TWI573764B - Containers for silicon ingots - Google Patents

Description

矽錠製造用容器

本發明係關於用來製造太陽電池等級的矽錠之矽錠製造用容器。

以往以來，作為使用於太陽電池等之矽錠的製造方法，將矽熔化液收容於石墨製或石英製的容器(甘堝、鑄模等)中，從下方使此矽熔化液凝固而讓矽多結晶成長之鑄造(cast)法為眾所皆知。

若依據此鑄造法，因在矽熔化液凝固時可使結晶成長的方向朝向一致，所以，能夠製造抑制了晶界之比抵抗增大的良質晶圓。又，若依據鑄造法，亦可進行矽錠的大量生產。

作為矽錠製造用的大型容器，石墨製或石英製的板材(底板與4片側板)被相互地螺絲固定而可分割地組裝之容器為眾所皆知(例如專利文獻1、2)。又，為了提升矽錠的取出性，在容器的內面形成有氮化矽(Si₃N₄)等的脫模材。特別是在專利文獻2，藉由先使從板材彼此的間隙所漏出之熔化液固化而形成初期凝固層，來防止矽熔化液漏出至容器外部。

[專利文獻1]日本特開昭62-108515號公報

[專利文獻2]日本特開2006-83024號公報

在使用上述可分割組裝型的容器來製造矽錠之情況，能夠藉由將容器予以解體，容易取出所產生的矽錠。另外，在矽錠製造時的高溫下，會有因容器變形、劣化，造成容器破損、板材彼此的間隙擴大，造成矽熔化液洩漏至外部之虞。又，當矽熔化液洩漏至容器外部時，會對配置於結晶成長裝置內部的容器周圍之昂貴的構件等造成損傷。

又，在適用專利文獻2所記載的技術之情況，雖可防止矽熔化液的漏出，但，形成在板材的隙間之初期凝固層會從脫模材密集之容器角落的間隙形成結晶成長，成為結晶細微化之原因。因此，無法生產良率佳地製造具有良好的品質之矽錠。

本發明係為了解決前述課題而開發完成的發明，其目的係在於提供能夠防止矽熔化液洩漏到外部，並且，能良品率佳地製造具有良好的品質之矽錠的矽錠製造用容器。

請求項1所記載的發明，一種矽錠製造用容器，係具備有底板與複數個側板所構成的可分割地組裝之箱狀的容器本體、及形成於此容器本體的內面之脫模材，當使矽熔化液凝固而讓矽多結晶成長時所使用之容器，其特徵為，前述容器本體係以氮化矽、碳化矽、或氧化鋁中的任一種所構成的多孔質體或組合兩種以上之多孔質體所構成，前述脫模材係以氮化矽所構成。

請求項2所記載的發明係如請求項1所記載的矽錠製造用容器，其中，前述多孔質體的開氣孔率為10%以上40%以下。

在此，開氣孔率係指與外部連通的空孔之容積對多孔質體的表觀上的容積的總和之比例。

請求項3所記載的發明係如請求項1或2所記載的矽錠製造用容器，其中，還具備有保持具，其具有用來固定前述側板之固定用溝，在前述固定用溝所圍繞的區域載置前述底板，而將前述側板立設於前述固定用溝之狀態下，對前述固定用溝的殘餘空間嵌入楔，來將前述底板與前述側板予以接合並固定。

請求項4所記載的發明係如請求項3所記載的矽錠製造用容器，其中，在前述固定用溝的前述殘餘空間，鋪裝有熔化液捕集材，其與所漏出的矽熔化液融著且具有Si體積膨脹應力的緩和功能。

若依據本發明，因具有良好的脫模性之脫模材強固地形成於容器本體的內面，所以，能有效地防止因伴隨矽凝固時的體積膨脹引起之應力造成脫模材損壞之情況產生。因此，能夠防止矽熔化液洩漏到外部，並且，能良品率佳地製造具有良好的品質之矽錠。又，可將容器反復地使用於矽錠的製造。

以下，依據圖面詳細地說明本發明的實施形態。

圖1係適用本發明之矽錠製造用容器的上面圖，圖2係圖1的A-A線之斷面圖。如圖1、2所示，實施形態之矽錠製造用容器(以下，容器)10之結構為具備：具有耐熱性之容器本體11；形成在容器本體11的內面，用來提升矽錠的脫模性之脫模材12；及用來保持容器本體11之保持具(承受器)13等。

容器本體11係藉由將矩形狀的底板11a與4片側板11b相互地接合，可分割地組裝之箱狀的構件。4片側板11b係以起立狀態設置成圍繞底板11a的外周。例如，圖1、2所示，4片側板11b具有相同形狀，以1方的側板11b的寬度方向一端側的側面和另一方的側板11b的寬度方向一端側的主面側緣部抵接的方式相互地接合，形成為容器本體11的側部之框體。

構成容器本體11之底板11a及側板11b係Si₃N₄或SiC或Al₂O₃中的任一種類或組合2種類以上的多孔質體(多孔材)所構成。容器本體11(底板11a及側板11b)的厚度係期望為可確保至少不會產生翹曲程度之強度的厚度以上，例如，5mm以上。

底板11a及側板11b係藉由例如，將Si₃N₄或SiC粉末進行燒結成形所製作，其開氣孔率為10%以上40%以下。構成容器本體11之多孔質體的開氣孔率未滿10%的情況，因氣泡殘留於脫模材12的內部，造成脫模材12脆弱化而變得容易破損。又，在開氣孔率超過40%超的情況，產生熔化液洩漏的可能性提高。因此，構成容器本體11之多孔質體的開氣孔率係作成10%以上40%以下為佳，當也考量錠的脫模性之容易度的觀點之情況，更佳為20%以上30%以下。

前述的多孔質體所構成的容器本體11，比起石英製的容器，其耐熱性佳、且在矽錠製造時的高溫化時，也不會劣化、變形。因此，當進行矽錠的製造時，能夠有效地防止因容器本體11的劣化、變形造成脫模材12損壞。

脫模材12由Si₃N₄的燒結體所構成，在組裝容器本體11之前，預先形成側板11b的一主面(成為容器本體11的內面之面)、底板11a的一主面及與這些一主面相鄰接的面。脫模材12係藉由將例如，對Si₃N₄粉末混合聚乙烯醇等的黏結劑所調製的水系漿體以刷毛、噴霧等塗佈於底板11a及側板11b的一主面，在氧環境下或氬等不活性氣體環境下、700～1550℃進行燒成所形成。脫模材12的厚度，係在結晶成長中，Si熔化液不會到達容器側之程度的厚度例如200～1000μm，理想為300～600μm。

塗佈在底板11a及側板11b之漿體，由於以多孔質體構成底板11a及側板11b，故會逐漸朝底板11a及側板11b的氣孔浸透。又，利用以多孔質體所構成的底板11a及側板11b，將漿體內的氣泡加以脫泡。由於在此狀態下進行燒成，故，脫模材12強固地形成於底板11a及側板11b的一主面。因此，當進行矽錠的製造時，能夠有效地防止脫模材12損壞。

當氣泡殘留於脫模材12中時，由於因應残留氣泡的數量、大小等，進行矽錠的製造時，會有脫模材12變得容易破損之傾向，故，以往以來，當在容器本體形成脫模材時，實施利用減壓等之脫泡處理。相對於此，在本實施形態的容器10的情況，當進行脫模材12的形成時不需要實施脫泡處理，即可簡單地形成脫模材12。

又，因脫模材12強固地形成於容器本體11的內面，所以，不需要如以往作成為多層構造。因此，不會增加在容器10製作上所耗費的工序與成本，亦可容易增加脫模材12的膜厚。且，在形成脫模材12之際，因不需要使用二氧化矽、金屬氧化物等的燒結輔助劑，所以能夠防止因矽錠中之不純物濃度增大所造成之結晶性降低的情況產生。

保持具13係為例如石墨製的板狀構件，其用來固定4片側板11b之固定用溝13a形成為矩形環狀。在保持具13，於被固定用溝13a所圍繞的區域(凸部)13b，載置具有脫模材12之底板11a。又，在固定用溝13a，立設有具有脫模材12之側板11b，且，在側板11b的外側配置有石墨製的保持板14。又，在固定用溝13a的四角，分別於2個部位(計8個部位)嵌入有楔15而將側板11b朝內側按壓，藉此，容器本體11固定於保持具13。此時，4片側板11b與底板11a係無間隙地接合成矽熔化液不會漏出的程度。

又，在固定用溝13a的殘餘空間，鋪裝有與矽熔化液融著之熔化液捕集材16。藉此，側板11b可在更穩定的狀態下固定於固定用溝13a，限制朝橫方向之位置偏移。熔化液捕集材16，可與矽熔化液產生反應而融著之材料即可，例如理想為碳氈，石英玻璃棉，矽砂、石英玻璃片等。為了Si凝固時的體積膨脹應力的緩和，熔化液捕集材16，期望以碳纖維系、陶瓷纖維系的材料來形成。

再者，形成於保持具13之固定用溝13a的深度及寬度係作成為：在配置有側板11b與保持板14之狀態下形成殘餘空間，當將楔15嵌入至此殘餘空間時，容器本體11可穩定地固定在保持具13程度。

如此，實施形態的容器10具備有：由底板11a與複數(例如4片)的側板11b所構成的可分割地組裝之箱狀的容器本體11；和形成於此容器本體11的內面之脫模材12。又，容器本體11(底板11a及側板11b)係以氮化矽、碳化矽、或氧化鋁中的任一種所構成的多孔質體或組合兩種以上之多孔質體所構成，脫模材12係以氮化矽所構成。又，多孔質體的開氣孔率為10%以上40%以下。

在此容器10，因具有良好的脫模性之脫模材12強固地形成於容器本體11的內面，所以，能有效地防止因伴隨矽凝固時的體積膨脹引起之應力脫模材12損壞。因此，能夠防止矽熔化液漏出至容器的外部。

又，由於能夠防止因伴隨凝固時的體積膨脹使得具有脫模材12之側板11b朝上方舉起，造成因從熔化液面進行結晶成長之熔化液的壓縮，故，不會產生熔化液漏洩漏。

因此，能良品率佳地製造具有良好的品質之矽錠。又，亦可將容器10反復地使用於矽錠的製造。

又，容器10具備保持具13，該保持具具有用來固定側板11b之固定用溝13a。又，在被固定用溝13a所圍繞的區域(凸部)13b載置底板11a，在側板11b立設於固定用溝13a之狀態，對固定用溝13a的殘餘空間嵌入楔，藉此，底板11a與側板11b接合並固定。

即，在容器10，藉由側板11b對底板11a按壓，使得兩者接合，但未固定接著，故，側板11b可朝橫方向或縱方向微動。當然，並非可造成矽熔化液漏出程度之大幅移動。藉此，可有效地緩和伴隨矽凝固時的體積膨脹所產生之應力。因此，能有效地防止脫模材12損壞。

又，因側板11b較底板11a更朝下方突出設置，所以，即使當結晶成長時，側板11b朝上方被稍微舉起，也可確保與底板11a之接合狀態。就算因某種原因，造成矽熔化液的一部分從側板11b與底板11a的隙間漏出，矽熔化液也會被儲存並凝固在保持具13的固定用溝13a並封裝。因此，能夠有效地防止矽熔化液漏出至容器10的外部。

又，在固定用溝13a的殘餘空間，鋪裝有與漏出的矽熔化液融著之熔化液捕集材(矽砂、石英玻璃片、碳氈，石英玻璃棉等)。熔化液捕集材係藉由其變形性，可有效地緩和橫方向的體積膨脹應力。藉此，能夠抑制側板與底板之間的間隙之增大。

又，就算矽熔化液的一部分從側板11b與底板11a之間隙漏出，也因漏出的矽熔化液會與熔化液捕集材16產生反應並融著，所以，不會有矽熔化液洩漏至容器10的外部之情況產生。

圖3係顯示顯示使用實施形態的容器10之結晶成長裝置的一例之圖。圖3所示的結晶成長裝置1係使用於藉由凱氏長晶來製造矽錠。在結晶成長裝置1，於容器10的外周配置有加熱器17。又，在容器10的中央配置有拉晶軸18，在其前端安裝著由矽單結晶(或矽多結晶)所構成的種結晶19。

在使用結晶成長裝置1，以凱氏長晶來製造矽錠之情況時，將矽原料(例如矽熔化液)投入到容器10，使種結晶19與矽熔化液20的表面接觸，從表面讓矽熔化液20凝固，而使矽多結晶20a成長。

此時，藉由以極低速一邊拉引種結晶19，一邊使矽多結晶成長，能夠緩和伴隨矽凝固時的體積膨脹所產生之縱方向的應力。具體而言，將種結晶19的拉引速度因應矽熔化液20凝固時之縱方向的體積膨脹進行設定即可。

在藉由凱氏長晶製造矽錠之情況，會有矽熔化液20的表面附近凝固所產生之頂部，因矽凝固時的體積膨脹咬入至容器10(脫模材12)之情況。當在此狀態下拉起種結晶19時，會有側板11b朝上方被舉起的情況產生。但，如上述般，藉由本實施形態的容器10，即使產生這種情況，矽熔化液20也不會漏出至容器10的外部，伴隨矽凝固時的體積膨脹所產生之應力也被緩和。

又，在藉由凱氏長晶製造矽錠之情況，在側板11b的上部，亦可使矽熔化液20的表面所位在之部分以3°以上、未滿90°的方式朝外側傾斜。藉此，能夠減少在進行拉晶時，成長中的結晶鉤掛至容器側面之缺失，亦可防止伴隨矽凝固時的體積膨脹所引起之結晶下部熔化液的壓縮，而能安全地結晶成長。

[實施例]

在實施例，使用結晶成長裝置1，以凱氏長晶來製造矽錠。首先，將添加有硼(濃度：1.0×10¹⁶atom/cm³)之矽熔化液20流入至由Si₃N₄製的容器本體11所構成之容器10，保持矽熔化液20，讓深度方向的溫度斜率成為10℃/cm。

然後，使結晶方位為＜100＞、3.5mm見方之Si單結晶所構成的種結晶19與矽熔化液20的表面接觸，一邊以1mm/h將此種結晶19拉起，一邊使矽多結晶成長。此時，以5rpm使容器10及種結晶19旋轉，以種結晶19為中心而使矽多結晶20a呈同心圓狀成長。藉由3小時的成長，讓矽熔化液20完全地固化，獲得實施例之矽錠。再者，將容器10(容器本體11)的底部的溫度成為矽的凝固點之1410℃的時間點視為結晶成長的終點。

在實施例之矽錠的製造，當將種結晶拉起相當於體積膨脹量時，側板11在承受器內部垂直地舉起，而側板仍被保持之狀態，故，不會有熔化液洩漏之情況產生。又，所製造之矽錠，藉由將容器10予以解體，能夠容易取出。且，在所獲得的矽錠，結晶晶界一致於縱方向，因此具有良好的結晶品質。

又，容器10中之脫模材12不會損壞，故，容器可反復地使用於矽錠的製造。

[比較例]

除了使用圖4A所示的結構之矽錠製造用容器以外，其餘與實施例相同的條件讓矽熔化液固化，其結果，如將圖4B的點線所包圍的部分放大之圖4C所示，熔化液從底板11a與側板11b之間隙漏出。

當進行將從熔化液面上成長的結晶拉起相當於體積膨脹量的操作時，結晶會鉤住容器側板而被舉起，成為間隙增大的原因。

又，將容器進行解體的結果，僅獲得與種結晶相連之錠的上部，其與下部的凝固體分離，不易良品率佳地製造錠。又，所漏出之熔化液強固地附著於未形成有脫模材之側板及底板的面，故無法進行再利用。

以上，依據實施形態具體地說明了本發明者所開發出的發明，但，本發明不限於前述實施形態，在不超出其技術思想範圍下可進行各種變更。

實施形態的容器10，不僅在凱氏長晶，可使用於各種矽錠的製造法。例如，亦可使用於從容器10的底部讓矽熔化液凝固而矽多結晶成長之鑄造法。

又，容器本體11(底板11a及側板11b)，亦可藉由不純物較Si₃N₄更少的氧化鋁、SiC的多孔質體來構成。若重視與脫模材12之親和性，則選擇與脫模材相同材質之Si₃N₄即可。

又，保持具13之側壁部分，亦可藉由螺絲固定。具體而言，在如圖2中之一點鎖線B-B所示的部位，分割保持具13，再從如箭號C所示的方向插通螺絲(螺栓)並予以鎖緊，來將保持具13一體化者。在容器10大型化之情況，這種分割式保持具(承受器)13比較容易處理，在成本削減上亦有利。

以上所揭示的實施形態的內容僅為例示者，不限定本發明。本發明的範圍不限於前述發明，而是依據申請專利範圍者，在與申請專利範圍均等的意思及範圍內之所有變更皆含於本發明。

1．．．結晶成長裝置

10．．．矽錠製造用容器

11．．．容器本體

11a．．．底板

11b．．．側板

12．．．脫模材

13．．．保持具(承受器)

13a．．．固定用溝

13b．．．凸部

14．．．保持板

15．．．楔

16．．．熔化液捕集材

17．．．加熱器

18．．．拉晶軸

19．．．種結晶

20．．．矽熔化液

20a．．．矽多結晶

圖1係適用本發明之矽錠製造用容器的上面圖。

圖2係圖1的A-A線之斷面圖。

圖3係顯示使用實施形態的容器之結晶成長裝置的一例之圖。

圖4A係顯示比較例所使用的矽錠製造用容器的本體之斜視圖。

圖4B係顯示圖4A所示的矽錠製造用容器的本體的正面斷面圖。

圖4C係放大顯示在圖4B中被虛線所包圍的部分之矽錠製造用容器的本體的部分放大圖。

10．．．矽錠製造用容器

11．．．容器本體

11b．．．側板

12．．．脫模材

13．．．保持具(承受器)

13a．．．固定用溝

14．．．保持板

15．．．楔

16．．．熔化液捕集材

Claims (2)

1. 一種矽錠製造用容器，係具備有底板與複數個側板所構成的可分割地組裝之箱狀的容器本體、及形成於此容器本體的內面之脫模材，當使矽熔化液凝固而讓矽多結晶成長時所使用之矽錠製造用容器，其特徵為：前述容器本體係以由氮化矽、碳化矽及氧化鋁中的任一種或2種以上組合所構成並開氣孔率為10%以上40%以下之多孔質體所形成，前述脫模材係以氮化矽所形成，前述矽錠製造用容器在上面具備保持具，該保持具形成有供前述側板***用的溝，該溝圍繞該上面的中央部，在前述保持具上面中被前述溝圍繞之區域，載置前述底板，藉由將楔嵌入至已***到前述溝的側板的側面與前述溝的側面之間，使前述底板與前述側板接合並固定。
2. 如申請專利範圍第1項之矽錠製造用容器，其中，在前述固定用溝的前述殘餘空間，鋪裝有熔化液捕集材，其係與所漏出的矽熔化液融著，且具有矽(Si)體積膨脹應力的緩和功能。