(57)【要約】【課題】本発明の目的は、効率的に、高い品質のシリコン結晶を製造できる方法を提供することにある。【解決手段】シリコン原料１０を電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）２０内に投入するに先立って、該シリコン原料１０を加熱によって溶解してシリコン溶解物１１とし、該シリコン溶解物１１を前記電磁鋳造炉２０内に投入する工程を備えるシリコン結晶の製造方法であって、前記シリコン原料１０をプラズマ照射３０により加熱することで前記シリコン溶解物１１を形成し、温度により炉内投入量の制御が可能な搬送管４０を通じて、該シリコン溶解物１１を前記電磁鋳造炉２０内へ投入することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン原料を電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）内に投入するに先立って、該シリコン原料を加熱によって溶解してシリコン溶解物とし、該シリコン溶解物を前記電磁鋳造炉内に投入する工程を備えるシリコン結晶の製造方法であって、
前記シリコン原料をプラズマ照射により加熱することで前記シリコン溶解物を形成し、温度により炉内投入量の制御が可能な搬送管を通じて、該シリコン溶解物を前記電磁鋳造炉内へ投入することを特徴とするシリコン結晶の製造方法。
【請求項２】
前記温度による炉内投入量の制御は、高周波加熱により前記搬送管を加熱してなる請求項１に記載のシリコン結晶の製造方法。
【請求項３】
前記プラズマ照射に先立って、前記シリコン原料を100mm以下のサイズに破砕する請求項１又は２に記載のシリコン結晶の製造方法。
【請求項４】
前記搬送管の少なくとも前記シリコン溶解物と接する部分が、窒化ボロン又は石英からなる請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコン結晶の製造方法。
【請求項５】
前記搬送管は、窒化ボロンからなる管の周囲をカーボンからなる管で覆った二重構造である請求項４に記載のシリコン結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン結晶の製造方法、特に、シリコン原料を電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）内に投入するに先立って、該シリコン原料を加熱によって溶解してシリコン溶解物とし、該シリコン溶解物を前記電磁鋳造炉内に投入する工程を備えるシリコン結晶の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池用途などのシリコン結晶の製造工程において、電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）を用いたシリコン結晶の育成が行われる。ＥＭＣ炉を用いたシリコン結晶の育成は、その連続的な原料供給方式から、従来のキャスト法（高純度のシリコン粒を原料として用い、石英ルツボ内に原料を充填し、カーボンヒーター等の加熱源を用いて溶融状態にする。溶融後、シリコン結晶の冷却過程で適当な温度勾配を与え、具体的には界面がフラットとなるような凝固形態とすることで粒を一方向に揃えて多結晶インゴットを成長させる方法）と比較した場合、シリコン結晶の生産性が高いという利点がある。
【０００３】
前記ＥＭＣ炉内へ原料を供給するためには、シリコン原料を細かく破砕するプロセス及び、破砕したシリコン原料を搬送し、ＥＭＣ炉内へと投入するプロセスが必要となる。ただし、上記シリコン原料の破砕及びＥＭＣ炉への搬送時に、前記シリコン原料が多くの金属と接触し、ＥＭＣ炉内へ金属粉末が混入する結果、得られたシリコン結晶を太陽電池に用いた場合変換効率が低下するという問題があった。特に、上記シリコン原料の破砕プロセスは、前記シリコン原料を破砕するための部材（ハンマー等）に大きな衝撃が加わるため、その一部が破損し、シリコン原料に混入するおそれがあった。
【０００４】
上述の問題を解決するため、シリコン原料と金属との接触をできるだけ減らす方法が開発されている。例えば、前記シリコン原料の破砕プロセスを行うことなく、直接ＥＭＣ炉内へと投入するという方法がある。
しかしながら、この方法では、ＥＭＣ炉でシリコン原料を溶融するために長時間を要し、製造効率が悪化するという問題があった。
【０００５】
また、特許文献１及び２では、前記シリコン原料を電子ビーム等によって溶融させた後、溶融したシリコン原料を炉内へと投入するシリコン結晶の製造方法が開示されている。この方法によれば、上述のシリコン原料の破砕プロセスを行う必要がないため、前記シリコン結晶の金属汚染を抑制することが可能となる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２の製造方法では、いずれも連続的にシリコン結晶を製造することが前提であり、一度シリコン原料の供給が始まると供給の停止が困難である。そのため、一旦シリコン原料の供給を停止した場合には、溶融したシリコン原料を搬送するための搬送路にシリコン原料が付着、固化し、次回のシリコン結晶の製造時には該搬送路に残存するシリコン原料を除去する工程が必要になるという問題があった。さらに、いずれの製造方法についても、上記溶融したシリコン原料を搬送する間に、シリコン原料の温度が低下するため、原料投入後に炉内温度の低下が部分的に生じ、シリコン結晶の品質低下を招くおそれがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２７３３７４号公報
【特許文献２】特開２００１−１９５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の問題を鑑みて、本発明は、シリコン原料の溶解方法及び搬送方法の適正化を図ることで、効率的に、高い品質のシリコン結晶を製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、シリコン原料を電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）内に投入するに先立って、該シリコン原料を加熱によって溶解してシリコン溶解物とし、該シリコン溶解物を前記電磁鋳造炉内に投入する工程を備えるシリコン結晶の製造方法について、上記の課題を解決するため検討を重ねた。そして、前記シリコン原料をプラズマ照射によって加熱し前記シリコン溶解物を形成することで、前記シリコン原料中に金属が混入することを抑制でき、さらに、温度により炉内投入量の制御が可能な搬送管を通じて前記電磁鋳造炉内へ前記シリコン溶解物を投入することで、上述した搬送管中にシリコン原料が付着、固化するという問題、及び、前記シリコン溶解物の搬送中の温度低下に起因してシリコン結晶の品質が低下するという問題についても解決できることを見出した。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）シリコン原料を電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）内に投入するに先立って、該シリコン原料を加熱によって溶解してシリコン溶解物とし、該シリコン溶解物を前記電磁鋳造炉内に投入する工程を備えるシリコン結晶の製造方法であって、前記シリコン原料をプラズマ照射により加熱することで前記シリコン溶解物を形成し、温度により炉内投入量の制御が可能な搬送管を通じて、該シリコン溶解物を前記電磁鋳造炉内へ投入することを特徴とするシリコン結晶の製造方法。
【００１１】
（２）前記温度による炉内投入量の制御は、高周波加熱により前記搬送管を加熱してなる上記（１）に記載のシリコン結晶の製造方法。
【００１２】
（３）前記プラズマ照射に先立って、前記シリコン原料を100mm以下のサイズに破砕する上記（１）又は（２）に記載のシリコン結晶の製造方法。
【００１３】
（４）前記搬送管の少なくとも前記シリコン溶解物と接する部分が、窒化ボロン又は石英からなる上記（１）〜（３）のいずれかに記載のシリコン結晶の製造方法。
【００１４】
（５）前記搬送管は、窒化ボロンからなる管の周囲をカーボンからなる管で覆った二重構造である上記（４）に記載のシリコン結晶の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、効率的に、高い品質のシリコン結晶を製造するという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に用いられるシリコン結晶の製造装置の一部を模式的に示した図である。
【図２】実施例及び比較例で得られたシリコン結晶の、トップ部からボトム部へ向かっての長さ位置（mm）と変換効率（％）との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明によるシリコン結晶の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の製造方法に用いられる製造装置の一実施形態について模式的に示したものである。
本発明によるシリコン結晶の製造方法は、シリコン原料１０を電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）２０内に投入するに先立って、該シリコン原料１０を加熱によって溶解してシリコン溶解物１１とし、該シリコン溶解物１１を前記電磁鋳造炉２０内に投入する工程を備える。
【００１８】
そして、本発明は、図１に示すように、前記シリコン原料１０をプラズマ照射３０により加熱することで前記シリコン溶解物１１を形成し、温度により炉内投入量の制御が可能な搬送管４０を通じて、該シリコン溶解物１１を前記電磁鋳造炉２０内へ投入することを特徴とする。
【００１９】
前記シリコン原料をプラズマ照射３０によって加熱し、前記シリコン溶解物１１を形成することで、金属からなるハンマー等を用いて前記シリコン原料１０の破砕を行う必要がないため、前記シリコン原料１０中に金属が混入することを抑制できる。また、温度により炉内投入量の制御が可能な搬送管４０を通じて前記電磁鋳造炉内へ前記シリコン溶解物１１を投入することで、搬送管４０中にシリコン溶解物１１が付着、固化するという問題を解決でき、さらに、搬送中に前記シリコン溶解物の温度が低下することを抑制できるため、ＥＭＣ炉２０中のシリコン融液２１の温度に部分的なバラツキを生じることがなく、高い品質のシリコン結晶を製造できる。
【００２０】
ここで、前記シリコン原料１０を溶解するための加熱を、プラズマ照射を用いて行うのは、前記シリコン原料１０中に金属が混入することがなく、加えて、2000℃以上と非常に高温であり、電子ビーム等に比べて広範囲に照射することが可能であるため、高速かつ有効にシリコン溶解物１１を形成することができるからである。また、電子ビームは減圧下でないと使用することができず、EMC炉内では放電の問題があるため、減圧にすることができない。そのため、大容量のポリシリコン原料の高速溶解にはプラズマ照射が最も望ましい。
【００２１】
また、本発明における前記プラズマ３０は、高温（3000K以上）で、出力仕様が100から300kWのプラズマのことであり、このプラズマ３０の照射によれば、大気中であっても、拡散することなくエネルギーを伝えることができるため、確実に前記シリコン原料１０への熱照射ができ、真空装置等の複雑な装置を必要とすることなく、前記シリコン原料１０の溶解が可能となる。
【００２２】
さらに、前記プラズマ３０の照射領域は、5〜20cm2の範囲であることが好ましい。照射領域が20cm2を超える場合、多大なガス流および高い高周波電力供給が必要となるため前記プラズマ３０を高エネルギー化することが難しく、前記シリコン原料１０を溶解できないおそれがあり、一方、その照射領域が5 cm2未満の場合、前記シリコン原料１０を溶解できるものの、一度に処理できる範囲が小さくなるため、前記シリコン溶解物１１の形成に長時間要することになるからである。なお、前記照射領域とは、前記プラズマ３０を前記シリコン原料１０に照射したときの照射面積のことをいう。
【００２３】
さらにまた、前記プラズマ３０の照射に先立って、前記シリコン原料１０を、100mm以下のサイズに破砕することが好ましい。前記シリコン原料１０のサイズを予め小さくしておくことで、前記プラズマ３０の照射時間を短縮でき、生産性の向上が望めるからである。また、サイズを100mm以下としたのは、100mm超えでは、前記シリコン原料１０サイズが大きすぎるため、前記プラズマ３０の照射時間の短縮効果がないからである。ただし、前記シリコン原料１０の破砕を行う際は、金属の混入ができるだけないように行う。例えば金属以外の材料からなるハンマーや、カッター等を用いて前記シリコン原料１０の破砕を行うことができる。
【００２４】
なお、前記プラズマ３０の照射の方法は、特に限定はしないが、例えば図１に示すように、前記シリコン原料１０を一旦、プラズマ照射用の容器５０に集めた状態で行うことができる。また、前記シリコン原料１０を前記プラズマ照射用容器５０まで搬送するには、例えば図１に示すように、ベルトコンベア６０等を用いることができる。
【００２５】
また、前記シリコン溶解物１１は、前記シリコン原料１０を溶解してなり、前記ＥＭＣ炉２０内に投入されて、シリコン溶融物１１となるものである。ただし、前記シリコン原料１０が完全に溶解しておらず、一部に固体状のシリコン原料１０が混じっている場合であっても、前記ＥＭＣ炉２０へ投入できる程度に溶解されているものは、本発明ではシリコン溶解物１１という。
【００２６】
本発明による搬送管４０は、温度を利用して、前記ＥＭＣ炉２０内への前記シリコン溶解物１１の投入量を制御することができる。ここで、「温度を利用して制御する」とは、例えば、前記搬送管４０の温度を高めることで、前記シリコン溶解物１１を固化させることなく円滑に前記ＥＭＣ炉２０へと搬送し、一方、前記搬送管４０の温度を下げることで、前記シリコン溶解物１１の前記ＥＭＣ炉２０への投入量を減らしたり、停止することである。つまり、前記シリコン溶解物１１の流出バルブとしての役目を果たすことができるものである。
【００２７】
また、前記温度による炉内投入量の制御は、高周波加熱により前記搬送管４０を加熱してなることが好ましい。前記高周波加熱を用いることで、渦電流が生み出すピンチ力を活用して効率的に前記シリコン溶解物１１を加熱できるともに、局所的な加熱が可能となるため、容易に前記シリコン溶解物１１の投入量を制御できる。なお、高周波加熱は、例えば図１に示すように、前記搬送４０の周囲に配設した高周波加熱コイル４３を用いることによって行うことができる。
【００２８】
また、前記搬送管４０は、その少なくとも前記シリコン溶解物１１と接する部分が、窒化ボロン又は石英からなることが好ましい。前記窒化ボロン又は石英以外の材料からなる場合、前記シリコン溶解物１１に対する耐熱性を有しないおそれがあり、さらに金属からなる材料を用いた場合、前記シリコン溶解物１１中に金属が混入し、シリコン結晶の品質劣化を招くおそれがあるからである。
【００２９】
さらに、前記搬送管４０は、図１で示すように、窒化ボロンからなる管４１の周囲をカーボンからなる管４２で覆った二重構造であることが好ましい。周囲にカーボンを巻くことで、高周波による外部加熱が可能となるため、窒化ボロンからなる管４１の中で、シリコン溶解物１１が固化することによる詰まりが発生した場合でも、迅速対応が可能となるからである。
【００３０】
なお、本発明では電磁鋳造炉（ＥＭＣ炉）２０を用いて、シリコン結晶１０の製造を行うが、ＥＭＣ炉４０とは、電磁誘導加熱によってシリコン原料１０を溶解し、シリコン融液２１を得るための炉である。前記電磁誘導加熱は、前記電磁鋳造炉２０の周囲に電磁誘導コイル２２を設けるによって行うことができる。また、ＥＭＣ炉２０の上部にヒーター７０を設けることで、前記シリコン融液２１の温度を一定に保つことができる。
【００３１】
なお、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲の記載に基づいて種々の変更を加えることができる。
【実施例】
【００３２】
（実施例）
実施例として、図１に示すように、シリコン原料１０（サイズ：3〜200mm）をベルトコンベア６０によってプラズマ照射用容器５０（サイズ：40cm×40cm×40cm）へと搬送した後、前記シリコン原料１０をプラズマ照射（温度：3000K、溶解出力150kW）によって、加熱、溶解してシリコン溶解物１１とし、該シリコン溶解物１１を、高周波加熱コイル４３を用いた加熱によって前記シリコン溶解物１１の投入量が制御できる搬送管４０（窒化ボロンの管４１及びカーボンの管４２の二重構造である。）によって、前記電磁鋳造炉２０内に投入する工程を経て、全長7000mmのシリコン結晶を育成し、育成したシリコン結晶を切り出して加工し、サンプルとなる太陽電池用ウェーハを得た。
【００３３】
（比較例１）
比較例１として、前記シリコン原料１０をプラズマ照射（温度：3000K、溶解出力150kW）によって、加熱、溶解してシリコン溶解物１１とはせず、金属製のハンマーを用いて細かく破砕したこと以外は、実施例と同様の条件によってサンプルとなる太陽電池用ウェーハを得た。
【００３４】
（比較例２）
比較例２として、高周波加熱コイル４３を用いた加熱手段がなく、前記シリコン溶解物１１の投入量を制御できない通常の搬送管を用いたこと以外は、実施例と同様の条件によってサンプルとなる太陽電池ウェーハを得た。
【００３５】
（評価方法）
実施例及び比較例１、２で得られたウェーハを太陽電池として用い、シリコン結晶インゴットのボトム部を0mmとしたときのトップ部方向への距離（mm）における変換効率（％）を測定した。なお、変換効率の測定は、ウェーハにした状態で測定した。
各実施例及び比較例の変換効率（％）の測定結果については表１に示し、シリコン結晶の長さ位置と変換効率との関係を示したグラフを図２に示す。なお、「変換効率」とは、太陽電池として用いた場合の、光エネルギーから変換されるエネルギーの割合（出力電気エネルギー／太陽光エネルギー×100（％））のことである。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表１及び図２から、実施例により製造されたシリコン結晶については、比較例１及び２によって製造されたシリコン結晶に比べて、シリコン結晶の全体において高い変換効率を有することがわかった。比較例１及び２については、ボトム部（0mm）に近い部分については高い変換効率であるものの、トップ部に近づくにつれて変換効率が低下していた。これは、比較例１では、金属製のハンマーを用いた破砕プロセスを行っているため、鋳造を進めていくにつれて不純物の偏析が起こり、シリコン融液の金属汚染濃度が高くなる結果、トップ部に近づくにつれ変換効率が落ちることが原因である。比較例２については、高温であるシリコン融液が連続的に制御できてないため、EMC炉内のシリコン融液の温度が不安定となり、結晶欠陥の形成に影響を与える結果、結晶部位によって変換効率にバラツキが生じ、結晶品質の安定性が得られないことが原因である。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明によれば、効率的に、高い品質のシリコン結晶を製造できる方法の提供が可能になった。
【符号の説明】
【００３９】
１０        シリコン原料
２０        電磁鋳造炉
２１        シリコン融液
２２        電磁誘導コイル
３０        プラズマ
４０        搬送管
４１        窒化ボロンからなる管
４２        カーボンからなる管
４３        高周波加熱コイル
５０        プラズマ照射用容器
６０        ベルトコンベア
７０        ヒーター
【図１】
2011225405.tif 000004
【図２】
2011225405.tif 000005