(57)【要約】【課題】  一方向凝固性が良好な多結晶シリコンインゴットを製造する。【解決手段】  鋳型１は台座４に搭載され、駆動手段１３によって昇降変位が可能である。鋳型１に収容されたシリコン融液を、その鋳型の底部から冷却して徐々に上部方向に一方向凝固させるときに、鋳型１の側壁面周囲を包囲するように設けられた発熱体１７がシリコン融液の固液界面の位置付近に配置されるように台座４を降下させることにより、側壁面からの熱放射を抑えて側壁面からの結晶成長を軽減させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料を収容可能とする鋳型と、
該鋳型内の半導体材料を溶融加熱する溶融手段と、
該鋳型内の該半導体材料が該溶融手段で溶融された後、該半導体材料の溶融液を一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させるときに、該半導体材料の固液界面位置を目標として側壁面側から加熱する加熱手段とを有する多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項２】
前記鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる駆動手段をさらに有し、
前記駆動手段は、前記固液界面に対応する位置に該加熱手段が配置されるように、該鋳型および加熱手段の少なくともいずれかを移動させる請求項１記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、予め測定された半導体材料の凝固時間に基づく算出凝固速度により前記固液界面の移動位置を求め、求めた移動位置に合わせるように、前記鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる請求項２に記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項４】
前記加熱手段は、前記鋳型の側壁面に対して所定幅で周囲を包囲するように設けられている請求項１〜３のいずれかに記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項５】
前記駆動手段は、前記鋳型と溶融手段を相対的に一方向に移動させて、該鋳型と該溶融手段の距離を遠ざけることにより、前記半導体材料の溶融液を該鋳型内で一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させる請求項１〜３のいずれかに記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項６】
前記溶融手段は、前記鋳型の少なくとも開放上部を覆うように設けられている請求項１または５に記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項７】
前記鋳型内の半導体材料の溶融液を下部から上部に向けて冷却する冷却手段をさらに有する請求項１または５に記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項８】
前記半導体材料はシリコンである請求項１，５および７のいずれかに記載の多結晶半導体インゴット製造装置。
【請求項９】
半導体材料を多結晶化させて多結晶半導体インゴットを製造する多結晶半導体インゴットの製造方法において、
鋳型内に半導体材料を充填する充填工程と、
鋳型内の半導体材料を溶融する溶融工程と、
該半導体材料の溶融液を一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させるときに、該半導体材料の固液界面の位置を目標として側壁面側から加熱する加熱工程とを有する多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１０】
前記加熱工程は、前記鋳型の少なくとも側壁面の周囲を所定幅で加熱する加熱手段を前記半導体材料の固液界面に対応する位置に配置するように、前記鋳型と該加熱手段を相対的に一方向に移動させる移動工程を有する請求項９に記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１１】
前記移動工程は、予め測定された半導体材料の凝固時間に基づく算出凝固速度により前記固液界面の移動位置を求め、求めた移動位置に合わせるように、前記鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる請求項１０に記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１２】
前記移動工程は、前記鋳型内の半導体材料を溶融する溶融手段と鋳型とを相対的に一方向に移動させて、該鋳型と該溶融手段の距離を遠ざけることにより、前記半導体材料の溶融液を該鋳型内で一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させる請求項１０に記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１３】
前記移動工程は、前記鋳型を下降させるかまたは、前記加熱手段および溶融手段の少なくとも該加熱手段を上昇させる請求項１０または１２に記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１４】
前記鋳型を下部から冷却する冷却工程を有し、該冷却工程により該鋳型の底部またはその近傍位置に冷媒を供給することにより前記半導体材料の溶融液を該鋳型内で下部から上部に向かって冷却して下部から上部に向けて凝固させる請求項９または１３に記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１５】
前記半導体材料がシリコンである請求項９〜１２および１４のいずれかに記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれかに記載の多結晶半導体インゴットの製造方法により製造された多結晶半導体インゴット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば太陽電池材料などに用いられる多結晶シリコンインゴットなどの多結晶半導体インゴットを製造する多結晶半導体インゴット製造装置、これを用いた多結晶半導体インゴットの製造方法、これによって製造された多結晶半導体インゴットに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、この種の太陽電池材料として、主にシリコン半導体が利用されている。このシリコン半導体は、結晶構造の面から、単結晶、多結晶およびアモルファスに分類される。その中でも、多結晶シリコンは、製造コストと性能とのバランスが優れているため、現在、太陽電池材料として最も多く利用されている。
【０００３】
しかしながら、多結晶シリコンの光電変換効率は、単結晶シリコンに比べると劣っているため、今後は、低価格化と共に、更なる光電変換効率の向上が求められる。
【０００４】
この多結晶シリコンの従来の製造方法として、例えば特許文献１には、石英（酸化珪素：ＳｉＯ２）製のルツボに固体のシリコンを充填し、これを加熱して溶融させ、その溶融したシリコンを黒鉛製の鋳型に注入する半連続鋳造法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、真空中で石英製のルツボ内で固体のシリコンを溶融させ、そのまま、その中で凝固させる熱交換法が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、鋳型底に投入された固体のシリコンを電子ビーム銃で加熱して溶融させた後、電子ビーム銃で加熱しながら固体シリコンを追加投入して溶融させ、それと同時に鋳型を底部から冷却して底部から上方に一方向に溶融シリコンを凝固させる方法が開示されている。
【０００７】
最近では、上記熱交換法による従来の多結晶シリコンの製造方法を改良して、光学的特性および電気的特性が高い多結晶シリコンを製造する試みが数多く為されている。例えば特許文献４には、空隙率が高く、熱伝導率が低い材料を鋳型の側壁に用いることによって、側壁面からの抜熱を抑えて側壁面からの結晶成長を軽減させ、一方向凝固性が良い多結晶シリコンを製造する方法が開示されている。
【０００８】
特許文献５には、従来の製造方法のように底部から上方に垂直方向に温度勾配を付与するだけでなく、冷却開始時に、鋳型の側面に設けられた補助ヒータを用いて、鋳型の底部の一部から水平方向に温度勾配を付与することによって、水平方向に径が大きな結晶粒を有する結晶シリコンを製造する方法が開示されている。
【０００９】
特許文献６には、鋳型の側壁面に温度計や超音波距離計などのセンサを設けて、その測定値から求めた凝固速度値と目的凝固速度値とを比較して加熱手段や冷却手段を制御することにより凝固速度を安定させる方法が開示されている。
【特許文献１】特公昭５７−２１５１５号公報
【特許文献２】特公昭５８−５４１１５号公報
【特許文献３】特開昭６２−２６０７１０号公報
【特許文献４】特開２０００−１３５５４５号公報
【特許文献５】特開２０００−３２７４８７号公報
【特許文献６】特開２００１−２７８６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の多結晶シリコンインゴットの製造方法では、鋳型に収容されたシリコン溶融液がその鋳型の底部から冷却されて徐々に上部方向に凝固される。しかしながら、従来の多結晶シリコンインゴットの製造方法では、鋳型の側壁面から熱が外部に放射されることによって、鋳型の側壁面から結晶成長が発生するため、下方から上方への一方向凝固性が悪い多結晶シリコンインゴットが生成されてしまう。このようなインゴットは、周辺部において、半導体としての結晶性が悪くなり、光学的特性および電気的特性が低下する。
【００１１】
本発明は、上記従来の事情に鑑みて為されたもので、一方向凝固性が良好で半導体としての結晶性がよく、光学的特性および電気的特性にも良好な多結晶半導体インゴットを製造することができる多結晶半導体インゴット製造装置、これを用いた多結晶半導体インゴットの製造方法、これによって製造された多結晶半導体インゴットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置は、半導体材料を収容可能とする鋳型と、該鋳型内の半導体材料を溶融加熱する溶融手段と、該鋳型内の該半導体材料が該溶融手段で溶融された後、該半導体材料の溶融液を一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させるときに、該半導体材料の固液界面位置を目標として側壁面側から加熱する加熱手段とを有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００１３】
また、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置において、鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる駆動手段をさらに有し、前記駆動手段は、前記固液界面に対応する位置に該加熱手段が配置されるように、該鋳型および加熱手段の少なくともいずれかを移動させる。
【００１４】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における駆動手段は、予め測定された半導体材料の凝固時間に基づく算出凝固速度により前記固液界面の移動位置を求め、求めた移動位置に合わせるように、前記鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる。
【００１５】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における加熱手段は、前記鋳型の側壁面に対して所定幅で周囲を包囲するように設けられている。
【００１６】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における駆動手段は、前記鋳型と溶融手段を相対的に一方向に移動させて、該鋳型と該溶融手段の距離を遠ざけることにより、前記半導体材料の溶融液を該鋳型内で一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させる。
【００１７】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における溶融手段は、前記鋳型の少なくとも開放上部を覆うように設けられている。
【００１８】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における鋳型内の半導体材料の溶融液を下部から上部に向けて冷却する冷却手段をさらに有する。
【００１９】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における冷却手段は、前記鋳型の底部またはその近傍位置に冷媒を供給することにより該鋳型内の半導体材料の溶融液を下部から上部に向けて冷却する。
【００２０】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における溶融手段と加熱手段は一体に構成されている。
【００２１】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における溶融手段と加熱手段は別体に構成されている。
【００２２】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造装置における半導体材料はシリコンである。
【００２３】
本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法は、半導体材料を多結晶化させて多結晶半導体インゴットを製造する多結晶半導体インゴットの製造方法において、鋳型内に半導体材料を充填する充填工程と、鋳型内の半導体材料を溶融する溶融工程と、該半導体材料の溶融液を一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させるときに、該半導体材料の固液界面の位置を目標として側壁面側から加熱する加熱工程とを有し、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
また、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法における加熱工程は、前記鋳型の少なくとも側壁面の周囲を所定幅で加熱する加熱手段を前記半導体材料の固液界面に対応する位置に配置するように、前記鋳型と該加熱手段を相対的に一方向に移動させる移動工程を有する。
【００２５】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法における移動工程は、予め測定された半導体材料の凝固時間に基づく算出凝固速度により前記固液界面の移動位置を求め、求めた移動位置に合わせるように、前記鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる。
【００２６】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法における移動工程は、前記鋳型内の半導体材料を溶融する溶融手段と鋳型とを相対的に一方向に移動させて、該鋳型と該溶融手段の距離を遠ざけることにより、前記半導体材料の溶融液を該鋳型内で一方端部から他方端部に向けて冷却して一方向に凝固させる。
【００２７】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法における移動工程は、前記鋳型を下降させるかまたは、前記加熱手段および溶融手段の少なくとも該加熱手段を上昇させる。
【００２８】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法において、鋳型を下部から冷却する冷却工程を有し、該冷却工程により該鋳型の底部またはその近傍位置に冷媒を供給することにより前記半導体材料の溶融液を該鋳型内で下部から上部に向かって冷却して下部から上部に向けて凝固させる。
【００２９】
さらに、好ましくは、本発明の多結晶半導体インゴットの製造方法における半導体材料はシリコンである。
【００３０】
本発明の多結晶半導体インゴットは、請求項９〜１５のいずれかに記載の多結晶半導体インゴットの製造方法により製造され、そのことにより上記目的が達成される。
【００３１】
上記構成により、以下に、本発明の作用について説明する。
【００３２】
本発明にあっては、鋳型にシリコンなどの半導体材料を充填し、これを加熱して溶融させた後に、鋳型内で半導体材料の溶融液を一方向（一方端部から他方端部、例えば下部から上部や左端部から右端部など）に向かって冷却してその一方向に凝固させるときに、駆動手段で鋳型と加熱手段を相対的に一方向に移動させる。即ち、鋳型を駆動手段で下降させるか、または鋳型の側壁面の周囲を包囲するように設けられた加熱手段を駆動手段で上昇させることなどによって、加熱手段を半導体材料の溶融液における固液界面の例えば水平方向位置付近を目標位置として配置させる。固液界面位置を目標位置として側壁面側から加熱することによって、側壁面から熱が逃げることが抑制される。これによって、側壁面からの結晶成長を抑制することができ、一方向性凝固性が良好な多結晶半導体インゴットが製造される。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、鋳型の側壁面の周囲を所定幅で包囲するように設けられた加熱手段によって固液界面位置を目標位置として鋳型の側壁面側から加熱することによって、側壁面側からの結晶成長を抑制することができ、一方向性凝固性が良好な多結晶シリコンインゴットなどの多結晶半導体インゴットを製造することができる。このようにして得られたインゴットの周辺部は、半導体としての光学的特性および電気的特性が改善されており、太陽電池材料として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下に、本発明の多結晶半導体インゴット製造装置およびこれを用いた多結晶半導体インゴットの製造方法の実施形態を、多結晶シリコンインゴット製造装置およびこれを用いた多結晶シリコンインゴットの製造方法に適用した場合について、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図1は、本発明の多結晶シリコンインゴット製造装置の一実施形態における概略要部構成を示す断面図である。
【００３６】
図１に示すように、多結晶シリコンインゴット製造装置２０は、中央部に位置する鋳型１と、これを囲むカバー２ａ，２ｂと、これらを支持する支持台３と、支持台３を駆動可能とする可動手段としての台座４と、先端部で温度を計測するための熱電対５と、外周部に設けられた誘導加熱コイル６，１６と、これらの鋳型１、カバー２ａ，２ｂおよび支持台３を上方から側壁部分を覆って収容可能とする発熱体７、１５と、内外の熱を遮断する熱絶縁体８ａ，８ｂと、パイロメータ９と、温度計測用の先端部が発熱体７内に位置している制御用熱電対１０と、熱電対５および制御用熱電対１０からの温度情報に基づいて誘導加熱コイル６，１６への電流を制御する制御装置１１と、冷却手段としての冷却槽１２と、台座４を上下動させる駆動手段１３とを有している。
【００３７】
鋳型1は、石英（酸化珪素：ＳｉＯ２）製で、底を有する円筒状または角筒状の容器である。この鋳型１は、図示しないチャンバー内部に設置されている。なお、鋳型１は、石英製に限らず、グラファイト、窒化珪素または窒化ホウ素などの耐火物製であってもよく、モルタル、モリブデンまたはタングステンなどの高融点金属製であってもよい。
【００３８】
カバー２ａ，２ｂはグラファイトなどからなり、上部（開放部）を除く鋳型１の外周面を覆っている。
【００３９】
支持台３にはカバー２ａを介して鋳型１の底部が水平に搭載されており、支持台３は回転変位可能でかつ昇降変位可能な台座４上に取り付けられている。
【００４０】
台座４は、駆動手段１３を駆動源として支持台３と共に、鋳型１の中心を通る垂直線を回転軸とする回転動（回転変位）と、垂直方向の上下動（昇降変位）とが可能である。
【００４１】
熱電対５は、その先端部分によって鋳型１の底面の温度を検出し、この検出された温度情報は制御装置１１に送られる。
【００４２】
誘導加熱コイル６は、鋳型１の上方位置に互いに所定間隔を開けて配置されており、誘導加熱コイル６に高周波電流を流すことによって、グラファイトやカーボンファイバなどからなる発熱体７が誘導加熱される。
【００４３】
発熱体７は、鋳型１と誘導加熱コイル６間に配置され、かつ鋳型１と所定の間隔を開けて鋳型１の開放上部を覆うように配置されており、誘導加熱コイル６により発熱体７が誘導加熱されると、その輻射熱によって鋳型１の開放側を上方から加熱する。
【００４４】
熱絶縁体８ａ，８ｂは、発熱体７の下方および外側に配設されて、鋳型１を上側から覆って収容する容器を構成している。
【００４５】
パイロメータ９は、鋳型１の内部に対して上方から臨むように取り付けられており、これによって鋳型１の内部からの放射熱を検出することができる。この放射熱の検出により、材料の表面温度を測定できる。これによって、鋳型１内のシリコン半導体材料１４が溶融したか否かや、凝固したか否かを判断することができる。
【００４６】
制御用熱電対１０は、その先端部が発熱体７の温度を検出可能に取付けられている。
【００４７】
制御装置１１は、熱電対５および制御用熱電対１０からの各検出温度出力が入力され、これらに基づいて誘導加熱コイル６への高周波電流が制御されることにより加熱状態を制御する。以上の誘導加熱コイル６、発熱体７および制御装置１１により、鋳型１内のシリコン半導体材料１４を溶融加熱する溶融手段が構成されている。
【００４８】
冷却槽１２は、鋳型１を底面から冷却するために、冷却水を台座４（鋳型１の近傍位置）に供給して台座４を冷却させることができる。冷却槽１２から供給される冷却水により、鋳型１内のシリコン半導体材料１４の溶融液を下部から上部に向けて冷却することができる。本実施形態では、冷媒として冷却水を用いているが、冷却水以外の他の冷媒を用いることも可能である。
【００４９】
駆動手段１３は、台座４を回転駆動させたり、台座４を上下駆動させることができる。具体的には、駆動手段１３は、シリコン半導体材料１４の固液界面に対応する水平位置に発熱体１５および誘導加熱コイル１６が配置されるように、鋳型１を移動させる。駆動手段１３の駆動制御は、予め測定されたシリコン半導体材料１４の凝固時間に基づいて算出された凝固速度により、シリコン半導体材料１４の固液界面の移動位置を求め、この求めた移動位置に合わせるように、鋳型１を下降させる。
【００５０】
シリコン半導体材料１４は、鋳型１内に収容されて、これを溶融後に凝固させることにより結晶化させて、多結晶半導体インゴットを製造するための材料である。
【００５１】
発熱体１５は、鋳型１の側壁面から熱が逃げるのを防止するためのものであり、発熱体７から下方に所定距離だけ離間した鋳型１の外周位置にリング状に設けられて、鋳型１と所定の間隔を開けて配置されている。即ち、発熱体１５は、鋳型１の側壁面に対して所定幅で周囲を包囲するリング状に設けられている。
【００５２】
誘導加熱コイル１６は、発熱体１５を誘導加熱するためのものである。即ち、誘導加熱コイル１６は発熱体１５の外周を所定幅で包囲するリング状に設けられている。以上の発熱体１５、誘導加熱コイル１６および制御装置１１により、鋳型１内のシリコン半導体材料１４が溶融された後、シリコン半導体材料１４の溶融液を一方端部である下部から他方端部の上部に向けて冷却して一方向に凝固させるときに、シリコン半導体材料１４の固液界面位置を目標として側壁面側から加熱する加熱手段が構成されている。
【００５３】
上記構成により、まず、鋳型１内にシリコン半導体材料１４を充填し、誘導過熱コイル６に高周波電流を流すと、誘導加熱コイル６により発熱体７が誘導加熱されて、その輻射熱によって鋳型１およびその内部のシリコン半導体材料１４を上方から加熱する。これによって、シリコン半導体材料１４を上部から下部に向かって溶融させることができる。この際に、駆動手段１３によって台座４を回転させることにより、鋳型１内のシリコン半導体材料１４を均一に加熱して溶融させることができる。
【００５４】
次に、冷却槽１２から台座４に冷却水を供給して台座４を冷却させることにより、溶融した鋳型１内のシリコン半導体材料１４は、底部（下部）から上部に向かって凝固を開始する。さらに、駆動手段１３によって台座４を下降させ、発熱体７から鋳型１内のシリコン半導体材料１４を遠ざけるようにすれば、鋳型１内の底部から上部に向かう一方向凝固を促進させることができる。このとき、溶融しているシリコン半導体材料１４内に酸素ガスや窒素ガスなどが入り込まないように、チャンバーによって外部から密閉されており、チャンバー内は真空または不活性ガス雰囲気に保たれている。
【００５５】
この場合、シリコン半導体材料１４において、下部から上部に向かう一方向凝固をより確実にするためには、鋳型１の側壁面からの結晶成長を抑える必要がある。このため、本実施形態では、多結晶シリコンを製造する際に、自然冷却、強制冷却および徐冷のそれぞれの場合について、鋳型１内の溶融状態のシリコン半導体材料１４が全て凝固するまでに必要な時間を予め測定しておく。鋳型１内のシリコン半導体材料１４が凝固したか否かは、パイロメータ９で受信される信号の変化によって判断することができる。パイロメータ９は、鋳型１内に充填されたシリコン半導体材料１４からの熱放射を検知し、材料の表面温度を測定することができる。したがって、鋳型１内に充填されたシリコン半導体材料１４の加熱融解時には材料の溶融状態を判別することができ、シリコン半導体材料１４の冷却凝固時には材料の凝固状態を判別することができる。
【００５６】
鋳型１内のシリコン半導体材料１４を自然冷却、強制冷却および徐冷させたそれぞれの場合において凝固に必要な時間に基づいて、それぞれの場合について、鋳型１内で溶融しているシリコン半導体材料１４が凝固する速度を算出することができる。この速度から、シリコン溶融液が下部から上部に一方向凝固する際の固液界面の位置を求め、鋳型の側壁面の周囲を包囲するように設けられた加熱手段（発熱体１５）がシリコン半導体材料１４における固液界面の水平方向位置付近に配置されるように、台座４を下降させて鋳型１を下降させる。これによって、シリコン半導体材料１４の固液界面が側壁面から発熱体１５によって加熱され、側壁面から熱が逃げることを抑制して、鋳型１の側壁面からの結晶成長を抑制することができ、一方向性凝固性が良好な多結晶半導体インゴットを製造することができる。
【００５７】
なお、発熱体１５を設けたことにより、予め算出されたシリコン半導体材料１４の凝固速度と実際の凝固速度にずれが生じるので、補正する必要がある。また、本実施形態では台座４を降下させることによってシリコン半導体材料１４における固液界面の水平方向位置付近に加熱手段（発熱体１５）を配置させているが、これに限らず、発熱体１５を上昇させることによってシリコン半導体材料１４における固液界面の水平方向位置付近に発熱体１５を配置させるようにしてもよい。
【００５８】
ここで、本実施形態の多結晶シリコンインゴットの製造方法について、図２に示すフローチャートを用いて、さらに詳しく説明する。なお、以下の各数値は一例であり、これらに限定されるものではない。
【００５９】
図２に示すように、多結晶シリコンインゴットの製造が開始されると、まず、ステップＳ１で、鋳型１内にシリコン半導体材料１４が例えば約１４０ｋｇ充填される。鋳型１は、底面が５５０ｍｍ×５５０ｍｍの角筒状である。
【００６０】
次に、ステップＳ２で、シリコン半導体材料１４が充填された鋳型１をカバー２ａ，２ｂ内に収容した状態で支持台３上に配置し、その支持台３を台座４上に搭載する。このようにして加熱準備が行われる。このとき、台座４は、冷却槽１２からの冷却水によって水冷される。
【００６１】
ステップＳ３で、誘導加熱コイル６に例えば約７ｋＨｚの周波数の交流電流が流され、誘導加熱が開始されて発熱体７の温度が上昇する。発熱体７がシリコンの融解温度である約１４２０℃以上にまで温度が上昇すると、発熱体７が鋳型の上方に設けられているため、シリコン半導体材料１４においては上部から下部に向かって融解が進行する。
【００６２】
ステップＳ４で、誘導加熱コイル６に供給される電力が制御装置１１により制御されて、鋳型１内の温度が一定になるように温度制御される。
【００６３】
その後、ステップＳ５で、パイロメータ９によってシリコン半導体材料１４の融解が確認される。
【００６４】
ステップＳ６で、鋳型１内の温度が徐々に下降されながら、同時に台座４が下降されて、シリコン半導体材料１４の凝固が開始される。
【００６５】
このとき、台座４の最小降下速度７ｍｍ／ｈとして、シリコン半導体材料１４における固液界面の位置が発熱体１５の位置に合うように、台座４が下降される。発熱体１５を所定の温度にするために、溶融用の誘導加熱コイル６と同様に、凝固用の誘電加熱コイル１６についても、約７ｋＨｚの周波数の交流電流が供給される。また、シリコン半導体材料１４の凝固中は、温度分布による影響を低減させるために、台座４が１ｒｐｍの速度で回転している。
【００６６】
ステップＳ７で、シリコン半導体材料１４の凝固が完了しているか否かが冷却速度の変化などに基づいて判断され、凝固完了後、冷却が開始される（発熱体７、１５による加熱停止と水冷など）。
【００６７】
冷却が終了すると、ステップＳ８で鋳型１から多結晶シリコンインゴットが取り出され、製造工程が全て終了する。
【００６８】
次に、このようにして製造された多結晶シリコンインゴットの評価を行った結果について説明する。
【００６９】
図３は、本実施形態によって製造された多結晶シリコンインゴット１７を上部から見たときの状態を示す図である。
【００７０】
図３に示すように、製造された多結晶シリコンインゴット１７から１２５ｍｍ角の１６個の直方体Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６が得られるようにカッティングした。図３に斜線で示す１７ａは切除部である。
【００７１】
また、各直方体の側面の向きを、上部から見て、Ｎ、Ｗ、ＳおよびＥとする。なお、Ｎ−Ｓ方向とＷ−Ｅ方向とは相互に直交しており、各直方体に対して識別番号Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１６を順次付している。
【００７２】
図４は、図３に示す多結晶シリコンインゴット１７の外周部に位置している直方体Ｎｏ．２のＳ面について、側壁面からの結晶成長幅およびライフタイム値の測定位置を示す斜視図である。
【００７３】
図４に示すように、直方体Ｎｏ．２のＳ面において、底部から５０ｍｍ、１００ｍｍおよび１５０ｍｍで底面に平行な直線部分の３箇所について、側壁面からからの結晶成長幅と、光の照射により発生した少数キャリアの寿命（ライフタイム値）とを測定した。ライフタイム値は、底面に平行なそれぞれの直線部分での平均値である。この測定結果を下記表１に示す。
【００７４】
【表１】
2005162507.tif 000003
図５（ａ）は、本実施形態で製造された直方体Ｎｏ．２をＳ面から見た断面図であり、図５（ｂ）は、シリコン半導体材料の固液界面を加熱しない従来法によって製造された多結晶シリコンインゴットにおいてＮｏ．２の位置に相当する直方体をＳ面から見た断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）では、縦方向は底面からの高さを示し、横方向は側壁面からの結晶成長幅を示している。また、横縞で示す部分は鋳型１の側壁面から結晶成長した部分を示している。
【００７５】
上記表１および図５（ａ）および図５（ｂ）の結果から、従来法に比べて、鋳型１の側壁面からの結晶成長幅が各箇所で低減されており、ライフタイム値が大きくなっていることが分かる。ライフタイム値の値が大きいほど、光電変換効率が高いため、本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、太陽電池の半導体材料として好適な多結晶シリコンインゴットを得ることができる。
【００７６】
以上により、本実施形態によれば、鋳型１は台座４に搭載され、駆動手段１３によって昇降変位が可能である。鋳型１に収容され溶融されたシリコン融液を、その鋳型の底部から冷却して徐々に上部方向に一方向凝固させるときに、鋳型１の側壁面周囲を包囲するように設けられた発熱体１５がシリコン融液の固液界面の位置付近に配置されるように台座４を降下させることにより、側壁面からの熱放射を抑えて側壁面からの結晶成長を軽減させる。これによって、一方向凝固性が良好な多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
【００７７】
なお、上記実施形態では、特に説明しなかったが、本発明は、シリコンとは異なる半導体材料にも同様に適用することができる。
【００７８】
また、上記実施形態では、溶融手段として発熱体７と加熱手段として発熱体１５とを一体的に構成し、発熱体７および発熱体１５を共に一体的に昇降動作させるように構成したが、これに限らず、溶融手段として発熱体７と加熱手段として発熱体１５とを別体に構成して、駆動手段１３を用いて鋳型１に対して別々に上下動（昇降動作）させるように構成することもできる。発熱体７および発熱体１５に適した上下動（昇降動作）ができる。
【００７９】
さらに、上記実施形態では、駆動手段１３は、台座４と共に鋳型１を上下動させるように構成したが、これに限らず、鋳型１を固定して、溶融手段として発熱体７と加熱手段として発熱体１５とを一体的に上下動させるように構成してもよいし、両方を上下動させるように構成してもよく、要は、鋳型１と発熱体１５および誘導加熱コイル１６を相対的に一方向（例えば上下方向や左右方向など）に移動させればよい。さらに、発熱体１５および誘導加熱コイル１６の組を複数の上下位置にそれぞれ設けて、それらを順に電源供給することによっても鋳型１の側壁位置（上下位置）に対して発熱体１５の水平位置を上下に移動させることができる。
【００８０】
また、上記実施形態では、台座４を降下させることによって発熱体７から鋳型１内のシリコン半導体材料１４を遠ざけるようにしているが、これに限らず、発熱体７側を上昇させて発熱体７から鋳型１内のシリコン半導体材料１４を遠ざけるようにしてもよい。
【００８１】
さらに、以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
例えば太陽電池材料などに用いられる多結晶シリコンインゴットなどの多結晶半導体インゴットおよびその製造方法、多結晶半導体インゴット製造装置の分野において、鋳型の側壁面周囲を包囲するように設けられた加熱手段を用いて固液界面を側壁面から加熱することにより、側壁面からの結晶成長をより抑制することができ、一方向性凝固性が良好な多結晶シリコンインゴットなどの多結晶半導体インゴットを製造することができる。このようにして作製されたインゴットの周辺部は、半導体としての光学的特性および電気的な特性が改善されており、光電変換効率が高い太陽電池材料として好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の多結晶シリコンインゴット製造装置の一実施形態における概略要部構成を示す断面図である。
【図２】本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法における実施形態を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の多結晶シリコンインゴットの製造方法によって製造される多結晶シリコンインゴットから１６個の直方体を切り出す際の状態を説明するための図である。
【図４】図３の直方体について、側壁面からの結晶成長幅およびライフタイム値の測定箇所を説明するための直方体Ｎｏ．２の斜視図である。
【図５】（ａ）は図４の直方体Ｎｏ．２をＳ面から見たときの断面図であり、（ｂ）はシリコン半導体材料の固液界面を加熱しない従来法によって製造された多結晶シリコンインゴットにおいてＮｏ．２の位置に相当する直方体をＳ面から見たときの断面図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  鋳型
２ａ、２ｂ  カバー
３  支持台
４  台座
５  熱電対
６  誘導加熱コイル
７  発熱体
８ａ、８ｂ  熱絶縁体
９  パイロメータ
１０  制御用熱電対
１１  制御装置
１２  冷却槽
１３  駆動手段
１４  シリコン半導体材料
１５  発熱体（凝固時用）
１６  誘導加熱コイル（凝固時用）
１７  インゴット
【図１】
2005162507.tif 000004
【図２】
2005162507.tif 000005
【図３】
2005162507.tif 000006
【図５】
2005162507.tif 000007
【図４】
2005162507.tif 000008