JP4273664B2 - 結晶シリコン製造装置 - Google Patents
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Description
【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、例えば図3に示すように、ほぼ直方体状に形成された鋳型51内に収容されたシリコン原料Sを、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上にカーボンからなる断熱材56が周設されている。また、この断熱材56は、鋳型51から溶湯54が漏れた場合に、漏れた溶湯54を吸収して他の部分に影響を及ぼさないために設けられている。
【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、シリコン原料を加熱溶解する際に、ヒータ52,53からの輻射熱により、鋳型51内のシリコン原料Sの温度を上昇していたが、シリコン原料Sを完全に溶解するまでに長時間かかるため、この加熱時間を短縮したいという要求が存在していた。
また、鋳型51から溶湯54が漏れた際、漏れだした溶湯54の量が多い場合には、断熱材56によって完全に吸収することができない可能性があり、この場合、上記の装置50下部に溶湯54が流れ出してしまい、シリコン製造装置50の下側部分が影響を受けてしまうという問題があった。
【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▼ 加熱時間の短縮を図ること。
▲2▼ 漏れだした溶湯による影響の低減を図ること。
【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、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、前記鋳型の上方位置に配置され、シリコン原料を加熱して前記溶湯を生成する上加熱部と、を備え、前記チルプレートは、導電性を有し通電されることにより加熱時に発熱するとともに冷却時には冷却をおこなう構成とされており、前記チャンバの外部に、前記チルプレートに通電するための電源を備えていることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記チルプレート上には、前記鋳型を内部に収容する収容体が設けられることが望ましい。
また、本発明において、前記収容体がカーボンからなる手段、または、前記チルとプレートがカーボンから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、冷却時には鋳型の冷却をおこなうチルプレートが導電性を有するとともに、チルプレートに通電することにより、加熱時にこのチルプレートが発熱し、この熱により、チルプレート上に載置された鋳型を加熱する。このため、鋳型内のシリコン原料を溶解するのにヒータからの輻射熱のみにより加熱する従来の技術とは異なり、発熱しているチルプレートから、このチルプレートに接触している鋳型に対して直接熱を伝導させることが可能となる。この結果、鋳型内のシリコン原料を溶解するのに必要な加熱時間を短縮することができる。
この際、従来の技術のように、輻射により鋳型を加熱するヒータを併用することも可能である。
【0009】
本発明において、前記チルプレート上に前記鋳型を内部に収容し少なくとも該鋳型の側壁部の周囲を囲むように前記溶湯の液面よりも高い位置まである側壁部を有する収容体が設けられることにより、溶湯が鋳型から漏れだした場合でも、漏れた溶湯を鋳型の側壁部と収容体の側壁部との間に溜めることができる。これにより溶湯が収容体から外部に漏れ出すことを防止して、鋳型よりも下方に位置する結晶シリコン製造装置各部に溶湯が影響を及ぼすことを防止できる。
ここで、前記収容体は底部と側壁部とを有する桶状とすることができ、また、前記チルプレートと一体とすることも可能である。
【0010】
また、本発明において、前記チルプレートがカーボンからなる手段を採用することにより、通電した場合に鋳型を加熱するために必要な発熱が可能な導電性と抵抗値とを得ることが可能となるとともに、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができる。また、前記収容体がカーボンからなる手段を採用することにより、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができるとともに、溶湯をその内部に溜めることが可能となる。
【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のチルプレート付近を示す拡大図であり、図1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の上方位置に配置され、固体シリコン(シリコン原料)3aを加熱してシリコン融液(溶湯)3を生成する上加熱部7a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。
チルプレート8は、カーボンからなり、電源9に接続されており、通電されることにより発熱する。これら上加熱部7aおよびチルプレート8、電源9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】
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、上加熱部7aの配線類を通すポート等が設けられる。
【0019】
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、ルツボ4内に原料のチップ状の固体シリコン3aを収容する。
次いで、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、その状態で電源9を作動してチルプレート8に通電して、このチルプレート8を発熱させ、この熱を図2に矢印で示すように、接触している収容体5を介してルツボ4に直接伝導させて、固体シリコン3aを溶融する。このとき、同時に上加熱部7aを作動させて包囲炉6内を昇温させる。
溶融温度に達した時点でルツボ4内の固体シリコン3a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。
【0020】
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チルプレート8への通電を停止し、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。
【0021】
本実施形態では、ヒータによる輻射熱のみではなく、通電することにより発熱体となっているチルプレート8から収容体5を介して直接ルツボ4を加熱することにより、固体シリコン3aの加熱効率が高まり、加熱時間を確実に短縮化させることができる。これにより、結晶シリコンの製造コストを削減することができるとともに、結晶シリコン製造装置のランニングコストを削減することが可能となる。
【0022】
このとき、チルプレート8がカーボンからなることにより、通電した場合にルツボ4を加熱するために必要な発熱が可能な導電性と抵抗値とを得ることが可能となるとともに、発熱したチルプレート8からの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができる。
【0023】
また、ルツボ4が収容体5内部に収容されており、この収容体5が、少なくともルツボ4の側壁部の周囲を囲むようにシリコン融液3の液面よりも高い位置まである側壁部5aを有することにより、たとえ、ルツボ4からシリコン融液3が漏れだしたとしても、収容体5の外側にシリコン融液が漏れることが防止できるため、包囲炉6の下部構造に影響を及ぼすことが防止できる。また、前記収容体5がカーボンからなることにより、発熱したチルプレート8からの熱をルツボ4に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができるとともに、1480℃程度のシリコン融液3をその内部に溜めることが可能となる。
【0024】
【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) 鋳型が載置されるとともに導電性を有するチルプレートに通電することによって発熱させたチルプレートから、このチルプレートに接触している鋳型に対して直接熱を伝導させることが可能となり、この結果、鋳型内のシリコン原料を融解するのに必要な加熱時間を短縮し、結晶シリコン製造装置のランニングコストを削減することができる。
(2) 前記チルプレート上に前記鋳型を内部に収容し少なくとも該鋳型の側壁部の周囲を囲むように前記溶湯の液面よりも高い位置まである側壁部を有する収容体が設けられることにより、溶湯が鋳型から漏れだした場合でも、漏れた溶湯を鋳型の側壁部と収容体の側壁部との間に溜めることができる。これにより溶湯が収容体から外部に漏れ出すことを防止して、鋳型よりも下方に位置する結晶シリコン製造装置各部に溶湯が影響を及ぼすことを防止できる。
(3) 前記チルプレートがカーボンからなる手段を採用することにより、通電した場合に鋳型を加熱するために必要な発熱が可能な導電性と抵抗値とを得ることが可能となるとともに、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができる。
(4) 前記収容体がカーボンからなる手段を採用することにより、発熱したチルプレートからの熱を鋳型に対して良好に伝導するために充分な熱伝導性を得ることができるとともに、溶湯をその内部に溜めることが可能となる。
【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チルプレート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…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…電源
Claims (4)
- チャンバ内に、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、前記鋳型の上方位置に配置され、シリコン原料を加熱して前記溶湯を生成する上加熱部と、を備え、
前記チルプレートは、導電性を有し通電されることにより加熱時に発熱するとともに冷却時には冷却をおこなう構成とされており、前記チャンバの外部に、前記チルプレートに通電するための電源を備えていることを特徴とする結晶シリコン製造装置。 - 前記チルプレート上には、前記鋳型を内部に収容する収容体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。
- 前記チルプレートがカーボンから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。
- 前記収容体がカーボンからなることを特徴とする請求項2または3記載の結晶シリコン製造装置。
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