(57)【要約】      （修正有）【課題】  太陽電池用多結晶シリコンの溶解装置において、装置の構造と機構に起因して多結晶シリコンブロックの品質が悪化するという問題があった。【解決手段】  るつぼ１，２の上部と側部に加熱手段７，６を設け、このるつぼにシリコン原料を投入して上記加熱手段で溶解して底部に設けた出湯口３から出湯する溶解装置であって、上記出湯口の径を１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲にするとともに、上記るつぼの上部の加熱手段７と側部の加熱手段６でるつぼ上部シリコン原料から下部のシリコン原料へ徐々に溶解して、上記出湯口から出湯する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼに投入されたシリコン原料を加熱手段で加熱溶解して底部に設けた円形の出湯口から出湯する溶解装置において、前記出湯口の径を１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲としたことを特徴とする溶解装置。
【請求項２】
前記出湯口に、この出湯口の径と同じか、もしくは大きい径の筒状のノズルを垂下して設けたことを特徴とする請求項１に記載の溶解装置。
【請求項３】
るつぼの上部と側部に加熱手段を設け、このるつぼにシリコン原料を投入して前記加熱手段で加熱溶解して底部に設けた円形の出湯口から出湯する溶解方法において、前記出湯口の径を１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲にするとともに、前記るつぼの上部の加熱手段と側部の加熱手段でるつぼ上部のシリコン原料から下部のシリコン原料へ徐々に溶解して、前記出湯口から出湯することを特徴とする溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶解装置とそれを用いた溶解方法に関し、特に太陽電池用多結晶シリコンを鋳造するための鋳造装置などに用いられる溶解装置とそれを用いた溶解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリコンなどの半導体材料を溶解する溶解装置は、図２に示すように、るつぼ１内に投入された原料を加熱手段２で加熱して溶解し、るつぼ１１の底部に円形の出湯口１３ａを有するノズル１３を設け、このノズル１３内の原料を加熱する第２の加熱手段１４を設け、この第２の加熱手段１４でノズル１３内の原料を溶解させてるつぼ１１内の融液を出湯させるように構成したものがあった（特許文献１参照）。なお、図２において、１５はるつぼ１１の断熱壁、１６のるつぼ１１の補強材、１７はノズル１３の補強材である。
【０００３】
また、図３に示すように、るつぼ１１内に投入された原料を加熱手段１２で加熱して溶解し、るつぼ１１の底部に出湯口１３ａを設け、この出湯口１３ａに可動式の水冷金属板から成る蓋部材１８を設け、出湯の際にはこの蓋部材１８を取り去ることでるつぼ１１内の融液を出湯させる装置もあった（特許文献２参照）。なお、図３において、１５はるつぼ１１の断熱壁、１６はるつぼ１１の補強材である。
【０００４】
更に、るつぼを装置内にセットした後、機械的な栓機構を使用してるつぼ１１の底部の出湯口１３ａに栓をし、原料溶解と共に栓を引き抜くといった機構とすることも可能である。
【特許文献１】特開平１１−４３３１８号公報
【特許文献２】特開２０００−１０５０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、これら従来の鋳造装置では、シリコン原料を溶解して出湯させるためには、ノズル１３内のシリコン原料を加熱するための第２の加熱手段１４、または可動式の水冷金属板から成る蓋部材１８、若しくは機械的な栓機構といった駆動部が必要であり、且つ、るつぼ１１内のシリコン原料を溶解させて融液を出湯させる際に飛散した融液が加熱装置１６または蓋部材１８に付着し、消耗が激しいといった問題があった。
【０００６】
また、これら従来の溶解装置は、シリコン融液を出湯させるための装置として、第２の加熱手段１４または可動式の水冷金属板から成る蓋部材１８が必要であり、装置が大型化するといった問題もあった。
【０００７】
さらに、これらの従来の鋳造装置では、るつぼ１１内のシリコン原料が完全に融液になったことを確認できないため、るつぼ１１内のシリコン原料を全て溶解して出湯させるには、溶解に十分な時間をかけなければならないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来装置の問題点に鑑みてなされたものであり、シリコン融液を出湯させる際に飛散したシリコン融液が、シリコン融液を出湯させるための装置に付着し、消耗が激しいという問題点、および装置が大型化するという問題点、ならびに溶解に十分な時間がかかるという問題点を解消した溶解装置とそれを用いた溶解方法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】
【０００９】
本発明に係る溶解装置は、るつぼに投入されたシリコン原料を加熱手段で加熱溶解して底部に設けた円形の出湯口から出湯する溶解装置において、前記出湯口の径を１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲としたことを特徴とする。
【００１０】
上記溶解装置では、前記出湯口に、この出湯口の径と同じか、もしくは大きい径の筒状のノズルを垂下して設けることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の溶解方法では、るつぼの上部と側部に加熱手段を設け、このるつぼにシリコン原料を投入して前記加熱手段で加熱溶解して底部に設けた円形の出湯口から出湯する溶解方法において、前記出湯口の径を１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲にするとともに、前記るつぼの上部の加熱手段と側部の加熱手段でるつぼ上部のシリコン原料から下部のシリコン原料へ徐々に溶解して、前記出湯口から出湯することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明に係る溶解装置によれば、溶解したシリコンを出湯する円形の出湯口の径を１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲とすることで、ブロック品質、切断、スライシングに悪影響を及ぼす鋳型底面の急速凝固層をるつぼからの高温融液の供給だけで再溶解させることが可能となり、鋳型加熱手段の駆動による時間、電力コストを削減できると共に、新たな加熱手段の設置による鋳造装置大型化の問題を解決することができる。
【００１３】
さらに、本発明に係る溶解方法によれは、るつぼ内のシリコン原料が完全に融液に変わったところで出湯が開始され、かつ加熱手段を制御してるつぼ内のシリコン原料を上方から徐々に溶解することで、溶解中の融液の漏れ出しを防ぐことから、溶解時間の短縮を図ることができ、必要最小限の電力で溶解を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係る溶解装置の一実施形態を示す断面図であり、１、２はるつぼ、３はるつぼの底部に設けられた円形の出湯口、４は出湯口を塞ぐシリコン原料、５はるつぼの底部に垂下して設けられたノズル、６、７、８は加熱手段であり、９は鋳型である。
【００１５】
るつぼ１、２は、シリコン原料を加熱溶解して融液を鋳型９に注湯するものであり、内側に設けられた石英るつぼ１と外側に設けられたグラファイトるつぼ２から成る。なお、石英るつぼ１で溶解されて鋳型９に注湯されて凝固したシリコン材料は、太陽電池用多結晶シリコン基板材料に用いられる。石英るつぼ１は、投入されたシリコン原料を溶解するものであり、耐火強度と半導体材料中に不純物が拡散しないことを考慮して石英製のものなどが用いられる。石英るつぼ１は高温になると軟化して形を保てないため、グラファイトるつぼ２により石英るつぼ１を保持する。
【００１６】
るつぼ1の材料は、シリコン原料の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解等を生じず、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されないが、通常は高純度の石英やグラファイト等が用いられる。
【００１７】
出湯初期においては、出湯口３を通過する融液は水位に依存する圧力によって押し出されるが、出湯後期には水位による圧力がほとんどなくなるために、自重による落下で出湯口３から流れ出るようになる。従って、無駄なく出湯させるためにはるつぼ１、２の底部はある一定以上の傾斜が必要である。
【００１８】
るつぼ１、２の寸法は、一度に溶解する溶解量に応じたシリコン原料を内包できる寸法である必要がある。シリコン原料の溶解量は、およそ１ｋｇから１５０ｋｇの範囲である。
【００１９】
るつぼ１、２の上部には加熱手段７が設けられ、るつぼ１、２の側部には加熱手段６が設けられている。この加熱手段６、７は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどから成る。
【００２０】
石英るつぼ１の底部には、出湯口３が設けられている。この出湯口３はその径が１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲に形成されている。出湯口３の径が１０ｍｍ以下の場合は、出湯口３からるつぼ１の下部に配置された鋳型９内へシリコン融液が出湯した際、鋳型底部に急速凝固層を形成し、太陽電池用シリコンウェハーとした際に品質を低下させるほか、ブロックの切断、スライシング時にも悪影響を及ぼすため望ましくない。
【００２１】
また、出湯口３の径が５０ｍｍ以上の場合は、出湯口３と出湯口を塞ぐシリコンとの間に隙間ができ、溶解途中に僅かに融液が漏れ出して固まってしまい歩留りを落としてしまうため望ましくない。
【００２２】
以上のような理由から、出湯口３の径は１０ｍｍより大きく、５０ｍｍより小さい範囲とする。
【００２３】
また、出湯口３を塞ぐ原料が最後に溶けることで原料が完全に融液となった瞬間に出湯が開始されることから、溶解後の出湯を効率良く行うことができる。
【００２４】
本発明に係る溶解装置では、ノズル５をるつぼ１の底部から垂下するように設けることが望ましい。
【００２５】
石英るつぼ１の底部には、ノズル５が突出して設けられている。このノズル５は全体が筒状に形成されている。このノズル５も石英などから成り、通常は石英るつぼ１と一体に形成される。なお、石英るつぼ１とは、別体に形成して、石英るつぼ１の底部に取り付けるようにしてもよい。ノズル５は、出湯したシリコン融液の飛散を抑えるためのものであり、ノズル５の形状は、出湯口３から出湯したシリコン融液の落下の方向を妨げない形状であることが望ましい。
【００２６】
次に、シリコン融液の出湯の制御方法を説明する。まず、石英るつぼ１内にシリコン原料を供給する。石英るつぼ１が新品で、出湯口３がシリコン原料で塞がれていない場合は、出湯口３を塞ぐようにシリコン原料で栓をする。次に、ヒーターに通電して加熱手段７を駆動して、石英るつぼ１内の原料を所定温度に加熱して上方から徐々に溶解する。石英るつぼ１内の上方のシリコン原料の一部が融液になったら、加熱手段６を駆動して、シリコン原料の溶解を促進する。上部加熱手段７を駆動した後に、側部加熱手段６を駆動することで、ノズル５の出湯口３に近いシリコン原料は出湯まで低温に保たれ、石英るつぼ１内のシリコン原料が完全に融液に変わるまで、まだ溶けていないシリコン原料の隙間を流れ落ちて来た融液が出湯口３の周囲で凝固する。これで、石英るつぼ１内のシリコン融液は、シリコン原料が完全に融液に変わるまで、石英るつぼ１から流れ落ちにくくなって石英るつぼ１内に保持される。
【００２７】
石英るつぼ１内のシリコン原料が融液に変わり、ノズルを塞いでいるシリコン原料が融液となることで、出湯口３からシリコン融液が下部に配置された鋳型９内へ流れ出す。この時、出湯初期の融液は温度が低く粘性も高いため鋳型９の底部で急速凝固し、品質が悪く、切断、切削性にも悪影響を及ぼす急速凝固層を形成するが、出湯口３の径が１０ｍｍから５０ｍｍの範囲にあると、るつぼ１からの単位時間当たりの高温融液の供給量が増えるため加熱手段を用いずに前記急速凝固層を再溶解し鋳型９底面にシリコン融液が一様に濡れた状態から凝固をさせることができる。
【００２８】
また、本発明による溶解方法においては、シリコン融液はるつぼ１内の上部から下部に向かって流れ落ちるが、溶解の初期段階ではるつぼ１の底部の温度はシリコンを溶解させるのに十分な温度に達していないため、上部から流れ落ちてきたシリコン融液は周囲のシリコン原料にその潜熱を奪われて凝固することから、るつぼ１の底部の出湯口３から出湯されることはない。
【００２９】
また、ノズル５は石英るつぼ１の底部から垂下するように設けられていることから、石英るつぼ１内で溶解されたシリコン融液は石英るつぼ１内のシリコン融液の残量にかかわらず、常に石英るつぼ１の真下の同じ位置に落下する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る溶解装置の一実施形態を示す図である。
【図２】従来の溶解装置を示す図である。
【図３】従来の他の溶解装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１、２・・・るつぼ
３・・・出湯口
４・・・出湯口を塞ぐシリコン原料
５・・・ノズル
６、７、８・・・加熱手段
９・・・鋳型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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