の底部の表面に沿ってノズル孔の上部に案内される。したがって坩堝内に貯留された溶融金属の全てが、ノズル孔内に導かれることができ、坩堝内に付着して残存したままになる恐れがなく、溶融金属が無駄になることはない。
【００４１】また本発明は、ガスの圧力は、１〜５０ｋＰａであることを特徴とする。本発明に従えば、ノズル孔から排出される溶融金属には、ガスの圧力１〜５０ｋＰａと、ノズル孔の上方に貯留されている溶融金属のヘッドによる圧力との和が作用する。１ｋＰａ未満では、ノズル孔からの溶融金属の滴下が不充分であり、５０ｋＰａを超えると、坩堝を含む圧力容器の構造が複雑になる。この圧力は、好ましくは５〜５０ｋＰａである。
【００４２】また本発明は、半導体を、貯留し、少なくともノズル孔付近が、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成り、貯留された溶融半導体を滴下するノズルを有する坩堝と、坩堝内の半導体を加熱して溶融する加熱手段と、溶融半導体を振動して、ノズルから落下する溶融半導体を、粒径が揃った球状粒子にする加振手段と、坩堝内の半導体の上部空間に、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよびＸｅから成るグループから選ばれた１または複数を含むガス源から、大気圧を超えるガスを供給し、半導体を加圧する加圧手段とを含むことを特徴とする球状半導体粒子の大量生産装置である。
【００４３】本発明に従えば、坩堝内に半導体を貯留して加熱手段によって溶融し、この溶融半導体を、ノズル孔から滴下する。この坩堝から滴下する溶融半導体に、または、坩堝内に貯留されている溶融半導体に、振動を加振手段によって加える。これによってノズルから落下する溶融半導体が、気相中で球状粒子となり、その球状粒子の粒径がほぼ一定の値に揃う。これによって簡単な操作で容易に球状半導体粒子を大量生産することができるようになる。気相というのは、前述の本発明の加圧ガスであってもよいが、空気、ＡｒまたはＮ2などの不活性ガスなどであってもよく、さらにまた真空中も含む。
【００４４】本発明に従えば、ノズル孔から滴下する溶融半導体は、線状ではなく、液滴状であり、したがって高速度で短時間に大量の球状半導体粒子を製造することが容易に可能である。たとえば本発明によれば、溶融半導体をノズルから、１ｃｍ／ｓｅｃ〜５ｍ／ｓｅｃで滴下して、球状半導体粒子を製造することができ、この生産速度は、前述の先行技術に比べて格段に大きい。
【００４５】気体で溶融半導体を加圧するには、坩堝内の半導体の上部空間に、大気圧を超える圧力を有する前述の本発明の加圧ガスをガス源から供給する。あるいはまた坩堝内の半導体の上部空間の加圧ガスの圧力よりも、ノズル孔が臨む下方の空間の圧力を低くし、これによって坩堝内の溶融半導体がノズルから滴下するように構成してもよい。
【００４６】加振手段の振動周波数は、１０Ｈｚ〜１ｋＨｚに選ばれ、これによって溶融半導体は、粒径が揃った球状粒子とされて、球状半導体粒子の大量生産が容易に可能になる。
【００４７】また本発明は、加振手段は、滴下する溶融半導体に音波または超音波を発生して、この音波または超音波によってノズル孔から滴下する溶融半導体を振動することを特徴とする。
【００４８】本発明に従えば、ノズル孔から滴下する溶融半導体に、音波または超音波を照射し、これによって落下している溶融半導体が、粒径の揃った球状粒子とすることが正確に可能になる。
【００４９】また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間の圧力を変動する圧力変動手段であることを特徴とする。
【００５０】また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間に連通して設けられるダイヤフラムと、ダイヤフラムを往復駆動する駆動源とを含むことを特徴とする。
【００５１】また本発明は、加振手段は、坩堝内の半導体の上部空間に接続される駆動室と、駆動室の圧力を振動させる駆動源とを含むことを特徴とする。
【００５２】本発明に従えば、溶融半導体を振動するための加振手段は、坩堝内の溶融半導体の上部空間に気体の圧力を作用してその圧力を変動する圧力変動手段である。この圧力変動手段は、ダイヤフラムと、そのダイヤフラムを往復駆動する駆動源、たとえばモータとクランクとを含む構成によって実現されてもよく、あるいはまた駆動室の容積を駆動源によって大小に変動して圧力を振動させる構成によって実現されてもよい。
【００５３】また本発明は、加振手段は、坩堝内の溶融半導体に挿入される加振棒と、加振棒を振動する駆動源とを含むことを特徴とする。
【００５４】本発明に従えば、坩堝内に貯留された溶融半導体に、駆動源によって振動されて駆動される加振棒を挿入する。これによって溶融半導体が振動される。したがってノズル孔から溶融半導体が滴下し、球状粒子となり、その粒径がほぼ一定の値に揃う。
【００５５】また本発明は、加振手段は、坩堝を振動することを特徴とする。さらに本発明に従えば、溶融半導体を振動させるために、その溶融半導体が貯留されている坩堝を、駆動源によって振動するようにしてもよい。
【００５６】また本発明は、ノズル孔からの液体または固体の粒子が気相中に存在している状態で、冷却速度を制御するために加熱し、粒子を単結晶または多結晶にする結晶化手段とを含むことを特徴とする。
【００５７】また本発明は、一方導電形式の結晶半導体粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を通過して、他方導電形式の表面層を形成する拡散手段とを含むことを特徴とする。
【００５８】本発明に従えば、ノズルから落下する液体または固体の粒子を、結晶化手段によって加熱して再溶融して、その粒子が気相中に存在している状態で、粒子を単結晶または多結晶にする。また、一方導電形式の結晶半導体粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む原料ガスの気相中の通路を通過して、他方導電形式の表面層を形成する。
【００５９】本発明に従えば、ガス拡散法または固相拡散法によって、一方導電形式、たとえばｐ形の結晶半導体粒子の表面層に、他方導電形式、たとえばｎ形の表面層を容易な操作で形成することができる。ガス拡散法は、拡散したい不純物を、高温に保ったシリコン表面にガス状で送る手法であり、固相拡散法は、シリコン表面に不純物を含む拡散剤を堆積し、その後、高温度でシリコンを熱処理する手法である。
【００６０】また、前記通路は、上下に延びて形成され、粒子がその通路を落下中に、表面層の拡散が行われる。本発明では、ガス拡散法により球状シリコンの表面に拡散層を形成する。事例として、たとえばｐ形球状シリコンの表面に浅いｎ形拡散層を形成する。拡散源としては、Ｐ2Ｏ5、ＰＯＣｌ3あるいはＰＨ3等を用いる。まず、前記拡散源をわずかの水素を含む不活性ガスにより、レーザ光照射領域に隣接し、同領域とは雰囲気的に分離された拡散層形成領域に導入し、同領域内を同ガスにより充満させる。ｐ形シリコン球は、レーザ光の照射により高品質再結晶化された後、高温度に保たれたまま、拡散層形成領域の上端部より下端部に向け通過する。同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に太陽電池として機能するに必要な深さのｎ形拡散層が形成される。この工程は前記ガスを連続して導入し、拡散層形成領域のガス雰囲気をコントロールすることにより、大量にかつ連続して行うことが可能となる。
【００６１】また、前記通路を通過して拡散剤が表面に堆積した粒子を、加熱して所望の厚みを有する表面層を形成する。本発明に従えば、たとえばｐ形シリコン球を、拡散層形成領域の上端部より下端部に向け通過させ、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に浅いｎ形拡散層を形成しておき、しかる後、これらのシリコン球を多数石英等の容器にのせ、再度熱処理することにより所望のｎ形拡散層を得ることもできる。
【００６２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態の後述の図３に示される球状半導体粒子の大量生産装置である金属粒子の製造装置の一部分を示す断面図である。後述の図１７の光発電装置１などにおいて用いられるＳｉから成る球状半導体粒子を大量生産するために、坩堝２０８には、Ｓｉから成る溶融半導体２６１が貯留される。この坩堝２０８は、鉛直の軸線２６２に垂直な断面が円形であり、その内周面は、直円筒部２６３と、その下部に連なる円錐部２６４とを含み、底部２６５には、軸線２６２と同軸のノズル孔２１８が形成される。円錐部２６４の軸線２６２と成す角度θ１（図１参照）は、たとえば３０度であってもよい。したがって、坩堝２０８の底部２６５の溶融半導体が接触する内表面は、前述のように円錐部２６４となって形成されているので、その底部の溶融半導体が接触する内表面は、下方になるにつれてノズル孔２１８の上部２６８に近づくように傾斜して形成される。これによって坩堝２０８内に貯留される溶融半導体２６１への全てが、ノズル孔２１８に円滑に案内され、溶融半導体２６１が坩堝２０８内に残存して無駄になる恐れはない。
【００６３】溶融半導体２６１の上方の上部空間２６６には、後述の加圧手段２１１を構成するガス源２１４から、加圧ガスが供給される。坩堝２０８自体は、六方晶のＢＮ、立方晶のＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＴｉＢ2およびＺｒＢ2から成るグループから選ばれた１または複数を含む材料から成り、これらのグループから選ばれた材料のみから成ってもよいが、その材料を主成分とし、そのほかの材料が混合されていてもよい。上部空間２６６に供給されるガスは、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、ＫｒおよぶＸｅから成るグループから選ばれた１または複数のガスを含み、これらのグループのガスのみから成ってもよいが、そのガスを主成分とし、そのほかの種類のガスを含んでもよい。好ましくは坩堝２０８は六方晶ＢＮであり、化学的安定性が優れており、分解点は２０００℃以上であり、しかもＳｉである溶融半導体２６１とは濡れず、反応を生じないという点で、好ましい。ガスはＡｒが好ましい。
【００６４】図２は、図１のノズル孔２１８付近の拡大断面図である。ノズル孔の上部２６８は、下方につれて小径となるように彎曲し、ラッパ状に形成される。ノズル孔の下部２６９は、下方になるにつれて大径となるように彎曲して、ラッパ状に形成される。上部２６８の曲率半径Ｒ１は、たとえば孔径Ｄ３の１／１０〜１０倍、好ましくは１〜５倍であってもよい。下部２６９の曲率半径Ｒ２は、たとえば孔径Ｄ３の１／１０〜１０倍、好ましくは１〜５倍であってもよい。直円筒部２７１の内径Ｄ３は、たとえば０．０５〜２．０ｍｍφであり、好ましくは０．１〜０．５ｍｍφである。
【００６５】上部２６８は、直円錐部２６４に滑らかに連なる。下部２６９は底部２６５の下面２７２に滑らかに連なる。上部２６８と下部２６９とは、ノズル孔２１８の直円筒部２７１に滑らかに連なる。上部２６８と下部２６９との間にわたるノズル孔２１８の長さＬ３は、内径Ｄ３の１〜５０倍（すなわちＬ３＝Ｄ３〜５０・Ｄ３）であり、好ましくは１０〜２０倍（すなわちＬ３＝１０・Ｄ３〜２０・Ｄ３）である。
【００６６】坩堝２０８に貯留された溶融半導体２６１は、ノズル孔２１８から空間２１７に滴下し、空間２１７の気相中で冷却され、または結晶化のために加熱される。
【００６７】図３は、坩堝２０８を含む溶融部２０７の具体的な構成を示す断面図である。ガス源２１４からは、管路２７４を介してガスが前述のように供給される。坩堝２０８は、その坩堝２０８を囲むカーボンヒータなどの電気ヒータ２７５によって加熱される。坩堝２０８は、支持筒２７６によって受けられ、その支持筒２７６は支持体２７７によって支持される。ノズル２１８から滴下する溶融半導体は、支持体２７７の空間２１７を落下し、この滴下する溶融半導体は、参照符２７８で示される。坩堝２０８およびヒータ２７６などは、断熱材２７９で覆われる。
【００６８】ガス源２１４によって坩堝２０８の溶融半導体２６１における上部空間２６６に作用する加圧力は、たとえば１〜５０ｋＰａであり、好ましくは５〜５０ｋＰａであってもよい。
【００６９】図４は、本発明の実施の他の形態の坩堝２０８ａの断面図である。この坩堝２０８ａは、坩堝本体２８１の溶融半導体２６１に接触する表面に被覆層２８２が形成されて構成される。被覆層２８２は、坩堝本体２８１の直円筒部２６３、円錐部２６４、ノズル孔２１８の上部２６８に連なる上面、および底部２６５のノズル孔２１８における下部２６９に連なる下面に被覆され、さらにノズル孔２１８の内面にも被覆層２８２が施されることが好ましい。坩堝本体２８１は、たとえばカーボン、タングステン、モリブデン、タンタル、アルミナ、ジルコニアなどのような前述の耐熱材料から成ってもよい。被覆層２８２は、前述の図１に示される坩堝２０８と同様な本発明の坩堝材料から成る。被覆層２８２の厚みは、０．１〜５μｍであってもよい。
【００７０】図５は、本発明の他の形態の坩堝２０８ｂを示す断面図である。この坩堝２０８ｂは、坩堝本体２８４と、ノズル部材２８５とを含む。ノズル本体２８４は、前述の図１に示されるノズル２０８と同様な本発明の坩堝材料から成り、その底部２６５には、軸線２６２と同軸の取付孔２８６が形成される。取付孔２８６には、めねじが刻設される。
【００７１】ノズル部材２８５は、おねじ部２８７と、このおねじ部２８７に連なるベース部２８８とを含む。おねじ部２８７は、取付孔２８６に交換のために取外し可能に螺着される。ノズル部材２８５には、軸線２６２と同軸のノズル孔２１８が形成される。ノズル部材２８５もまた、坩堝本体２８４と同様に、前述の本発明の坩堝材料から成る。ベース部２８８は、坩堝本体２８４の底部２６５の下面に当接し、このときノズル孔２１８の上部２６８は、円錐部２６４の図５における下部に連なる。
【００７２】図６は、本発明の実施の他の形態の坩堝２０８ｃの断面図である。この坩堝２０８ｃは、坩堝本体２９１と、ノズル部材２９２とを含む。ノズル本体２９１は、前述の図５に示されるノズル本体２８４と同様な構成を有し、底部２６５には取付孔２８６が形成される。ノズル部材２９２は、取付孔２８６のめねじに螺合するおねじ部２９３と、このおねじ部２９３の上部に連なる頂部２９４とを有し、軸線２６２と同軸のノズル孔２１８が形成される。頂部２９４は、坩堝本体２９１の円錐部２６４に連なる。坩堝本体２９１およびノズル部材２９２は、前述の図１の坩堝２０８と同様な本発明の坩堝材料から成る。
【００７３】図７は本発明の実施の他の形態の坩堝２０８ｄの断面図であり、図８は図７に示される坩堝２０８ｄの底面図である。坩堝２０８ｄは、坩堝本体２９５と、その底部２６５に取付けられるノズル部材２９６とを含む。ノズル部材２９６は、そのノズル部材２９６を厚み方向（図７の上下方向）に挿通するボルト２９７が着脱可能に底部２６５のねじ孔２９８に螺合することによって、取付けられる。このノズル部材２９６には、軸線２６２と同軸のノズル孔２１８が形成される。ノズル孔２１８の上部２６８は、円錐部２６４の下部に連なる。坩堝本体２９５およびノズル部材２９６は、前述の図１の坩堝２０８と同様な本発明の坩堝材料から成る。
【００７４】図９は、本発明の実施の一形態の坩堝２０８ｅの断面図である。この図９に示される実施の形態では、坩堝本体の直円筒部２６３および円錐部２６４の内面に、図４に示される被覆層２６３が形成される。この坩堝本体２８１の下部２６５には、前述の図５の実施の形態と同様な取付孔２８６が形成され、この取付孔２８６には、ノズル部材２８５が着脱可能に取付けられる。坩堝本体２８１は、前述の図４の坩堝本体２８１と同様なカーボンなどの材料から成り、被覆層２６３は、前述の本発明の坩堝材料から成り、またノズル部材２８５は、被覆層２６３と同様な前述の本発明の坩堝材料から成る。
【００７５】本発明の実施の他の形態では、ノズル部材２８５に代えて、図６の坩堝材料２９２が用いられてもよく、さらに図７および図８に示される構成において、坩堝本体２９５は、前述の先行技術のカーボンなどの材料から成り、その内面に被覆層２６３が本発明の坩堝材料によって構成されてもよい。前述の実施の各形態におけるそのほかの構成は、図１〜図３の実施の形態および後述の実施の形態の構成と同様である。
【００７６】図１０は本発明の実施の一形態の球状半導体粒子の大量生産装置の全体の構成を簡略化して示す図であり、図１１は図１０に示される装置の操作を示すフローチャートである。光発電装置などにおいて用いられるＳｉから成る球状半導体粒子を大量生産するために先ず、上部ホッパ２０１に、Ｓｉ半導体の原料が供給される。ホッパ２０１内は常時、常圧である。上部ホッパ２０１からの原料は、開閉弁２０２を経て中間ホッパ２０３に供給される。中間ホッパ２０３は、原料受け入れ時は常圧であり、原料供給時に運転圧力になる。この中間ホッパ２０３からの原料は、開閉弁２０４を経て下部ホッパ２０５に供給される。下部ホッパ２０５は、常に運転圧力であり、固体状態の原料を滞留する。こうして図１１のステップｓ１では、Ｓｉ半導体の果粒状の原料が上部ホッパ２０１から中間ホッパ２０３を経て供給され、開閉弁２０２，２０４の働きによってステップｓ２では、下部ホッパ２０５への定量供給が、外部の圧力が遮断された状態で、達成される。
【００７７】下部ホッパ２０５からの原料は、固体予熱部２０６において図１１のステップｓ３では原料が予熱される。この固体予熱部２０６は、高周波誘導加熱方式で予熱が行われ、本発明の実施の他の形態では、高周波誘導加熱方式に代えて、反射炉または電気炉などによって輻射加熱するように構成されてもよい。
【００７８】固体予熱部２０６で予熱された原料は、次に、前述の溶融部２０７において、図１１のステップｓ４に示されるように加熱されて溶融される。溶融部２０７の溶融は、前述の固体溶融部２０６と同様に、高周波誘導加熱方式で達成されてもよいけれども、本発明の実施の他の形態では、反射炉または電気炉などによる輻射加熱方式によって加熱溶融されてもよい。
【００７９】溶融部２０７は、前述の図１の坩堝２０８を含み、溶融半導体２６１が坩堝２０８に貯留される。この坩堝２０８内の溶融半導体の上部空間２６６には、運転圧力が与えられて加圧されるとともに、図１１のステップｓ４ａに示されるように溶融半導体が加振されて振動される。坩堝２０８の底部２６５に形成されたノズル孔２１８から、坩堝２０８の溶融半導体の上部空間２６６に与えられる圧力に対応した予め定める一定の流量で溶融半導体が滴下される。
【００８０】図１２は、坩堝２０８からノズル孔２１８を経て溶融半導体を落下する構成を簡略化して示す図である。溶融部２０７において坩堝２０８には、加圧手段２１１によって溶融半導体２６１の上部空間２６６に不活性ガスであるＡｒガスによって圧力が与えられる。坩堝２０８内の半導体２６１は、加熱手段２１２によって加熱され、前述のように溶融される。さらにノズル孔２１８から落下する溶融半導体は、加振手段２１３によって振動される。
【００８１】図１３は、溶融部２０７の簡略化した断面図である。加圧手段２１１は、ガス源２１４を含み、不活性ガスＡｒを坩堝２０８内の溶融半導体２６１の上部空間２６６に供給する。坩堝２０８内の半導体２６１を加熱溶融するために、坩堝２０８その付近に設けられた前述の電気ヒータ２７６を有する抵抗加熱手段によって行うようにしてもよいが、坩堝２０８内の半導体２６１を加熱溶融するために、誘導加熱方式では、たとえば２００〜５００ｋＨｚの高周波電源２１５からの高周波電力が坩堝２０８を囲む誘導加熱コイル２１６に供給され、これによって坩堝２０８内の半導体２６１が誘導加熱される。このようにカーボンヒータ２７５によってジュール熱を発生する代りに、誘導加熱コイル２１６によって高周波磁界を発生し、半導体２６１を誘導加熱してもよい。坩堝２０８は、図１に関連して前述した本発明の高融点導電性材料から成る。ノズル孔２１８の内径とその長さを、前述のように適切に選び、これによってガス源２１４による溶融半導体２６１の上部空間２６６に与えられるガス圧に対応した流量で、たとえば一定の予め定める値の流量で、ノズル孔２１８から溶融半導体２６１を滴下することができる。ノズル孔２１８が臨む空間２１７の圧力は、大気圧である。
【００８２】本発明の実施の他の形態では、ガス源２１４によるガス圧が溶融半導体の上部空間に供給される代りに、この坩堝２０８内の溶融半導体２６１の上部空間２６６の圧力を大気圧とし、ノズル孔２１８が臨む空間２１７の圧力を、坩堝内の溶融半導体の上部空間の圧力よりも低く選ぶようにしてもよい。
【００８３】ノズル孔２１８から滴下する溶融半導体２６１には、加振手段２１３によって、たとえば１０Ｈｚ〜１ｋＨｚの音波が与えられ、落下する溶融半導体が振動される。この振動周波数は、超音波の帯域であってもよい。
【００８４】図１４は、ノズル孔２１８から落下される溶融半導体２６１が球状粒子に形成される状態を示す図である。ノズル孔２１８から滴下する溶融半導体２６１は、上下に連なっている状態でもよいが、さらに落下することによって、加振手段２１３の振動の作用によって、上下に分断され、粒子となることが確実になる。
【００８５】再び図１０および図１１を参照して、ノズル孔２１８から滴下された溶融半導体が粒子状となり、冷却筒２１１を通過し、粒子の真球度を向上し、表面状態を滑らかにされる。この冷却筒２１１では、図１１のステップｓ６における冷却制御が行われる。ステップｓ７では、冷却された粒子が分級され、たとえばその粒径Ｄ２が１±０．５ｍｍφ内の粒子だけが分級されてレーザ源２２２によるレーザ光２２３が照射される。こうしてステップｓ８では、ノズル２０９からの固体の粒子が、気相中に存在している状態で、レーザ光２２３の照射によって加熱されて再溶融し、これによって粒子が、単結晶または多結晶になり、その表面にクラックが生じたり、また粒子がアモルファス化することを防ぐ。
【００８６】このレーザ源２２２は、粒子を結晶化するための働きを果たし、結晶化手段２２４を構成する。こうして結晶化された粒子は、図１１のステップｓ９において再び分級され、その粒径Ｄ２が前述のように１±０．５ｍｍφの粒子だけが分級されて、次の表面層形成手段２２５に導かれ、ステップｓ１０におけるコーティング工程が行われる。表面層形成手段２２５では、一方導電形式、たとえばｐ形の単結晶または多結晶の結晶半導体粒子を、その粒子の表面にドープすべき原子または分子を含む拡散源の気相中の通路に通過して、他方導電形式、たとえばｎ形の表面層を形成する。この通路は、上下に延びて形成され、粒子がその通路を落下中に、表面層の拡散が行われる。拡散源は、たとえばＰ2Ｏ5、ＰＯＣｌ3またはＰＨ3などであってもよい。こうして気相拡散方式で、表面層が形成される。
【００８７】本発明の実施の他の形態では、この通路を通過して拡散剤が表面に堆積した粒子を、さらに加熱して、所望の厚みを有する表面層を形成し、固体拡散方式によって表面層を形成するようにしてもよい。表面層は、真空蒸着によって形成されてもよい。
【００８８】こうして表面層が形成された粒子は、冷却筒２２７において、図１１のステップｓ１１において冷却制御が行われる。こうして真球度が向上され、表面状態が希望する表面層の状態に保たれて制御され、クラックなどが生じることなく、結晶性、真球度および表面形状が優れた光電変換素子がステップｓ１２において得られる。
【００８９】図１５は、表面層形成手段２２５の具体的な構成を示す断面図である。結晶化手段２２４によって結晶化されて固化された粒子は、表面層形成手段２２５において前述のように表面層が形成される。本発明では、ガス拡散法により球状シリコンの表面に拡散層を形成する。事例として、ｐ形球状シリコンの表面に浅いｎ形拡散層を形成する方法について説明する。拡散源としては、Ｐ2Ｏ5、ＰＯＣｌ3あるいはＰＨ3等を用いる。まず、前記拡散源をわずかの水素を含む不活性ガスにより、レーザ光照射領域に隣接し、同領域とは雰囲気的に分離された拡散層形成領域２３９に導入し、同領域２３９内を同ガスにより充満させる。また、同拡散層形成領域２３９は上下方向の長さが約５メートルであり、上端部２４１の温度が約１４００℃、下端部２４２の温度が約１３５０℃になるよう設定されている。ｐ形シリコン球は、レーザ光の照射により高品質再結晶化された後、高温度に保たれたまま、上記拡散層形成領域２３９の上端部２４１より下端部２４２に向け通過する。通過時間は約１秒である。そして、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に太陽電池として機能するに必要な深さ約０．５μｍのｎ形拡散層が形成される。この工程は前記ガスを連続して導入し、拡散層形成領域２３９のガス雰囲気をコントロールすることにより、大量にかつ連続して行うことが可能となる。
【００９０】図１６は、本発明の実施のさらに他の形態の表面層形成手段２３８の構成を簡略化して示す図である。本発明に従えば、前述と同様な拡散層形成領域２４３の温度を約１２００℃になるように設定しておき、前述同様ｐ形シリコン球を、拡散層形成領域２４３の上端部２４４より下端部２４５に向け約１秒で通過させ、同通過時にｐ形シリコン球の表面全面に深さ約０．１μｍの浅いｎ形拡散層を形成しておき、しかる後、これらのシリコン球を多数石英等の容器２４６にのせ、９００〜１０００℃の温度で再度数十分間熱処理することにより所望のｎ形拡散層を得ることもできる。
【００９１】本件明細書中、ｐｉｎ接合というのは、ほぼ球状の光電変換素子２の内から外に、または外から内に、順次的にｎ形、ｉ形およびｐ形の各半導体層が形成された構成を含むものと解釈されなければならない。
【００９２】図１７は、本発明の実施の他の形態の加振手段２２８を示す簡略化した断面図である。この加振手段２２８は、坩堝２０８内の溶融半導体２６１の上部空間２６６に連通して設けられるダイヤフラム２２９と、このダイヤフラム２２９を図１７の上下に往復駆動する駆動源２３１とを含む。駆動源２３１は、たとえばモータと、そのモータによって駆動されるクランク機構とを含んでもよい。ダイヤフラム２２９の図１７における上下動によって、溶融半導体２６１の上部空間２６６に作用する圧力が周期的に変動して加振されることになる。
【００９３】図１８は、本発明のさらに他の実施の形態の加振手段２３４の簡略化した断面図である。坩堝２０８内の半導体２６１の上部空間２６６には、管路２３５を経て駆動室２３６が接続される。この駆動室２３６の圧力を、駆動源２３７によって駆動し、駆動室２３６内の容積を大小に周期的に変化する。これによって空間２３３、したがって溶融半導体２６１を振動することができる。
【００９４】図１９は、本発明の実施の他の形態の加振手段３０２を備えた坩堝２０８の構成を示す断面図である。加振手段３０２は、坩堝２０８内の溶融半導体２６１に挿入される加振棒３０３と、この加振棒３０３を軸線２６２に沿って往復して鉛直の上下方向に振動して駆動する振動子である駆動源３０４と、この駆動源３０４を坩堝２０８の上部に固定された坩堝蓋３０５に弾発的に支持する防振ばね部材３０６とを含む。駆動源３０４は、たとえば圧電素子、ボイスコイルモータ、振動モータなどによって実現され、そのほかの構成であってもよい。加振棒３０３はほぼ直円柱状であり、軸線２６２と同軸であり、下端部３０７は、ノズル孔２１８の上部付近の直上に臨む。加振棒３０３の外径Ｄ４は、ノズル孔２１８の内径Ｄ３を超える値に選ばれる。防振ばね部材３０６は、駆動源３０４の発生する振動を、効果的に、損失を生じることなく、加振棒３０３に伝達する働きをする。加振棒３０３が振動されることによって、溶融半導体２６１も振動する。これによって滴下する溶融半導体３０９自体も振動し、特定のタイミングで切れて落下し、滴下粒子２７８の粒径が均一に揃うことになる。加振棒３０３は、坩堝２０８と同様な前述の本発明の坩堝材料から成ることが好ましい。
【００９５】加振棒３０３の上端部が、駆動源３０４によって往復上下駆動されることによって、溶融半導体２６１は、周期的にノズル孔２１８に押込まれて供給され、参照符３０９で示されるようにノズル孔２１８の下部２６９から下方に垂下し、参照符２７８で示されるように滴下する。ガス源２１４からのガスは前述の実施の形態と同様に管路２７４から、カバー部材３１１で囲まれた加振室３１２に供給され、溶融半導体２６１の上部空間２６６に供給され、一定の圧力で溶融半導体２６１が加圧される。
【００９６】本発明の実施の他の形態では、加振棒３０３は、前述の鉛直な上下方向の振動に代えて、たとえば軸線２６２に垂直な図１９の左右方向の振動であってもよく、そのほかの方向に移動するように構成されてもよい。
【００９７】図２０は、本発明の実施の他の形態の加振手段３１４によって坩堝２０８が振動される構成を示す断面図である。坩堝２０８の上部には、カバー部材３１５が固定され、このカバー部材３１５上には、振動子である駆動源３１６が取付けられる。カバー部材３１５は、防振ばね部材３１７を介して、固定位置に設けられた支持部材３１８に連結されて吊り下げられる。駆動源３１６は、カバー部材３１５、したがって坩堝２０８を軸線２６２に沿って鉛直方向に往復振動して駆動する。本発明の実施の他の形態では、駆動源３１６は、軸線２６２に垂直な図２０の左右方向に往復振動するように構成されてもよく、そのほかの方向に振動して駆動するように構成されてもよい。防振ばね部材３１７は、駆動源３１６によって発生する振動を効果的に、損失を生じることなく、坩堝２０８にカバー部材３１６を介して伝達する。こうして坩堝２０８が振動されることによって、溶融半導体２６１も振動する。これによってノズル孔２１８から排出される滴下溶融半導体３０９も振動し、特定のタイミングで切れて、滴下粒子２７８の粒径が均一に揃うことになる。カバー部材３１５には、管路２７４を介してガス源２１４から加圧ガスが供給される。
【００９８】図１７〜図２０に示される坩堝２０８に代えて前述の坩堝２０８ａ〜２０８ｅなどが用いられてもよい。
【００９９】本発明によって生産された球状半導体粒子は、光電変換素子であり、このような光電変換素子２を用いて、後述の光発電装置１を構成することができる。
【０１００】図２１は、本発明の実施の一形態の光発電装置１の一部の拡大断面図である。光発電装置１は基本的に、ほぼ球状の形状を有する複数の光電変換素子２と、その光電変換素子２が搭載される支持体３とから成る組合せ体４が、透光性合成樹脂材料、たとえばＰＶＢ（ポリビニルブチラール）、ＥＶＡ（エチレンビニルアセテート）などから成る充填層５内に埋設され、この充填層５には、太陽光などの光源側にポリカーボネートなどの透光性保護シート６が配置されて固定される。充填層５の保護シート６と反対側（図２１の下方）の表面には、合成樹脂材料などから成る防水性裏面シート１２が固定される。こうして光発電装置１の全体の形状は、偏平な板状である。
【０１０１】光電変換素子２は、第１半導体層７、およびそれよりも外方の第２半導体層８を有する。第２半導体層８には開口部９が形成される。第１半導体層７の一部分１０は、開口部９から図２１の下方に露出する。図２１の上方から光１１が照射されることによって、光電変換素子２の第１および第２半導体層７，８間から光起電力が出力される。
【０１０２】支持体３は、第１導体１３と第２導体１４との間に電気絶縁体１５がサンドイッチされ、こうして第１および第２導体１３，１４が、電気絶縁体１５を介して電気的に絶縁されて構成される。第１および第２導体１３，１４は、たとえばアルミニウム箔であってもよく、そのほかの金属製シートであってもよい。電気絶縁体１５は、たとえばポリイミドなどの合成樹脂材料であってもよく、そのほかの電気絶縁性材料から成ってもよい。複数の各凹部１７は、隣接して形成され、この凹部１７の内面は、第１導体１３によって形成される。各凹部１７内の底には、光電変換素子２がそれぞれ配置される。
【０１０３】図１０〜図１６の坩堝２０８に代えて、前述の他の坩堝２０８ａ〜２０８ｅが用いられてもよい。
【０１０４】本発明は、Ｓｉなどの半導体だけでなく、そのほかの種類の金属、たとえば鉄、アルミニウムなどに関連しても広範囲に実施することができる。
【０１０５】本件発明者による実施例１および比較例１〜３を述べる。前述の図１〜図３および図１０〜図１６の実施の形態において、坩堝２０８の材質、ノズル孔２１８の孔径、上部空間２６６に供給される加圧ガスの種類、溶融半導体２６１の種類およびその溶融半導体２６１の加熱温度は、表１のとおりである。
【０１０６】
【表１】
【０１０７】実施例１の試験方法と結果を述べる。加熱終了後、１０ｋＰａで加圧、滴下が開始した。加圧中に粒子径が変化することは、全くなかった。また、滴下が停止してしまうこともなく、坩堝に貯留した７０ｇのシリコンのうち６８ｇを粒子として回収することができた。
【０１０８】比較例１の試験方法と結果を述べる。加熱終了後、１０ｋＰａで加圧、滴下が開始した。開始直後は、小径粒子が滴下していたが、時間の経過とともに大径粒子へと遷移しながら、最終的には１０ｋＰａ保持していたにもかかわらず、滴下が停止してしまった。この後、加圧圧力を３０ｋＰａまで上昇するも、滴下が再開することはなかったため、試験を中断した。時間の経過とともに、滴下粒子が小径から大径へと遷移した原因は、徐々にカーボンとシリコンが濡れ、ノズル孔の周囲にシリコンが付着し始め、この付着したシリコンが一塊となって滴下したためである。また、滴下が停止してしまった原因は、カーボンとシリコンの反応生成物である、ＳｉＣやＮ2とシリコンの反応生成物であるＳｉ3Ｎ4がノズル孔の内部に堆積し、最終的に孔が閉塞したためである。
【０１０９】比較例２の試験方法と結果を述べる。加熱終了後、１０ｋＰａで加圧したが、滴下が開始しなかったため、加圧圧力を上昇させたところ３３ｋＰａに達した時点で、滴下開始した。開始直後は、小径粒子が滴下していたが、時間の経過とともに大径粒子へと遷移しながら、最終的には３３ｋＰａ保持していたにもかかわらず、滴下が停止してしまった。この後、加圧圧力を５０ｋＰａまで上昇するも、滴下が再開することはなかったため、試験を中断した。時間の経過とともに、滴下粒子が小径から大径へと遷移した原因は、徐々にＳｉＣとシリコンが濡れ、ノズル孔の周囲にシリコンが付着し始め、この付着したシリコンが一塊となって滴下したためである。また、滴下が停止してしまった原因は、Ｎ2とシリコンの反応生成物であるＳｉ3Ｎ4がノズル孔の内部に堆積し、最終的に孔が閉塞したためである。
【０１１０】比較例３の試験方法と結果を述べる。加熱終了後、１０ｋＰａで圧力、滴下が開始した。１０ｋＰａ保持しているにもかかわらず小径から大径、大径から小径へといった遷移を数度繰返し、最終的には滴下が停止してしまった。この後、加圧圧力を５０ｋＰａまで上昇するも、滴下が再開することはなかったため、試験を中断した。滴下粒子が小径から大径、大径から小径へといった遷移を数度繰返した原因は、Ｎ2とシリコンの反応生成物であるＳｉ3Ｎ4がノズル孔の内部に堆積しては、シリコンによって洗い流され、また堆積しては洗い流されるといったことを繰返し、実際のノズル孔の内径が細くなっては、元に戻るといったことを繰返したためである。また、滴下が停止してしまった原因は、Ｎ2とシリコンの反応生成物であるＳｉ3Ｎ4が孔の内部に堆積し、最終的に閉塞したためである。
【０１１１】
【発明の効果】本発明によれば、高融点のシリコンなどの金属であっても、生産性良く均一な粒度分布の金属粒子を製造することができ、溶融金属を滴下するノズル孔が閉塞することはなく、金属粒子の製造を、継続することができるようになる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】５０２１３９９１０
【氏名又は名称】株式会社クリーンベンチャー二十一
|
| 【出願日】 |
平成１４年４月１８日（２００２．４．１８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５５５７
【弁理士】
【氏名又は名称】西教 圭一郎 （外２名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００３−３０６７０６（Ｐ２００３−３０６７０６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年１０月３１日（２００３．１０．３１） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−１１６７１４（Ｐ２００２−１１６７１４） |
|