JP4273659B2

JP4273659B2 - 結晶シリコン製造装置

Info

Publication number: JP4273659B2
Application number: JP2000395227A
Authority: JP
Inventors: 順一佐々木; 浩司続橋; 明仁矢野尾
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2020-12-26
Also published as: JP2002193609A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン融液を冷却して一方向に徐々に凝固させる結晶シリコン製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン太陽電池は、今日最も多く製造されている太陽電池である。多結晶シリコン太陽電池の発電素子（ソーラー・セル）の最も重要な性能は、エネルギー変換効率である。このエネルギー変換効率は、基板が有する結晶粒界および結晶粒内の結晶の配向性に大きく左右される。これらは、ソーラー・セル内のキャリアの寿命の短縮や移動度の低下の原因となって、エネルギー変換効率を低下させるためである。そのため、エネルギー変換効率を向上させるためには、多結晶シリコンの製造において、その結晶粒界をできるだけ少なくする、言い換えると、結晶粒径をできるだけ大きな結晶粒に成長させること、そして、その結晶粒内の配向性を向上させることが重要である。
【０００３】
多結晶シリコンを製造する方法で代表的なものに、一方向凝固法がある。この方法では、例えば、アルゴンガス雰囲気中において、図３に示すように、ほぼ直方体状に形成された鋳型５１にシリコン原料Ｓを収容し、鋳型５１から離間した上部ヒータ５２および下部ヒータ５３によってこのシリコン原料Ｓを溶融させて溶湯５４とし、次いで下部ヒータ５３による加熱を解き、鋳型５１を冷却板５５によってその底面側から抜熱して凝固させることにより生成される。このとき生成されるインゴットは、冷却板５５や各ヒータ５２、５３を調節して溶湯５４内に鋳型５１の底部から上部方向へ正の温度勾配を付与して、溶湯５４を底部から徐々に冷却・凝固させることにより、結晶を上方へと成長させていく。この方法によれば、太陽電池用ウェハとして十分な数ミリ以上の結晶粒径を有する多結晶シリコンインゴットが得られることが知られている。
【０００４】
このとき、一方向凝固性の良好なインゴットを生成するため、鋳型５１の全ての抜熱は底面側から行われ、側壁面５１ａ側からは抜熱されないのが理想的である。そのため、鋳型５１の側壁面５１ａ外側には、冷却板５５上に断熱材５６が周設されている。
ここで、シリコン原料Ｓを鋳型５１に収容する場合に、シリコン原料Ｓの頂上部が側壁部５１ａを越えて可能な限り山盛りにして収容しても、シリコン原料Ｓがチップ状の固体シリコンであるため、溶融させた際に溶湯５４の液面は鋳型５１の側壁部５１ａの上端には至らない状態であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の一方向凝固法を採用する従来の結晶シリコン製造装置５０においては、結晶シリコン製造装置５０を大型化することなく、一度に製造される多結晶シリコンインゴットを増量したいという要求が存在し、このため、鋳型５１の側壁部５１ａの上端部近傍まで溶湯５４の液面が存在するようにシリコン原料Ｓを供給したいという要求が存在していた。
また、同時に鋳型５１にシリコン原料Ｓを供給する場合であっても、シリコン原料Ｓの加熱溶解時にはアルゴンガス雰囲気を維持した状態としたいという要求があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
▲１▼ 鋳型を大型化することなく一度に供給するシリコン原料の増量を図ること。
▲２▼ 一度に製造可能な多結晶シリコンインゴットの増大を図ること。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶シリコン製造装置においては、チャンバ内に、シリコン原料を溶融した溶湯を収容する鋳型と、この鋳型が載置されるチルプレートと、このチルプレートの下方位置に設けられた吸熱板と、前記鋳型の上方位置および下方位置に配置され、シリコン原料を加熱して前記溶湯を生成する上加熱部および下加熱部と、前記溶湯を増量するために前記鋳型の上側に設けられて加熱前にシリコン原料が載置されるとともに加熱に伴って載置されたシリコン原料が鋳型内に落下するよう鋳型内に向かう傾斜面を有する増量板と、を備え、この増量板は、前記鋳型の側壁部の周囲に配設された断熱材の上に設けられており、前記上加熱部および前記下加熱部を作動させて前記溶湯を生成した後に、上加熱部を作動させたまま下加熱部の作動を停止して前記吸熱板によって吸熱し、前記鋳型内の前記溶湯の凝固を開始させ、その後上加熱部の作動を停止することにより、前記鋳型内の前記溶湯を下部から上部にかけて徐々に凝固させることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記増量板には、前記鋳型以外にシリコン原料が落下することを防止する落下防止板が設けられることが望ましい。
また、本発明において、前記増量板が前記鋳型を挟んで対向するよう一対設けられてなる手段を採用することもできる。
【０００８】
本発明の結晶シリコン製造装置においては、前記鋳型の上側に、加熱前にシリコン原料が載置されるとともに加熱に伴って載置されたシリコン原料が鋳型内に落下するよう鋳型内に向かう傾斜面を有する増量板が設けられることにより、鋳型内部のみならず、加熱前の前記鋳型だけでは収容できない量のシリコン原料増量板に載置して、これを加熱して溶湯として前記鋳型に収容することができるため、溶湯を増量することが可能となる。この結果、鋳型を大型化することなく多結晶シリコンインゴットを大型化することができる。
この際、前記増量板が鋳型の上側に設けられることにより、前記鋳型内部のシリコン原料に比べて増量板上のシリコン原料が、前記鋳型の上側に設けられる加熱手段までの距離を短くすることができ、前記鋳型内部のシリコン原料の溶解よりも前記増量板上のシリコン原料を速やかに加熱することが可能となる。ここで、増量板は、前記傾斜面を有するものであれば板状に限るものではない。
【０００９】
本発明において、前記増量板の傾斜面において、鋳型から離間する方向の端部側にはこの傾斜面よりも上側に突出する落下防止板が設けられることにより、前記鋳型以外に載置されたシリコン原料が落下することを防止できる。同時に、この落下防止板により、増量板に載置できるシリコン原料をさらに増量することが可能となる。ここで、落下防止板は、前記傾斜面よりも上方に突出していればよく、板状に限定されるものではない。
【００１０】
本発明において、前記増量板が前記鋳型を挟んで対向するよう一対設けられてなることにより、鋳型の片側のみに増量板が設けられた場合よりも多量のシリコン原料を供給することが可能となる。これによりさらに鋳型に収容する溶湯を増量することが可能となり、鋳型を大型化することなく多結晶シリコンインゴットをより一層大型化することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る結晶シリコン製造装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態における結晶シリコン製造装置の一実施形態を示す正断面図であり、図２は図１の増量板付近を示す拡大図であり、図において符号１は、結晶シリコン製造装置である。
【００１２】
結晶シリコン製造装置１は、図１に示すように、チャンバ２内に、シリコン融液３を収容するルツボ（鋳型）４と、そのルツボ４を収容する収容体５と、ルツボ４の収容された収容体５を載置するチルプレート８と、ルツボ４、収容体５、およびチルプレート８を包囲する包囲炉６と、包囲炉６内でルツボ４の上方位置および、下方位置に配置され、固体シリコン（シリコン原料）３ａ，３ｂを加熱してシリコン融液（溶湯）３を生成する上加熱部７ａ，下加熱手段７ｂと、一対の増量板９，９とを有する構成とされている。
【００１３】
チャンバ２を構成する壁の内部には中空部２ａが形成され、そこに冷却水を流すことによって、固体シリコン３ａの溶融後のチャンバ２およびその内部の冷却を効率的に行えるようになっている。
【００１４】
包囲炉６は、複数の断熱材により天板部と底板部とそれらの周囲を囲む側板部とを有して形成され、例えば正面から見て図１に示す如き円筒状で、かつ側面から見て四角の形状をなしている。また、包囲炉６の下部には支持部６４が相対向して設けられ、この支持部６４上にチルプレート８を介し収容体５を支持している。
包囲炉６の天板部には、この天板部を貫通して流入ノズルが配管されている。流入ノズルは不活性ガスであるアルゴンガスを包囲炉６内に流入させるものであり、チャンバ２の外部に設置された昇降機構の駆動により、シリコン融液３に対する距離を変更できるようになっている。
【００１５】
上加熱部７ａは、ルツボ４の長さ方向に沿って複数配設されたヒータで構成されている。また、下加熱部７ｂは、チルプレート８より下方位置にあって、かつ包囲炉６の支持部６４の間に配設されている。これら上加熱部７ａおよび下加熱部７ｂは加熱手段を形成している。
チルプレート８上には、このチルプレート８と密着する状態に収容体５が載置されている。このカーボンからなる収容体５は、側壁部５ａと底部５ｂとを有する桶状とされ、その内部に、ルツボ４が収容されている。この側壁部５ａは、ルツボ４の側壁部の周囲を囲むように設けられ、その上端が、少なくともシリコン融液３の液面よりも高い位置まであるよう設定されている。底部５ｂはチルプレート８とルツボ４の底部と密着されている。
【００１６】
そして、包囲炉６のチルプレート８の下方位置に吸熱板１３が設けられている。吸熱板１３は、シリコン融液３の冷却時に包囲炉６内の輻射熱を吸熱するためのものであって、チャンバ２の下部においてチルプレート８と対向する位置に取付けられ、カーボンで形成されている。包囲炉６には載置台５の下方位置に下開口が形成され、その下開口には開閉可能なシャッターが設けられる。このシャッターは、固体シリコン３ａの加熱時、下開口を閉じた状態にしておき、シリコン融液３の冷却時、シャッターを開くようにしている。
【００１７】
また、吸熱板１３は、チャンバ２内を流通する冷却水用の冷却水路１４を形成している。即ち、吸熱板１３はチャンバ２の底面と適宜の空間をもって配置されており、冷却水路１４は、チャンバ２内の中空部２ａ及びチャンバ２の底面と吸熱板１３との間の空間によりチャンバ２内全体を包囲するように形成されている。
なお、チャンバ２の底部にはチャンバ２及び吸熱板１３を貫通する冷却ノズル２１が設けられている。冷却ノズル２１は、シリコン融液３の冷却時、アルゴンガスをチルプレート８に向けて吹き付けるように包囲炉６内に下方から流入する。
【００１８】
ルツボ４の側壁部４ｂの上側には、図１，図２に示すように、このルツボ４を挟んで対向する位置に一対の増量板９，９が設けられている。カーボンからなるこの増量板９には、それぞれ、加熱前に個体シリコン３ｂが載置されるとともに加熱に伴って載置された固体シリコン３ｂがルツボ４内に落下するようルツボ４内側に向かう傾斜面９ａが設けられる。また、増量板９の傾斜面９ａにおいてルツボ４から離間する方向の端部側、つまり、傾斜面９ａの上端側には、傾斜面９ａよりも上側に突出する落下防止板９ｂが設けられている。傾斜面９ａ，９ａのルツボ４側の先端部はいずれも平面視してルツボ４の内側に位置する。
【００１９】
一対の増量板９，９において、対向する傾斜面９ａ，９ａのルツボ４側の先端部どうしの間隔は、対向するルツボ４の側壁部４ｂ，４ｂどうしの間隔よりも小さく設定され、また、対向する落下防止板９ｂ，９ｂどうしの間隔が、対向するルツボ４の側壁部４ｂ，４ｂどうしの間隔より大きく設定される。
これら増量板９，９は、ルツボ４の側壁部４ｂ周囲の断熱材１０，１０上に設けられている。なお、図１においては、断熱材１０を省略してある。
【００２０】
さらに、包囲炉６の側板部の上部には、上開口が設けられ、この上開口を開閉する上部開閉機構をも有している。この上部開閉機構は、開閉扉と、この開閉扉に連結されたアクチュエータとを具備している。そして、固体シリコン３ａの加熱時には、開閉扉が上開口を閉じた状態にしておき、シリコン融液３の冷却時、アクチュエータの駆動により、開閉扉を開くようにしている。またさらに、包囲炉６およびチャンバ２の上部には排気ポート２２が配管されている。この排気ポート２２は、シリコン融液３の冷却時、下方の冷却ノズル２１等から包囲炉６内にアルゴンガスが流入したとき、そのガスを排気するためのものである。なお、包囲炉６には、観察用のビューポート、温度センサー、加熱手段７ａ，７ｂの配線類を通すポート等が設けられる。
【００２１】
上記構成の結晶シリコン製造装置１を用いて、結晶シリコンを製造する場合には、まず、原料のチップ状の固体シリコン３ａをルツボ４内に収容するとともに、続いて原料のチップ状の固体シリコン３ｂを増量板９，９上に載置する。
次いで、シャッターおよび上部の開閉扉を閉じて包囲炉６内に流入ポート２０からアルゴンガスを流入し、所定圧のガス雰囲気に保ち、その状態で上加熱部７ａ，下加熱部７ｂを作動して包囲炉６内を昇温させる。
すると、ルツボ４内の固体シリコン３ａが昇温し、溶融してシリコン融液３’が生成されて固体シリコン３ａに比べて体積が縮小するとともに、上加熱部７ａによって昇温した増量板９上の固体シリコン３ｂが傾斜面９ａにそって落下し、ルツボ４内に収容される。同時に、溶融温度に達した時点でルツボ４内の固体シリコン３ｂが溶融することにより、シリコン融液３が生成される。シリコンの溶解温度は１４８０℃である。このシリコン融液３，３’の生成は同時におこなわれる。
【００２２】
そして、シリコン融液３が生成されると、上加熱部７ａを作動状態のままとして下加熱部７ｂの作動を停止し、シャッターを開くと、包囲炉６内の熱が下開口から吸熱板１３に吸熱される。これにより、包囲炉６内はシリコンの溶融温度から１０００℃程度まで降下する。そうして包囲炉６内の下部が１０００℃以下に降下すると、ルツボ４内のシリコン融液３が凝固し始める。このシリコン融液３が凝固し始めて、上加熱部７ａの作動も停止することにより、ルツボ４内のシリコン融液３が下部から上部にかけて徐々に凝固する。
このように、ルツボ４の底部から上部方向へ正の温度勾配を付与するとともに、シリコン融液３を冷却することにより、シリコンが凝固して結晶化されることとなる。
【００２３】
本実施形態では、ルツボ４内に収容した固体シリコン３ａのみが溶融することにより生成するシリコン融液３’に対して、増量板９上の固体シリコン３ｂをも溶融してより液面の上昇したシリコン融液３を生成することができる。例えば、増量板９，９のない場合に１００ｋｇのシリコン融液３’を生成可能な結晶シリコン製造装置の場合、増量板９，９を設けることにより、１５０ｋｇのシリコン融液３を生成することが可能となった。これにより、シリコン製造装置１全体の大型化を要求するルツボ４の大型化をおこなうことなく生成する多結晶シリコンインゴットを大型化することができる。
この際、前記増量板９がルツボ４の上側に設けられることにより、前記ルツボ４内部の固体シリコン３ａに比べて、増量板９上の固体シリコン３ｂからルツボ４の上側に設けられる上加熱部７ａまでの距離が短くなり、前記ルツボ４内部の固体シリコン３ａよりも増量板９上の固体シリコン３ｂを速やかに加熱することが可能となる。このため、加熱時間を短縮することができる。
【００２４】
このとき、前記増量板９の傾斜面９ａの上端部に、落下防止板９ｂが設けられることにより、ルツボ４の外側に固体シリコン３ｂが落下することを防止できる。同時に、この落下防止板９ｂにより、増量板９に載置できるシリコン原料をさらに増加することが可能となる。なお、落下防止板９ｂは、傾斜面９ａがなだらかに立ち上がるように増量板９本体と一体とされる構造等、ルツボ４以外に固体シリコン３ｂが落下することを防止するものであれば他の構造も可能である。
【００２５】
また、ルツボ４を挟んでその両側に一対の増量板９，９が設けられていることにより、ルツボ４の片側のみにしか増量板９が設けられていない場合に比べて、図１に示すように、一対の落下防止板９ｂ，９ｂによって規定される高さまで固体シリコン３ｃを載置することが可能となり、より多くの固体シリコン３ｃをルツボ４に供給することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の結晶シリコン製造装置によれば、以下の効果を奏する。
（１）前記鋳型の上側に、加熱前にシリコン原料が載置されるとともに加熱に伴って載置されたシリコン原料が鋳型内に落下するよう鋳型内に向かう傾斜面を有する増量板が設けられることにより、鋳型内部のみならず、加熱前の前記鋳型だけでは収容できない量のシリコン原料増量板に載置して、これを加熱して溶湯として前記鋳型に収容することができるため、生成する溶湯を増量することが可能となる。この結果、鋳型を大型化することなく多結晶シリコンインゴットを大型化することができる。
（２）前記増量板の傾斜面において、鋳型から離間する方向の端部側にはこの傾斜面よりも上側に突出する落下防止板が設けられることにより、前記鋳型以外に載置されたシリコン原料が落下することを防止できる。同時に、この落下防止板により、増量板に載置できるシリコン原料をさらに増加することが可能となる。
（３）前記増量板が前記鋳型を挟んで対向するよう一対設けられてなることにより、鋳型の片側のみに増量板が設けられた場合よりも多量のシリコン原料を供給することが可能となる。これによりさらに鋳型に収容する溶湯を増量することが可能となり、鋳型を大型化することなく多結晶シリコンインゴットをより一層大型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る結晶シリコン製造装置の一実施形態を示す正断面図である。
【図２】図１の結晶シリコン製造装置の増量板付近を示す拡大断面図である。
【図３】従来の結晶シリコン製造装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１…結晶シリコン製造装置
２…チャンバ
３…シリコン融液（溶湯）
３ａ，３ｂ…固体シリコン（シリコン原料）
４…ルツボ（鋳型）
５…収容体
５ａ…側壁部
６…包囲炉
８…チルプレート
９…増量板
９ａ…傾斜面
９ｂ…落下防止板

Claims

チャンバ内に、シリコン原料を溶融した溶湯を収容する鋳型と、この鋳型が載置されるチルプレートと、このチルプレートの下方位置に設けられた吸熱板と、前記鋳型の上方位置および下方位置に配置され、シリコン原料を加熱して前記溶湯を生成する上加熱部および下加熱部と、前記溶湯を増量するために前記鋳型の上側に設けられて加熱前にシリコン原料が載置されるとともに加熱に伴って載置されたシリコン原料が鋳型内に落下するよう鋳型内に向かう傾斜面を有する増量板と、を備え、この増量板は、前記鋳型の側壁部の周囲に配設された断熱材の上に設けられており、
前記上加熱部および前記下加熱部を作動させて前記溶湯を生成した後に、上加熱部を作動させたまま下加熱部の作動を停止して前記吸熱板によって吸熱し、前記鋳型内の前記溶湯の凝固を開始させ、その後上加熱部の作動を停止することにより、前記鋳型内の前記溶湯を下部から上部にかけて徐々に凝固させることを特徴とする結晶シリコン製造装置。
前記増量板には、前記鋳型以外にシリコン原料が落下することを防止する落下防止板が設けられることを特徴とする請求項１記載の結晶シリコン製造装置。
前記増量板が前記鋳型を挟んで対向するよう一対設けられてなることを特徴とする請求項１または２記載の結晶シリコン製造装置。