TW201435160A - 多晶矽矽錠的製造裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種多晶矽矽錠製造裝置，包括：坩堝，可收納矽原料；加熱器，配置於該坩堝的周圍；導熱體，配置於該坩堝的下方；以及冷卻單元，對該導熱體進行冷卻；所述多晶矽矽錠製造裝置的特徵在於：上述導熱體形成下方開口的有底的筒狀體，上述導熱體的底部外表面與上述坩堝的底部外表面相對向而配置，藉由上述冷卻單元來使上述導熱體的開口端部附近被冷卻。

Description

多晶矽矽錠的製造裝置及其製造方法
本發明是有關於一種用以製造多晶矽矽錠的製造裝置及用以製造多晶矽矽錠的方法。
多晶矽(multi-crystalline silicon)主要被用作太陽電池用的基板材料。用於太陽電池等的多晶矽通常是自多晶矽的矽錠切斷成任意的大小及形狀來製造。多晶矽的矽錠通常藉由如下方式來製造：將矽原料收納於坩堝內，對該坩堝進行加熱而獲得熔融矽，其後對坩堝自其底部進行冷卻而使矽凝固(參照專利文獻1及專利文獻2)。近年來，為了獲得大口徑的多晶矽晶圓，要求製造更大的多晶矽矽錠。為了製造大的多晶矽矽錠，需要控制自坩堝底部的散熱量而適當地控制矽的凝固速度。但是，矽的凝固速度的控制需要微妙且精密地控制散熱量，因此極為困難(專利文獻3)。例如在經熔融的矽的凝固過程中，藉由先前的散熱法，存在自坩堝底部的散熱量大的傾向，因此必須將熔融矽的溫度(熔 融液溫度)保持在充分高於矽的凝固溫度(1410℃)的溫度(例如1440~1460℃)，以防凝固迅速地自凝固初期行進至凝固中期。在該條件下獲得的矽結晶的晶格缺陷多，當加工成太陽電池用的基板時，存在能量轉換效率下降等品質上的問題。而且，為了適當地控制矽的凝固速度，迄今為止已知有對坩堝在裝置內的位置進行控制而控制散熱量的方法(專利文獻3)、控制坩堝內的溫度分布的方法等。但是，在所述方法中，難以完全地控制自坩堝的散熱量。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開昭60-103017號公報
[專利文獻2]日本專利特開昭63-166711號公報
[專利文獻3]日本專利特開2002-308616號公報
本發明的目的在於提供一種用以製造多晶矽矽錠的製造裝置，其能夠適當地控制自坩堝的散熱量。
而且，本發明的目的在於提供一種用以適當地控制自坩堝的散熱量而製造良好的多晶矽矽錠的方法。
特別的是，本發明的目的在於藉由採用上述製造裝置及製造方法，可製造各種尺寸的多晶矽矽錠，且獲得具有優異的結晶品質的多晶矽矽錠，其在該多晶矽矽錠的所有高度方向上結晶缺陷 極少。
本發明是基於如下見解而完成：當製造多晶矽矽錠時，使用配置於坩堝下方的用以對坩堝進行冷卻的導熱體，將該導熱體設為特定的形狀，並且採取適當的導熱體冷卻方法，藉此可適當地控制坩堝的散熱量。
具體而言，本發明可包括以下內容。
一種多晶矽矽錠製造裝置，包括：坩堝，可收納矽原料；加熱器，配置於該坩堝的周圍；導熱體，配置於該坩堝的下方；以及冷卻單元，對該導熱體進行冷卻；所述多晶矽矽錠製造裝置的特徵在於：上述導熱體形成下方開口的有底的筒狀體，將上述導熱體的底部外表面與上述坩堝的底部外表面相對向而配置，一面使上述導熱體的開口端部附近的開口部面積跨整個凝固期間範圍而任意變化，一面藉由上述冷卻單元而冷卻。
其中上述導熱體根據JIS R1611的閃光(flash)法在25℃下進行測定而具有30W/m．K~150W/m．K的導熱率。
其中上述導熱體為黑鉛製。
所述多晶矽矽錠製造裝置更包括感應加熱線圈，所述感應加熱線圈是對上述導熱體進行加熱。
所述的多晶矽矽錠製造裝置更包括隔熱材料，所述隔熱材料覆蓋上述坩堝、上述加熱器及上述導熱體中的至少一部分。
所述的多晶矽矽錠製造裝置更包括：蓋子，覆蓋上述坩堝的 開口端部；以及噴嘴，用以對該坩堝內部噴入惰性氣體。
一種多晶矽矽錠製造方法，包括如下步驟：(1)將矽原料收納於可進行溫度調節的坩堝內；(2)將上述坩堝內的矽原料加熱至矽的熔點以上的溫度而使上述矽原料熔融；以及(3)經由配置於該坩堝的下方的導熱體，對上述坩堝內的熔融矽進行冷卻，而獲得多晶矽矽錠；所述多晶矽矽錠製造方法的特徵在於：上述導熱體形成下方開口的有底的筒狀體，將上述導熱體的底部外表面與上述坩堝的底部外表面相對向而配置，藉由上述冷卻單元來對上述導熱體的開口端部附近進行冷卻。
其中在如下條件下進行上述冷卻，即，將上述導熱體的底部外表面的溫度(Tg)(℃)設為以下的線性近似方程式：Tg=a-bt
(式中，a為1,250~1,400，b為10~35，t為自冷卻開始算起的經過時間(小時))。
其中藉由加熱器及上述導熱體來進行上述加熱，所述加熱器配置於上述坩堝的周圍，上述導熱體是藉由感應加熱線圈而加熱。
其中在惰性氣體環境下進行上述加熱步驟及冷卻步驟。
根據本發明，可提供一種用以製造多晶矽矽錠的製造裝 置，其能夠適當地控制自坩堝的散熱量。特別是可藉由配置於坩堝的下方的特殊形狀的導熱體，而自坩堝適當地進行散熱。而且，根據本發明，可提供一種用以適當地控制自坩堝的散熱量而製造具有良好品質的結晶的多晶矽矽錠的方法。特別是使冷卻條件著眼於與坩堝接近的導熱體的溫度而不依賴於如先前的坩堝的上部溫度或坩堝自身的冷卻條件，來控制坩堝的冷卻，藉此可使坩堝在適當的溫度下冷卻而不會過冷卻。特別是藉由跨矽的整個凝固時間範圍，將熔融矽的過熱度(熔融矽的熔融液溫度-矽的凝固溫度)保持在40℃以下，較佳為保持在10℃以下，更佳為保持在2℃~5℃，可獲得結晶缺陷極少的高品質的多晶矽。
1‧‧‧底部外表面
2‧‧‧底部內表面
3‧‧‧壁部
4‧‧‧底部外尺寸
5‧‧‧底部內尺寸
6‧‧‧底部的厚度
7‧‧‧壁部的高度
8‧‧‧壁部的厚度
9‧‧‧開口端部
101‧‧‧多晶矽製造裝置
102‧‧‧矽原料
103‧‧‧坩堝
104‧‧‧加熱器
105‧‧‧上部室
106‧‧‧導熱體
107‧‧‧冷卻單元
108‧‧‧下部室
109‧‧‧蓋子
110‧‧‧支持板
111‧‧‧噴嘴
112‧‧‧上部隔熱材料
113‧‧‧感應加熱線圈
114‧‧‧下部隔熱材料
115‧‧‧汽缸
116‧‧‧空隙
117‧‧‧溫度感測器
Ts‧‧‧熔融矽的溫度
Tx‧‧‧坩堝底部內側的溫度
Tg‧‧‧導熱體的底部外表面的溫度
圖1(a)至圖1(c)是本發明的導熱體的概略圖。
圖2(a)至圖2(f)是本發明的導熱體的縱剖面圖。
圖3(a)是對坩堝進行加熱的步驟中的本發明的多晶矽矽錠製造裝置的剖面圖。
圖3(b)是對坩堝進行冷卻的步驟中的本發明的多晶矽矽錠製造裝置的剖面圖。
圖4是實施例1中的熔融矽的溫度Ts(℃)、坩堝底部內側的溫度Tx(℃)、導熱體的底部外表面的溫度Tg(℃)自凝固開始至凝固結束為止的時間變化。
圖5是實施例2中的熔融矽的溫度Ts(℃)、坩堝底部內側的 溫度Tx(℃)、導熱體的底部外表面的溫度Tg(℃)自凝固開始至凝固結束為止的時間變化。
圖6是比較例1中的熔融矽的溫度Ts(℃)、水冷式銅製冷卻冷凍機(chiller)的底部外表面(與坩堝底部相接的黑鉛製支持板)的溫度Tg(℃)自凝固開始至凝固結束為止的時間變化。
圖7是實施例1、實施例2及比較例1中，凝固速度(mm/分)自凝固開始至凝固結束為止的時間變化。
[A]多晶矽製造裝置
以下，對本發明的多晶矽矽錠製造裝置進行詳細說明。
(1)本發明的多晶矽矽錠製造裝置包括：坩堝，可收納矽原料；加熱器，配置於該坩堝的周圍；導熱體，配置於該坩堝的下方；以及冷卻單元，對該導熱體進行冷卻。而且，本發明的多晶矽矽錠製造裝置任意地包括感應加熱線圈、隔熱材料、蓋子、用以噴入惰性氣體的噴嘴等。以下，對各個構件進行說明。
．坩堝
坩堝是用以收納矽原料，對矽原料進行加熱而獲得熔融矽，進而進行冷卻而製造多晶矽矽錠。坩堝的形狀較佳為上端開口的有底的筒狀體，更佳為底部平坦。該底部可為圓形或三角形以外的多邊形，但較佳為圓形或四邊形。坩堝的大小亦取決於所製作的多晶矽的大小，例如，當坩堝為有底且底部為正方形的筒形時， 底部的外尺寸例如適當的是300mm~1500mm見方，較佳為500mm~1200mm見方，更佳為670mm~1000mm見方，底部的厚度例如適當的是1mm~50mm，較佳為5mm~30mm，更佳為10mm~25mm。坩堝的高度例如適當的是100mm~1000mm，較佳為200mm~800mm，更佳為300mm~700mm。例如，當坩堝為有底的圓筒形時，底部例如適當的是半徑150mm~750mm的圓形，較佳為半徑250mm~600mm的圓形，更佳為半徑335mm~500mm的圓形，底部的厚度例如適當的是1mm~100mm，較佳為5mm~70mm，更佳為10mm~50mm。坩堝的高度例如適當的是100mm~1000mm，較佳為200mm~800mm，更佳為300mm~500mm。而且，坩堝的壁部的厚度例如適當的是1mm~50mm，較佳為5mm~30mm，更佳為10mm~25mm。坩堝的導熱率在根據JIS R1611的閃光(flash)法在25℃下進行測定時，例如適當的是1.2W/m．K~11.6W/m．K，較佳為1.7W/m．K~5.8W/m．K，更佳為2.3W/m．K~4.7W/m．K。
在坩堝的上部，可設置蓋子。
作為坩堝及蓋子，並無特別限定，可使用通常的多晶矽矽錠製造裝置中所使用的公知的坩堝及蓋子。例如坩堝較佳為不透明石英，作為蓋子，則較佳為黑鉛。坩堝的壁面較佳為利用氮化矽加以塗佈，所述氮化矽例如包含1質量%~10質量%的二氧化矽(silica)，較佳為包含3質量%~7質量%的二氧化矽，更佳為包 含4質量%~6質量%的二氧化矽。
．噴嘴
亦可設置噴嘴，自該噴嘴將惰性氣體噴入至坩堝內，所述噴嘴是用以在多晶矽矽錠的製造過程中，特別是對矽原料進行加熱及冷卻時，對坩堝內部噴入惰性氣體。作為惰性氣體，較佳為稀有氣體(rare gas)，例如較佳為氦氣、氬氣等。除了惰性氣體以外，亦可添加如一氧化碳氣體之類的可降低或控制氧氣濃度的氣體。當在氬氣中添加一氧化碳氣體時，一氧化碳氣體的濃度例如適當的是600ppmm~1400ppmm，較佳為800ppmm~1200ppm，更佳為1000ppmm~1100ppm。
．矽原料
作為收納於坩堝內的矽原料，適當的是多晶矽，所述多晶矽例如具有6-N以上的純度，較佳為具有7-N以上的純度，更佳為具有9-N以上(即99.9999999%的純度)的純度。
．加熱器
加熱器配置於上述坩堝的周圍，即，配置於上述坩堝的上方及/或至少一方向的側方，較佳為配置於上述坩堝的上方。作為加熱器，只要為可進行溫度調節的加熱器，則可使用公知的加熱器，例如，將各向同性黑鉛等的黑鉛或碳纖維(碳陶瓷基質(Carbon Ceramic Matrix，CCM)合成物等用於發熱體的電阻加熱式加熱器或感應加熱式加熱器等。
．導熱體
導熱體配置於坩堝的下方。在1個導熱體上，亦可配置1個或多個坩堝。而且，導熱體與坩堝既可密接亦可相離，此外，亦可在導熱體與坩堝之間包含支持板，所述支持板用以支持坩堝。導熱體是將該導熱體的底部外表面與上述坩堝的底部外表面相對向而配置。藉由如上所述進行配置，使得坩堝通過導熱體而有效率地冷卻，有時通過導熱體而有效率地加熱。圖1表示導熱體的外形的示例。圖1(a)是底部為矩形或正方形的筒狀體。圖1(b)是具有如下形狀的筒狀體，即，底部為矩形或正方形，且底部自側壁的壁部向外方突出固定的長度。圖1(c)是底部為圓形的筒狀體。圖1(b)的筒狀體的底部自側壁突出的長度例如為70mm~220mm，較佳為60mm~120mm，更佳為50mm~100mm，亦可為突出側壁的壁部的外尺寸的1%~30%，較佳為突出側壁的壁部的外尺寸的5%~20%。作為導熱體的形狀，較佳為一端開口且有底的底部為正方形的筒狀體。作為導熱體的縱剖面的形狀，較佳為凹型(參照圖1(a)或圖1(c))、π型(或Π型，參照圖1(b))，特佳為凹型。圖2(a)表示凹型的導熱體的縱剖面圖。導熱體形成有底的筒狀體，在與配置坩堝之側為相反之側開口，即，在下方開口，並且形成為導熱體的內側被挖空的形狀。導熱體的內側的部分，即該挖空部分的縱剖面的形狀亦可為三角形(參照圖2(b)、圖2(c))、四邊形(參照圖2(d))等多邊形，半圓形 (參照圖2(e))等曲線形。
而且，如圖2(a)所示，開口端部(圖2(a)9)的縱剖面形狀可為壁部的厚度不變的矩形，亦可如圖2(f)，較壁部的厚度細一個台階部或兩個台階部。例如，當壁部的高度(圖2(a)7)為500mm~1000mm且壁部的厚度為60mm~180mm時，適當的是開口端部(圖2(f)9)的高度為50mm~200mm(壁部的高度的5%~20%)，開口端部的厚度為30mm~100mm(壁部的厚度的30~60%)左右。
導熱體若為如下固體，即，導熱率在室溫(25℃)下測定時(參照JIS R1611閃光法)為30W/m．K~150W/m．K，較佳為40W/m．K~120W/m．K，更佳為50W/m．K~100W/m．K，則可使用任意材料，但較佳為黑鉛製。作為可用作導熱體的特佳的黑鉛，可列舉東海碳素(Tokai Carbon)股份有限公司製的各向同性黑鉛G535、G330、G320、G347等。上述支持板亦較佳為具有與導熱體相同的導熱率的固體，更佳為與導熱體相同的黑鉛製。
為了維持凝固的控制精度，關於導熱體的尺寸，重要的是導熱體的熱容量為凝固開始時的坩堝的熱容量及原料矽的熱容量及原料矽的凝固潛熱的總和以下，例如為該總和的90%以下，較佳為該總和的1%~80%，更佳為該總和的10%~60%。例如，當導熱體為有底且底部(即，筒狀體的內側的底部(圖2(a)2))為正方形的筒形時，該底部的外尺寸(圖2(a)4)例如適當的是等 於坩堝的外尺寸(當配置多個坩堝時為各坩堝的外尺寸的總和)±400mm的尺寸，較佳為等於坩堝的底部的外尺寸±200mm的尺寸，更佳為等於坩堝的外尺寸±50mm的尺寸。具體而言，導熱體的底部的外尺寸例如適當的是100mm~4000mm見方，較佳為200mm~2000mm見方，更佳為300mm~1500mm見方。而且，底部的厚度(圖2(a)6)例如為5mm~200mm，較佳為20mm~100mm，更佳為30mm~60mm。而且，筒狀壁部的高度(圖2(a)7)例如適當的是250mm~2000mm，較佳為400mm~1500mm，更佳為500mm~1000mm。筒狀壁部的厚度(圖2(a)8)例如為20mm~300mm，較佳為40mm~250mm，更佳為60mm~180mm。
例如，當導熱體為有底的圓筒形時，底部的半徑例如適當的是坩堝的半徑±200mm，較佳為坩堝的半徑±100mm，更佳為坩堝的半徑±50mm。具體而言，該底部的半徑例如適當的是100mm~1000mm，較佳為半徑150mm~800mm，更佳為半徑200mm~500mm。而且，底部的厚度例如為5mm~200mm，較佳為20mm~100mm，更佳為30mm~60mm。筒狀壁部的厚度例如為20mm~100mm，較佳為30mm~70mm，更佳為40mm~50mm，而且，筒狀壁部的高度例如為250mm~700mm，較佳為350mm~550mm，更佳為400mm~500mm。支持板的厚度例如適當的是5mm~100mm，較佳為10mm~60mm，更佳為20mm~50mm。
．冷卻單元
上述導熱體是藉由冷卻單元來對該導熱體的開口端部(圖2(a)9)的附近進行冷卻。如上所述僅對開口端部附近進行冷卻，藉此在靠近該開口端部的導熱體的底部，熱直接在導熱體內部傳遞，從而使該底部冷卻(導熱)。而且，在遠離該開口端部的導熱體的底部，熱在導熱體的開口部藉由輻射而傳遞至開口端部附近，從而使該底部冷卻(熱放射)。如上所述，本發明的導熱體藉由具有開口部、以及利用冷卻單元對導熱體的開口端部附近進行冷卻，可均勻地冷卻導熱體的底部。
作為冷卻單元，可列舉藉由冷媒而冷卻的感應加熱線圈等的冷卻部分，所述冷媒是用以對內側已經冷卻的下部室之壁及線圈部分進行冷卻。藉由將所述冷卻部分面向導熱體開口端部而配置於外側，可不與導熱體的開口端部接觸，而利用自導熱體的開口端部表面傳向該冷卻部分的輻射傳熱來進行冷卻。對於冷卻部分的冷卻而言，可利用水冷方式等液體媒體方式、惰性氣體或空冷方式等氣體媒體方式。輻射傳熱量(Q)和導熱體開口端部的表面溫度(T1)的四次方與冷卻部分的表面溫度(T2)的四次方之差成比例(Q=A×B×k×(T14-T24)，式中，A為導熱體開口端部的表面積，B為形態係數，k為波茲曼係數(Boltzmann factor))，因此可一面利用溫度感測器對上述冷卻部分的表面溫度進行測定，並且對導熱體開口端部的經開口的表面積(A)進行任意調整，一面 控制散熱量。
藉由冷卻單元而冷卻的導熱體的開口端部附近部分並無特別限定，但當將導熱體筒狀壁的高度設為100%時，是指自開口端部算起1%~70%的高度的區域，較佳為自開口端部算起1%~50%的高度的區域，更佳為自開口端部算起1%~40%的高度的區域。開口端部附近亦可包含開口端部自身。具體而言，與設置於導熱體的開口端部周邊的冷卻單元的空隙，例如適當的是大於0mm且400mm以下，較佳為1mm~300mm，更佳為10mm~200mm。
．隔熱材料
當藉由加熱器對坩堝中的矽原料進行加熱時，自熱效率方面來看，較佳為本發明的多晶矽製造裝置整體，特別是坩堝及導熱體整體已與外部進行隔熱。因此，加熱過程中，較佳為已對導熱體及冷卻單元進行隔熱。作為進行隔熱的方法，例如可列舉使導熱體用的載置台與覆蓋坩堝及導熱體的隔熱材料密接。另一方面，在冷卻過程中，例如，藉由該隔熱材料的升降用汽缸(cylinder)而使該導熱體開口端部附近的下部隔熱材料下降，在導熱體的開口端部附近形成空隙。通過該空隙，不與下部室之壁或感應加熱線圈等導熱體相接觸，而藉由對配置於外周部的冷卻部分的輻射傳熱來進行冷卻。輻射傳熱量可藉由根據導熱體開口端部表面的溫度及冷卻部分表面溫度，改變導熱體開口端部的開口部的面積，來進行任意控制。此處，隔熱材料可覆蓋上述坩堝、加熱器 背面及導熱體的至少一部分。作為隔熱材料，較佳為如下的隔熱材料，即，具有至少2000℃以上的耐熱性，較佳為具有2500℃以上的耐熱性。作為隔熱材料，理想的是碳纖維成形隔熱材料等。作為較佳的隔熱材料的示例，例如可列舉大阪氣體化學(Osaka Gas Chemicals)股份有限公司製的DONACARBO(DON-1000、DON-2000、DON-3000、DON-4000)。
．感應加熱線圈
導熱體是藉由感應加熱線圈而加熱，亦可用作可自坩堝的下部進行加熱的加熱器。感應加熱線圈可與導熱體相離而配置，因此即使在導熱體由隔熱材料所覆蓋時，亦可自該隔熱材料的外側對導熱體進行加熱。而且，感應加熱線圈不僅可對導熱體的表面進行加熱，亦可對導熱體的內部進行加熱，因此具有可對導熱體的底部進行均勻加熱的優點。感應加熱線圈較佳為設置溫度感測器，從而可進行溫度調節。感應線圈例如控制在1Hz~500Hz的頻率，較佳為控制在10Hz~300Hz的頻率，更佳為控制在30Hz~100Hz的頻率。
[B]多晶矽矽錠製造方法
本發明的多晶矽製造方法是使用上述多晶矽矽錠製造裝置來進行，且包括以下步驟：(1)將矽原料收納於可進行溫度調節的坩堝內；(2)將上述坩堝內的矽原料加熱至矽的熔點以上的溫度而使 上述矽原料熔融；以及(3)經由配置於該坩堝的下方的導熱體，對上述坩堝內的熔融矽進行冷卻，而獲得多晶矽。
(1)收納矽原料的步驟
首先，將矽原料收納於坩堝內。矽原料及坩堝的具體情況如上所述。
(2)對坩堝進行加熱的步驟
其次，將上述坩堝內的矽原料加熱至矽的熔點以上的溫度而使上述矽原料熔融。加熱是藉由加熱器來進行，所述加熱器配置於坩堝的周圍，較佳為配置於坩堝的上方。加熱器的具體情況如上所述。
由於矽的熔點為約1410℃，因此以如下方式來進行加熱，即，坩堝內的經熔融的矽原料的溫度達到充分高於該熔點的溫度，例如達到1450℃以上的溫度，較佳為達到1450℃~1600℃的溫度，更佳為達到1500℃~1550℃左右的溫度。
而且，亦可藉由上述加熱器與導熱體的組合來進行加熱，所述導熱體是藉由感應加熱線圈而加熱。藉由利用加熱器及導熱體進行加熱，可自坩堝的上下進行加熱，因此有效率。感應加熱線圈的具體情況如上所述。
(3)對坩堝進行冷卻的步驟
經由配置於該坩堝的下方的導熱體，對上述坩堝內的熔融矽 進行冷卻。為了製造均質的多晶矽，特佳為一面使導熱體的底部外表面(與坩堝的底部外表面接近之側)的溫度保持均勻，一面進行冷卻。而且，當將導熱體的底部外表面的溫度設為Tg(℃)時，較佳為在Tg滿足以下通式(線性近似方程式)的條件下使溫度下降：Tg=a-bt。
式中，a為1,250~1,400(℃)，較佳為1,290~1,380(℃)，更佳為1,300~1,360(℃)，b為10~35，較佳為15~33，更佳為17~30，t為自冷卻開始算起的經過時間(小時)。換言之，較佳為使Tg以如下速度以大致一次函數方式下降，所述速度為10℃/小時~35℃/小時，較佳為15℃/小時~33℃/小時，更佳為17℃/小時~30℃/小時的速度。
而且，熔融矽與坩堝底部相接的部分的溫度Tx適當的是與Tg相比高40℃~200℃，較佳為高50℃~150℃，更佳為高60℃~120℃。此處，熔融矽的凝固速度例如適當的是0.1mm/分~1.5mm/分，較佳為0.2mm/分~1.0mm/分，更佳為0.3mm/分~0.5mm/分。熔融矽的過熱度(熔融矽的溫度-矽的凝固溫度)適當的是跨整個凝固時間範圍，例如保持在40℃以下，較佳為保持在10℃以下，更佳為保持在2℃~5℃。
[C]藉由圖式來說明多晶矽製造裝置
以下，一面參照圖式，一面說明本發明的多晶矽製造裝置。
圖3(a)是對坩堝進行加熱的步驟中的本發明的多晶矽製造裝置的剖面圖。圖3(b)是對坩堝進行冷卻的步驟中的本發明的多晶矽製造裝置的剖面圖。
如圖3(a)及圖3(b)所示，本發明的多晶矽製造裝置(101)包括上部室(105)及下部室(108)，所述上部室(105)包括可收納矽原料(102)的坩堝(103)、以及配置於該坩堝(103)的上方的加熱器(104)，所述下部室(108)包括配置於該坩堝(103)的下方的導熱體(106)、以及對該導熱體(106)進行冷卻的冷卻單元(107)及冷卻部分(108、113)。用作冷卻部分的下部室(108)的壁內部及感應加熱線圈(113)的內部是利用水冷方式等液體媒體方式、惰性氣體或空冷方式等氣體媒體方式進行冷卻。在坩堝(103)的上部，亦可設置有蓋子(109)，在坩堝的下部，亦可設置有用以支持坩堝(103)的支持板(110)。在坩堝(103)中亦可設置噴嘴(111)，自該噴嘴(111)噴入惰性氣體等。坩堝(103)、加熱器(104)及上述導熱體(106)是由隔熱材料(112)及隔熱材料(114)所覆蓋。圖3(a)中，構成冷卻單元(107)的下部隔熱材料(114)與上部隔熱材料(112)相接，因此同樣地作為冷卻單元(107)的一部分的空隙(116)(參照圖3(b))被封閉。導熱體(106)藉由感應加熱線圈(113)而加熱，所述感應加熱線圈(113)配置於隔熱材料(112)的外側。因此，冷卻單元(107) 在圖3(a)中不發揮作用。另一方面，如圖3(b)所示，在對坩堝(103)進行冷卻的步驟中，藉由汽缸(115)而使下部隔熱材料(114)降落，從而設置空隙(116)。藉此，與空隙(116)相接的導熱體(106)的開口端部附近得到冷卻。再者，加熱器(104)、導熱體(106)的底部溫度、開口端部表面溫度、感應加熱線圈(113)的前面側溫度及下部室之壁的爐內側表面可分別藉由溫度感測器(117)進行測定。
[D]多晶矽的評價
藉由上述方法而製造的多晶矽矽錠的特性可藉由測定作為太陽電池的能量轉換效率來進行評價。能量轉換效率通常是使用太陽燈(Solar Light)公司製的太陽模擬器(solar simulator)等，根據STC(標準試驗條件；Standard Test Cell conditions)來評價。再者，STC是將太陽輻射強度1.0kW/m2、氣團(airmass)AM=1.5的太陽模擬器作為光源，根據在太陽電池溫度25℃下所測定的太陽電池的最大輸出功率進行評價。作為試料，可使用自所獲得的多晶矽矽錠切出矽晶圓而製作的太陽電池。
以下，藉由實施例及比較例來對本申請案發明進行更詳細說明，但實施例為本發明的一例，並未限定本發明的範圍。
[實施例]
實施例1及實施例2
使用如圖3(a)及圖3(b)所示的多晶矽製造裝置製造多晶 矽。但是，在實施例及比較例中，未使用支持板(110)。
作為坩堝，是使用有底的筒形坩堝，具有1000mm見方的正方形的底部，高度為650mm。坩堝的導熱率為4.5W/m．K(測定溫度950℃)。坩堝的厚度為25mm。坩堝為不透明石英製，在坩堝內表面上施加有添加了5質量%的二氧化矽的氮化矽的塗層。作為導熱體，是使用縱剖面為凹型的東海碳素股份有限公司製的各向同性黑鉛製導熱體G535。導熱體是有底的筒形，具有1100mm見方的正方形的底部外尺寸，壁部的高度(圖2(a)7)為500mm(實施例1及實施例2)(參照圖1(a)、圖2(a))。導熱體的底部及壁部的厚度(圖2(a)6及8)為150mm(實施例1及2)。導熱體的導熱率為81W/m．K(在室溫下測定(參照JIS R1611閃光法))。設置於導熱體的開口端部周邊的冷卻單元的空隙是在大於0mm且200mm以下的範圍內進行調節。
作為收納於上述坩堝內的矽原料，是使用純度99.9999999%以上的多晶矽(瓦克(Wacker)公司製)。
作為加熱器，是使用東海碳素股份有限公司製的各向同性黑鉛G535，作為感應加熱線圈，是使用富士電機爐(Fuji Electric Furnace)公司製的低頻感應加熱裝置(輸出50kW)。而且，作為裝置內的隔熱材料，是使用大阪氣體化學股份有限公司製的DONACARBO(DON-1000)。
首先，藉由坩堝上方的加熱器及導熱體來對坩堝進行加熱， 以使熔融矽的溫度達到1550℃，所述導熱體是藉由感應加熱線圈(50Hz)而加熱。
當矽原料全部變為熔融矽之後，停止導熱體的加熱，使導熱體用的下部隔熱材料降落而在導熱體的開口端部附近設置空隙，開始導熱體的冷卻。導熱體的底部外表面的溫度Tg(℃)的溫度分佈(temperature profile)可用以下的線性近似方程式表示：Tg=a-bt。
其中，式中a及b如以下表1所示，t為自冷卻開始算起的經過時間(小時)。再者，實施例1及實施例2中，加入至坩堝中的矽的高度為300mm，凝固過程中的熔融矽表面的溫度Ts維持在與熔點1410℃相比高2℃的狀態(過熱度=2℃，Ts=1412℃)。關於凝固速度Vs，實施例1的目標為0.3mm/分，實施例2的目標為0.5mm/分。圖4、圖5及圖7分別表示將實施例1及實施例2的Ts(℃)、Tx(℃)、Tg(℃)及凝固速度的變化加以圖表化的圖。再者，在凝固最終階段，為了使熔融矽固化，使坩堝上方的加熱器輸出位準維持固定。
比較例1
取代本發明的導熱體，作為先前方法，正對著坩堝底部而配置水冷式銅製冷凍機(市售脫氧銅，1,000mm見方，箱式冷卻構造，冷卻板部厚度：12mm，冷卻水：淨水，水量50l/分)，並使 用收納於上述坩堝內時高度達到250mm的矽原料，使矽矽錠凝固，除此以外，與實施例1同樣地製造多晶矽矽錠。圖6及圖7表示此時的熔融矽表面溫度Ts(℃)、水冷式銅製冷卻冷凍機的底部外表面(與坩堝底部相接之側)的溫度Tg(℃)及凝固速度的變化。
評價
切下如上所述而製造的實施例及比較例的矽矽錠的下端20mm、上端10mm、側部20mm，自剩下的矽錠切出36條150mm□的塊料(block)。自36條塊料進而切出剖面尺寸150mm、厚度200μm的矽晶圓，製成太陽電池。該太陽電池的能量轉換效率是使用太陽燈公司製的太陽模擬器(16S-300-002)，在上述STC條件下進行測定。將與實施例1、實施例2及比較例中所獲得的矽矽錠相對應的所有晶圓的每一個的能量轉換效率的分布集中示於表2。
*實施例1、實施例2及比較例1的數值是所有晶圓中，顯示出符合條件的轉換效率的晶圓的塊數的比例(%)
如上述表2所示，在實施例1及實施例2中，具有可謂是比較高的17%以上的能量轉換效率的矽晶圓的塊數均獲得整體的70%以上，與此相對，在先前方法中，所述矽晶圓的塊數為整體的20%，收率為三分之一以下。
上述結果為，本發明的多晶矽矽錠製造裝置可將熔融矽溫度跨整個凝固範圍維持在稍高於熔點的溫度，且將凝固速度亦跨整個凝固範圍維持得較低且固定。由所獲得的多晶矽矽錠製造的多晶矽與比較例相比具有優越的能量轉換效率。
101‧‧‧多晶矽製造裝置
102‧‧‧矽原料
103‧‧‧坩堝
104‧‧‧加熱器
105‧‧‧上部室
106‧‧‧導熱體
108‧‧‧下部室
109‧‧‧蓋子
110‧‧‧支持板
111‧‧‧噴嘴
112‧‧‧上部隔熱材料
113‧‧‧感應加熱線圈
114‧‧‧下部隔熱材料
115‧‧‧汽缸
117‧‧‧溫度感測器

Claims (10)

  1. 一種多晶矽矽錠製造裝置，包括：坩堝，可收納矽原料；加熱器，配置於該坩堝的周圍；導熱體，配置於該坩堝的下方；以及冷卻單元，對該導熱體進行冷卻；所述多晶矽矽錠製造裝置的特徵在於：上述導熱體形成下方開口的有底的筒狀體，將上述導熱體的底部外表面與上述坩堝的底部外表面相對向而配置，藉由上述冷卻單元來使上述導熱體的開口端部附近被冷卻。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的多晶矽矽錠製造裝置，其中上述導熱體根據JIS R1611的閃光法在25℃下進行測定而具有30W/m．K~150W/m．K的導熱率。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的多晶矽矽錠製造裝置，其中上述導熱體為黑鉛製。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的多晶矽矽錠製造裝置，更包括感應加熱線圈，所述感應加熱線圈是對上述導熱體進行加熱。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的多晶矽矽錠製造裝置，更包括隔熱材料，所述隔熱材料覆蓋上述坩堝、上述加熱器及上述導熱體的至少一部分。
  6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的多晶矽矽 錠製造裝置，其中更包括：蓋子，覆蓋上述坩堝的開口端部；以及噴嘴，用以對該坩堝內部噴入惰性氣體。
  7. 一種多晶矽矽錠製造方法，包括如下步驟：(1)將矽原料收納於可進行溫度調節的坩堝內；(2)將上述坩堝內的矽原料加熱至矽的熔點以上的溫度而使上述矽原料熔融；以及(3)經由配置於該坩堝的下方的導熱體，對上述坩堝內的熔融矽進行冷卻，而獲得多晶矽矽錠；所述多晶矽矽錠製造方法的特徵在於：上述導熱體形成下方開口的有底的筒狀體，將上述導熱體的底部外表面與上述坩堝的底部外表面相對向而配置，藉由上述冷卻單元來對上述導熱體的開口端部附近進行冷卻。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的多晶矽矽錠製造方法，其中在如下條件下進行上述冷卻，即，將上述導熱體的底部外表面的溫度(Tg)(℃)設為以下的線性近似方程式：Tg=a-bt，其中a為1,250~1,400，b為10~35，t為自冷卻開始算起的經過時間(小時)。
  9. 如申請專利範圍第7項或第8項所述的多晶矽矽錠製造方 法，其中藉由加熱器及上述導熱體來進行上述加熱，所述加熱器配置於上述坩堝的周圍，上述導熱體是藉由感應加熱線圈而加熱。
  10. 如申請專利範圍第7項至第9項中任一項所述的多晶矽矽錠製造方法，其中在惰性氣體環境下進行上述加熱步驟及冷卻步驟。
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