JP2002293527A - 多結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鋳型の底部からの抜熱によって鋳型内の溶融
シリコンの凝固速度を適切に制御して有利な一方向凝固
を行わせる手法について提案する。 【解決手段】 加熱を司る上部室と、冷却を司る下部室
とを、断熱材による隔壁で仕切るとともに、該隔壁の一
部を開口して設けた上部室と下部室との連通口内に鋳型
の置台を昇降可能に配置した装置において、該置台上に
シリコンを装入した鋳型を載置し、上部室内の温度を14
50〜1550℃の範囲に制御してシリコンを溶解した後、上
部室内の温度を1420〜1440℃に調整しつつ、もしくは調
整してから置台を下降して置台の側壁を下部室内に露出
し、上部室内の温度を1420〜1440℃の範囲に維持したま
ま、置台の側壁からの抜熱によって鋳型底部を冷却し、
溶融シリコンを鋳型底部から上方へ一方向凝固させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】この発明は、 太陽電池などに
用いられる多結晶シリコンの製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】主に太陽電池に用いられる多結晶シリコ
ンは、鋳型内で溶解したシリコンを鋳型の底部から徐々
に冷却して、鋳型底部から上方に一方向凝固する方法に
よって製造されるのが一般的である。

【０００３】例えば、特開昭63−166711号公報には、底
部が開口した炉の下方に昇降可能に水冷チルプレートを
設け、炉内に配置した鋳型内にシリコンを装入して溶解
するとともに、水冷チルプレートを鋳型の底面まで上昇
させて、鋳型と水冷チルプレートとの接触を保持したま
ま両者を下降させて鋳型を炉外に移動し、ここでシリコ
ンの一方向凝固を行うことが、記載されている。

【０００４】ここで、太陽電池の変換効率を高めるに
は、大きな結晶粒径を有する多結晶シリコンを提供する
ことが有効であるため、その製造においては、鋳型底部
からの抜熱量の調整によって、特に凝固速度を適切に制
御することが望まれる。しかしながら、上記公報に記載
の技術は、主に鋳塊の凝固速度を速めるところに特徴が
あるから、抜熱量の調整によって凝固速度を微妙に制御
することが難しい。とりわけ、上記公報に記載の技術で
は、鋳型を下降した際に、発熱体のない炉内壁と鋳型側
壁とが向き合うため、ここで鋳型側壁からも抜熱が生じ
て熱バランスが崩れるため、凝固速度の制御は極めて難
しくなる。そのため、鋳型底部近傍に微細組織が多量に
生成するのを回避することが困難であった。

【０００５】なお、鋳型からの抜熱量の調整として、水
冷チルプレートの材質を選択したり、鋳型と水冷チルプ
レートとの間に両者間の熱伝導を変化させるための断熱
材などの介在物を配置する、等の手段が考えられる。し
かし、前者は所期する凝固速度毎に材質を変更する必要
があるから極めて不経済であり、一方後者は鋳型の荷重
変動や複数回の使用に伴って、鋳型と水冷チルプレート
との間の熱伝導率が容易に変動するため、凝固速度を制
御することは難しい。

【０００６】また、特開平10−130088号公報には、イン
ゴット周囲の数カ所に熱電対を設置して凝固速度を制御
することが提案されているが、１ヒート毎に熱電対をセ
ットするという煩雑な作業が必要であり、さらに凝固時
の抜熱量は微少であるため、熱電対先端の接触状態や位
置によって測定誤差が大きくなる不利があり、熱電対の
損耗が激しいことも問題になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この発明は、
上記した諸問題を解消し、鋳型の底部からの抜熱によっ
て鋳型内の溶融シリコンの凝固速度を適切に制御して有
利な一方向凝固を行わせる手法について、提案すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、この発明の要
旨構成は、次のとおりである。 (1) 加熱処理を行う上部室と、冷却処理を行う下部室と
を、断熱材による隔壁で仕切るとともに、該隔壁の一部
を開口して設けた上部室と下部室との連通口内に鋳型の
置台を昇降可能に配置した装置において、該置台上にシ
リコンを装入した鋳型を載置し、上部室内の温度を1450
〜1550℃の範囲に制御してシリコンを溶解した後、上部
室内の温度を1420〜1440℃に調整しつつ、もしくは調整
してから置台を下降して置台の側壁を下部室内に露出
し、上部室内の温度を1420〜1440℃の範囲に維持したま
ま、置台の側壁からの抜熱によって鋳型底部を冷却し、
溶融シリコンを鋳型底部から上方へ一方向凝固させるこ
とを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。

【０００９】(2) 上記(1) において、シリコンの溶解完
了から一方向凝固へ移行する間の、上部室内の温度降下
速度を20℃／ｈ以下に制御することを特徴とする多結晶
シリコンの製造方法。

【００１０】(3) 上記(1) または(2) において、シリコ
ンの溶解完了から一方向凝固へ移行する間の、置台の平
均下降速度を1.0 mm／min 以下に制御することを特徴と
する多結晶シリコンの製造方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、 この発明の方法について、
図面を参照して詳細に説明する。まず、この発明の方法
に用いる多結晶シリコンの製造装置を、図１に示す。該
製造装置は、断熱材で区画された上下２室構造を有し、
その上部室１と下部室２とを断熱材による隔壁３で仕切
って成る。

【００１２】上部室１は、その内壁面に沿って設置され
るヒータ４をそなえる。例えば、図示例の上部室１は直
方体状であるから、その底面となる隔壁３を除く５つの
内壁面をそれぞれヒータ４で覆って成る。これらヒータ
４によって、室内を所望の温度雰囲気に加熱、保持し
て、後述するシリコンの溶解をはかる。

【００１３】また、上部室１の底面を構成する隔壁３
は、その一部、図示例でほぼ中央部を、例えば矩形状に
開口して設けた、上部室１と下部室２との連通口５を有
する。この連通口５には、連通口５と平面形状がほぼ同
等でかつ隔壁３よりも厚みのある置台６を配置し、置台
６は装置外から下部室２内に延びる、モーターや油圧シ
リンダーを駆動源とする昇降機７によって、昇降可能に
支持されている。そして、置台６に鋳型８を載せて鋳型
８を上部室１内に配置し、鋳型８内に装入したシリコン
９の溶解を行う。なお、置台６は、熱伝導率の高い、カ
ーボン、SiC またはCrなどの材料から形成することが好
ましい。さらに、図示例のように、置台６と昇降機７と
の間に断熱材10を配置すれば、置台６が上部室１側まで
上昇している場合に、上部室１と下部室２との間の断熱
を強化することができる。

【００１４】一方、下部室２には、上記した置台６の昇
降経路を囲む位置に冷却板11を設置し、該昇降経路の冷
却を可能とする。ここで、図示例の場合は、置台６が矩
形であるから、その昇降経路を囲む冷却板11は、直方体
の側面を構成するように４面にわたって設ければよい。
従って、鋳型８や置台６が円筒状であれば、冷却板11を
円筒状に設けることが好ましい。なお、冷却板11として
は、例えば内部に冷却水の配管を敷設して冷却水12を循
環供給する構造が有利に適合する。

【００１５】以上の構造の製造装置において、まず図１
に示すように、置台６上にシリコン９を装入した鋳型８
を載置し、上部室１内の温度をシリコンの融点（約1410
℃）よりも十分に高い、1450〜1550℃の範囲に制御して
シリコン９を溶解することが、肝要である。ここに、上
部室１内の温度を種々に変化した条件下でシリコンの溶
解を行って、その後一定の条件にて一方向凝固させて製
造した、多結晶シリコンの結晶組織について、有害な５
mm以下の微細組織が占める領域、ここでは鋳型底部から
の高さに関して調査した。なぜなら、太陽電池用多結晶
シリコンでは、結晶組織が微細になると、太陽電池特性
が著しく劣化するのが一般的であり、とりわけ径が５mm
以下の微細な結晶組織が有害であるからである。すなわ
ち、径が５mm以下の微細組織が一旦生じると、通常の大
粒径組織となるまでに、鋳型底部から数10mmの高さ範囲
にまで微細組織が生成し、この範囲は不良部分として切
除せざるを得なくなる。

【００１６】上記の調査結果を表１に示すように、シリ
コン溶解時の上部室１内温度を1450℃以上にすることに
よって、有害な微細組織の生成を僅かな範囲に止めるこ
とができる。これは、シリコン溶解時の上部室１内温度
が1450℃未満では、鋳型底部の冷却を開始した直後から
凝固が始まり、この初期の凝固速度の制御が難しくなる
からである。

【００１７】

【表１】

【００１８】一方、シリコン溶解時の上部室１内温度が
1550℃をこえると、まず鋳型内壁に剥離剤として窒化珪
素を塗布する場合に、この窒化珪素が炭化珪素となって
シリコンとの濡れ性が良好になる結果、剥離剤としての
機能が消失する、おそれがある。また、鋳型に石英を使
用した場合は、その変形が許容範囲をこえる、おそれが
あり、さらに省エネルギーの観点からも好ましくない。
なお、上部室１内の温度を上記の範囲に制御するには、
例えばヒータ４の近傍に差し込み配置した熱電対あるい
は放射温度計を利用して雰囲気温度を測定し、その測定
結果に基づいてヒータ４の出力調整を行えばよい。以下
の温度調整も同様である。

【００１９】上記に従ってシリコン９を溶解したなら
ば、次いで上部室１内の温度を1420〜1440℃に調整して
から、図２に示すように、置台６を下降して置台６の側
壁６ａを下部室１内に露出し、上部室１内の温度を1420
〜1440℃に保持したまま、該側壁６ａからの抜熱（図中
白抜き矢印で示す）によって鋳型８底部を冷却し、溶融
シリコンを鋳型８底部から上方へ向かって一方向凝固さ
せる。すなわち、シリコンの溶解が終了したならば、上
部室１内の温度を1420〜1440℃の温度域まで下げる必要
がある。

【００２０】ここに、上部室１内の温度を1450〜1550℃
の範囲にした条件下でシリコンの溶解を行って、その後
上部室１内の温度を種々に変化した条件下で一方向凝固
させて製造した、多結晶シリコンの結晶組織について、
有害な５mm以下の微細組織が占める領域、ここでは鋳型
底部からの高さに関して調査した。その結果を表２に示
すように、シリコン溶解後の上部室１内温度を1420℃以
上にすることによって、有害な微細組織の生成を僅かな
範囲に止めることができる。これは、シリコン溶解後の
上部室１内温度が1420℃未満では、溶融シリコンの鋳型
高さ方向の温度勾配が小さくなりすぎて、一方向凝固が
難しくなるからである。

【００２１】

【表２】

【００２２】一方、シリコン溶解後の上部室１内温度が
1440℃をこえると、鋳型側壁からの入熱が大きくなって
側壁側のシリコンの凝固が遅滞し、凝固界面が平滑でな
く鋳型中央で膨らむ凸型になる結果、インゴット端部で
の最終凝固が不均一となり、この部分でのシリコンの凝
固膨張により残留応力が生じ、切断後または鋳型からの
取り出し直後にクラックが発生する。

【００２３】さらに、シリコンの溶解完了から上部室１
内の温度を1420〜1440℃の温度域まで下げるに当り、上
部室１内での温度降下速度を20℃／ｈ以下に制限するこ
とが好ましい。ここに、上部室１内の温度を1450〜1550
℃の範囲にした条件下でシリコンの溶解を行って、その
後上部室１内の温度を1420〜1440℃の範囲まで種々の温
度降下速度で下げてから一方向凝固させて製造した、多
結晶シリコンの結晶組織について、有害な５mm以下の微
細組織が占める領域、ここでは鋳型底部からの高さに関
して調査した。その結果を表３に示すように、温度降下
速度を20℃／ｈ以下にすることによって、有害な微細組
織の生成をより狭い範囲に止めることができる。

【００２４】

【表３】

【００２５】かくして上部室１内の温度を1420〜1440℃
の範囲に調整したのち、置台６を下降して置台６の側壁
６ａを下部室１内に露出し、該側壁６ａからの抜熱によ
って鋳型８底部を冷却することが重要である。すなわ
ち、側壁６ａの露出面積の調整により、初期凝固の制御
を容易に行えるため、有害な微細組織の生成を抑制する
ことができる。

【００２６】ここで、置台６を下降するに当り、その平
均下降速度を1.0 mm／min 以下に制御することが好まし
い。なぜなら、上部室１内の温度を1450〜1550℃の範囲
にした条件下でシリコンの溶解を行って、その後上部室
１内の温度を1420〜1440℃の範囲まで所定の温度降下速
度で下げてから、種々の平均下降速度で置台６を下降し
て製造した、多結晶シリコンの結晶組織について、有害
な５mm以下の微細組織が占める領域、ここでは鋳型底部
からの高さに関して調査した結果を表４に示すように、
平均下降速度を1.0 mm／min 以下にすることによって、
有害な微細組織の生成をより狭い範囲に止めることがで
きる。

【００２７】

【表４】

【００２８】なお、置台６の下部室２内への下降量は、
50〜300mm の範囲とすることが好ましい。すなわち、置
台６の下降量が50mm未満では、凝固の進行とともに固体
シリコン部の熱抵抗も加わることから、鋳型下部からの
冷却が不足し、上部室からの入熱が相対的に大きくな
り、インゴット上端までの一方向凝固が不可能になる。
一方、下降量が300mm をこえると、鋳型下部からの冷却
が過剰になり、有害な微細組織が生成し易くなる。

【００２９】この置台６の下降は、上述した好適下降速
度の下に、上記下降量を連続または断続して行うことが
できるが、断続の場合は一度の下降量が５mmをこえない
ようにする。なぜなら、上部室１内の温度を1450〜1550
℃の範囲にした条件下でシリコンの溶解を行って、その
後上部室１内の温度を1420〜1440℃の範囲まで所定の温
度降下速度で下げてから、0.5mm ／min の平均下降速度
で300 min にわたり、置台６を種々の降下量の下に計15
0mm 下降して製造した、多結晶シリコンの結晶組織につ
いて、有害な５mm以下の微細組織が占める領域、ここで
は鋳型底部からの高さに関して調査した結果を表５に示
すように、一度の降下量を５mm以下にすることによっ
て、有害な微細組織の生成をより狭い範囲に止めること
ができる。

【００３０】

【表５】

【００３１】なお、上記の実施形態では、上部室内の温
度を1450〜1550℃の範囲から1420〜1440℃の範囲へ調整
した後、置台を下降させることとしたが、上部室内の温
度を調整しながら置台を下降してもよい。

【００３２】また、上記の実施形態では、上部室に１つ
の鋳型を配置して多結晶シリコンを製造する例を示した
が、複数の鋳型を上部室内に配置し、各鋳型毎に連通口
を介して昇降する置台を組み合わせて、それぞれ上記し
た一方向凝固を行って、複数のインゴットを同時に作製
することも可能である。

【００３３】

【発明の効果】この発明によれば、鋳型の底部からの抜
熱によって鋳型内の溶融シリコンを一方向凝固させる際
に、その凝固速度の適切な制御が実現されるから、とり
わけ太陽電池として供する場合に問題となる、微細結晶
組織の生成を最小限に抑制して優れた品質の多結晶シリ
コンを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明で用いる多結晶シリコンの製造装置
を示す図である。

【図２】 多結晶シリコンの製造装置の動作を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 上部室 ２ 下部室 ３ 隔壁 ４ ヒータ ５ 連通口 ６ 置台 ７ 昇降機 ８ 鋳型 ９ シリコン 10 断熱材 11 冷却板 12 冷却水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 花澤 和浩 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 (72)発明者 日和佐 章一 岡山県倉敷市水島川崎通１丁目（番地な し） 川崎製鉄株式会社水島製鉄所内 Ｆターム(参考） 4G072 AA01 BB12 GG01 GG03 HH01 MM38 NN01 NN02 UU02 5F051 AA03 CB05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱処理を行う上部室と、冷却処理を行
   う下部室とを、断熱材による隔壁で仕切るとともに、該
   隔壁の一部を開口して設けた上部室と下部室との連通口
   内に鋳型の置台を昇降可能に配置した装置において、該
   置台上にシリコンを装入した鋳型を載置し、上部室内の
   温度を1450〜1550℃の範囲に制御してシリコンを溶解し
   た後、上部室内の温度を1420〜1440℃に調整しつつ、も
   しくは調整してから置台を下降して置台の側壁を下部室
   内に露出し、上部室内の温度を1420〜1440℃の範囲に維
   持したまま、置台の側壁からの抜熱によって鋳型底部を
   冷却し、溶融シリコンを鋳型底部から上方へ一方向凝固
   させることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１において、シリコンの溶解完了
   から一方向凝固へ移行する間の、上部室内の温度降下速
   度を20℃／ｈ以下に制御することを特徴とする多結晶シ
   リコンの製造方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、シリコンの
   溶解完了から一方向凝固へ移行する間の、置台の平均下
   降速度を1.0 mm／min 以下に制御することを特徴とする
   多結晶シリコンの製造方法。