(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に、シリコン融液を収容するルツボと、そのルツボを載置する載置台と、ルツボおよび載置台を包囲する包囲炉と、ルツボ内に収容した固体シリコンを加熱してシリコン融液を生成する加熱部と、包囲炉内に不活性ガスを供給するガス流入ノズルとを備えた結晶シリコン製造装置において、
包囲炉内を流通するガスを排気する排気ポートがチャンバーおよび包囲炉の壁を貫通して設けられており、
前記排気ポートは、包囲炉の周方向に間隔をおいて複数設けられるとともに、包囲炉の壁に対して周方向の一方向に傾斜して配管されていることを特徴とする結晶シリコン製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン融液を冷却して一方向に徐々に凝固させる結晶シリコン製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多結晶シリコン太陽電池は、今日最も多く製造されている太陽電池である。多結晶シリコン太陽電池の発電素子（ソーラー・セル）の最も重要な性能は、エネルギー変換効率である。このエネルギー変換効率は、基板が有する結晶粒界および結晶粒内の結晶の配向性に大きく左右される。これらは、ソーラー・セル内のキャリアの寿命の短縮や移動度の低下の原因となって、エネルギー変換効率を低下させるためである。そのため、エネルギー変換効率を向上させるためには、多結晶シリコンの製造において、その結晶粒界をできるだけ少なくする、言い換えると、結晶粒径をできるだけ大きな結晶粒に成長させること、そして、その結晶粒内の配向性を向上させることが重要である。
【０００３】
多結晶シリコンを製造する方法で代表的なものに、一方向凝固法がある。この方法では、ルツボを配置したチャンバー内にアルゴンガス等の不活性ガスを充満させておき、ルツボに収容した原料の固体シリコンをルツボの上下に配置した加熱手段により加熱してシリコン融液とし、次いで、ルツボの下方の加熱手段の作動を停止するとともに、該ルツボの底部に不活性ガスを吹き付けるようにしながら流通させ、シリコン融液内にルツボの底部から上部方向へ正の温度勾配を付与して、シリコン融液を底部から徐々に冷却・凝固させることにより、結晶を上方へと成長させていく。この方法によれば、太陽電池用ウェハとして十分な数ミリ以上の結晶粒径を有する多結晶シリコンインゴットが得られることが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の一方向凝固法において、シリコンの加熱溶融時、かなりの高温（１０００℃以上）となっているので、そのシリコンと、炉内の主要構成部品であるカーボン材とが不活性ガスを介して高温反応し、ＳｉＣガスが発生する。このＳｉＣガスは、シリコン融液が急冷されると、成長してＳｉＣ結晶となり、炉内の周囲に有害物として付着することから、シリコンインゴットを製造後に炉内に付着したＳｉＣ結晶を清掃しなければならなかった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑み、ＳｉＣガスが結晶化することを防止し、炉内に有害物が付着することのない結晶シリコン製造装置を提供するのを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては、以下の手段を採用した。
すなわち、本発明では、チャンバー内に、シリコン融液を収容するルツボと、そのルツボを載置する載置台と、ルツボおよび載置台を包囲する包囲炉と、ルツボ内に収容した固体シリコンを加熱してシリコン融液を生成する加熱部と、包囲炉内に不活性ガスを供給するガス流入ノズルとを備えた結晶シリコン製造装置において、包囲炉内を流通するガスを排気する排気ポートがチャンバーおよび包囲炉の壁を貫通して設けられており、前記排気ポートは、包囲炉の周方向に間隔をおいて複数設けられるとともに、包囲炉の壁に対して周方向の一方向に傾斜して配管されていることを特徴とする。
【０００７】
包囲炉内に流入したアルゴンガス等の不活性ガスは、シリコンとの反応によるＳｉＣガスを生成したとしても、包囲炉内に直接接続された排気ポートから排気されるので、ＳｉＣガスが包囲炉内に滞留せず、そのＳｉＣガスを確実に除去することができる。
【０００８】
また、冷却時、包囲炉内に流入したＳｉＣガスが、傾斜する排気ポートにより旋回流を形成しながら排気されることとなり、包囲炉内での滞留を効果的に防止して、ＳｉＣガスの排気を極めて良好に行うことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
結晶シリコン製造装置１は、図１及び図２に示すように、チャンバー２内に、シリコン融液３を収容するルツボ４と、そのルツボ４を載置する載置台５と、ルツボ４および載置台５を包囲する包囲炉６と、包囲炉６内でルツボ４の上方位置および下方位置に各々配置され、固体シリコン３ａを加熱してシリコン融液３を生成する上加熱部７ａ，下加熱部７ｂとが設けられている。
【００１０】
チャンバー２を構成する壁の内部には中空部２ａが形成され、そこに冷却水を流すことによって、個体シリコン３ａの溶融後のチャンバー２およびその内部の冷却を効率的に行えるようになっている。載置台５は断熱材５ａを介しルツボ４を載置している。
【００１１】
包囲炉６は、図２に示すように、複数の断熱材により天板部６１と底板部６２とそれらの周囲を囲む側板部６３とを有して形成され、例えば正面から見て図１に示す如き円筒状で、かつ側面から見て図２に示すように四角の形状をなしている。該包囲炉６を囲むチャンバー２も、図１に示すように正面から見ると円筒状に形成され、包囲炉６との隙間を小さなものとしている。また、包囲炉６の下部には支持部６４が相対向して設けられ、この支持部６４上にチルプレート８を介し載置台５を支持している。
包囲炉６の天板部６１には、この天板部６１を貫通して流入ノズル２０が配管されている。流入ノズル２０は不活性ガスであるアルゴンガスを包囲炉６内に流入させるものであり、チャンバー２の外部に設置され、昇降機構２０ａの駆動により、シリコン融液３に対する距離を変更できるようになっている。
【００１２】
上加熱部７ａおよび下加熱部７ｂは、ルツボ４の長さ方向に沿って複数配設されたヒータで構成されている。また、下加熱部７ｂは、チルプレート８より下方位置にあって、かつ包囲炉６の支持部６４の間に配設されている。
【００１３】
そして、包囲炉６には載置台５の下方位置に下開口９が形成され、その下開口９を開閉する下部開閉機構１０を有している。この下部開閉機構１０は、下開口９を開閉するシャッター１１と、このシャッター１１を包囲炉６の底板部６２の底面に沿い互いに離間する方向に開動作させるアクチュエータ１２とを具備し、固体シリコン３ａの加熱時、アクチュエータ１２の駆動によりシャッター１１が下開口９を閉じた状態にしておき、シリコン融液３の冷却時、アクチュエータ１２の駆動を解除し、シャッター１１を開くようにしている。このシャッター１１も断熱機能を果たせるようカーボンで形成されている。
【００１４】
包囲炉６のシャッター１１の下方位置に吸熱板１３が設けられている。吸熱板１３は、包囲炉６内の輻射熱を吸熱するためのものであって、チャンバー２の下部において下開口９およびシャッター１１と対向する位置に取付けられ、カーボンで形成されている。
また、吸熱板１３は、チャンバー２内を流通する冷却水用の冷却水路１４を形成している。即ち、吸熱板１３はチャンバー２の底面と適宜の空間をもって配置されており、冷却水路１４は、チャンバー２内の中空部２ａ及びチャンバー２の底面と吸熱板１３との間の空間によりチャンバー２内全体を包囲するように形成されている。
なお、チャンバー２の底部にはチャンバー２及び吸熱板１３を貫通する冷却ノズル２１が設けられている。冷却ノズル２１は、シリコン融液３の冷却時、アルゴンガスをチルプレート８に向けて吹き付けるように包囲炉６内に下方から流入する。
【００１５】
さらに、包囲炉６には、図２に示すように、側板部６３の上部に上開口１５が設けられ、この上開口１５を開閉する上部開閉機構１６をも有している。この上部開閉機構１６は、側板部６３の外面にヒンジを介し開閉可能に取付けられた開閉扉１７と、この開閉扉１７にピポット継手１９を介し連結されたアクチュエータ１８とを具備している。そして、固体シリコン３ａの加熱時には、開閉扉１７が図２に示す実線の如く側板部６３の上開口１５を閉じた状態にしておき、シリコン融液３の冷却時、アクチュエータ１８の駆動により、開閉扉１７を鎖線に示す如く開くようにしている。
【００１６】
またさらに、包囲炉６およびチャンバー２の上部には排気ポート２２が配管されている。この排気ポート２２は、シリコン融液３の冷却時、下方から包囲炉６内にアルゴンガスが流入したとき、そのガスＡが包囲炉６内に滞留するのを防ぐよう、包囲炉６およびチャンバー２内のガスＡを吸引するためのものであって、図１，図３に示すように、包囲炉６の側板部６３を貫通して配管された四本の包囲炉用ポート部２２ａ，２２ｂと、チャンバー２内の前記上開口１５に臨む位置に配管された二本のチャンバー用ポート部２２ｃとからなっている。
本例の包囲炉用ポート部２２ａ，２２ｂは、図３に示すように、包囲炉６の周囲に沿い適宜の角度でそれぞれ同一方向に傾斜して配管され、またチャンバー用ポート部２２ｂも包囲炉用ポート部２２ａに準じた角度で傾斜して配管されている。
なお、図１において、２３は観察用のビューポート、２４は温度センサー、２５は上，下加熱部７ａ，７ｂの配線類を通すポートである。
【００１７】
上記構成の結晶シリコン製造装置１を用いて、結晶シリコンを製造する場合には、まず、ルツボ４内に原料のチップ状の固体シリコン３ａを収容する。このとき、下部開閉機構１０のシャッター１１が図１に示す如く下開口９を閉じると共に、上部開閉機構１６の開閉扉１７が包囲炉６の上開口１５を閉じておく。
次いで、包囲炉６内に流入ポート２０からアルゴンガスを流入し、所定圧のガス雰囲気に保ち、その状態で上加熱部７ａ，下加熱部７ｂをオンして包囲炉６内を昇温させ、溶融温度に達した時点でルツボ４内の固体シリコン３ａが溶融することにより、シリコン融液３が生成される。因みに、シリコンの溶解温度は１４８０℃である。
そして、シリコン融液３が生成されると、このシリコン融液３を冷却することにより、シリコンが凝固して結晶化されることとなる。
【００１８】
上記冷却に際し、ルツボ４内のシリコン融液３を下部から上方へ一方向に凝固させるため、上加熱部７ａを作動状態のままとして下加熱部７ｂの作動を停止した後、下部開閉機構１０によりシャッター１１を開くと、包囲炉６内の熱が下開口９から吸熱板１３に吸熱される。これにより、包囲炉６内はシリコンの溶融温度から１０００℃程度まで降下する。
【００１９】
また上記冷却時、チャンバー２の中空部２ａには冷却水が流通していることにより、包囲炉６内の熱が吸熱板１３からチャンバー２，チャンバー２内の冷却水に伝わる。
この場合、冷却ポート２１によりアルゴンガスが下方から流入し、チルプレート８側を冷却しながら上昇する一方、包囲炉内のアルゴンガスが包囲炉用ポート部２２ａ，２２ｂから排気されることにより、包囲炉６内の熱をアルゴンガスとともに排出する。
【００２０】
そうして包囲炉６内の下部が１０００℃以下に降下すると、ルツボ４内のシリコン融液３が凝固し始める。このシリコン融液３が凝固し始めると、上加熱部７ａの作動も停止することにより、ルツボ４内のシリコン融液３が下部から上部にかけて徐々に凝固する。
さらに、上部開閉機構１６の開閉扉１７を開き、包囲炉６内の熱を上開口１５からもチャンバー２と包囲炉６との間の空間に放散させることにより、包囲炉６内の全体がアルゴンガスの吸熱によって冷却される。この場合、包囲炉６内のガスが上開口１５からチャンバー２内に流入するが、チャンバー２内の空間を経由してチャンバー用ポート部２２ｃから排気される。
【００２１】
本実施形態においては、シリコン融液３の冷却時、冷却ポート２１から包囲炉６内に流入したガスが吸熱しながら上昇するが、図３に示す矢印Ａの如く、包囲炉用ポート部２２ａ，２２ｂから排気するので、包囲炉６内でＳｉＣガスが発生しても、ＳｉＣガスが包囲内６に滞留せず、そのＳｉＣガスを確実に除去することができる。
【００２２】
また冷却時、上部開閉機構１６によって包囲炉６の上開口１５が開くと、包囲炉６内のガスが上開口１５からチャンバー２内に流入するが、チャンバー２内の上開口１５に臨む位置にもチャンバー用ポート部２２ｃが配管されているので、図３に示す矢印Ｂの如く、チャンバー２内に流入したＳｉＣガスをもチャンバー用ポート部２２ｃから確実に排気し、かつ除去することができる。
【００２３】
したがって、シリコン融液３の冷却時、包囲炉６内に発生したＳｉＣガスを除去することができるばかりでなく、包囲炉６からチャンバー２内に流入したＳｉＣガスをも除去するので、冷却時にＳｉＣガスが結晶化するのを防ぎ、従来技術のように周辺に有害物として付着するのを防止することができる。これにより、多結晶シリコンインゴットを製造する度に清掃する手間等を省くこともできる。
【００２４】
しかも、包囲炉用ポート部２２ａ，２２ｂが包囲炉６の周囲に沿いそれぞれ同一方向に傾斜して配管されると共に、チャンバー用ポート２２ｃも同様に傾斜して配管されているので、これら各ポート部２２ａ，２２ｂ，２２ｃにより、包囲炉６，チャンバー２内のガスが図３の矢印Ａの如く、旋回流となって排気されることとなり、包囲炉６内でのガスの滞留を効果的に防止して、ＳｉＣガスの排気を極めて良好に行うことができる。
【００２５】
なお、図示実施形態において、排気ポートとしての包囲炉用ポート部２２ａ，２２ｂ，およびチャンバー用ポート部２２ｃの傾斜角度がそれぞれ異なるように示したが、ＳｉＣガスを除去し得る角度であれば図示例に限定されるものではない。また、チャンバー２と包囲炉６とを正面視円筒状に形成して、両者の隙間を小さなものとするようにしているが、円筒状に限らず、角筒状等、両者を相似形の断面形状にすればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、、包囲炉に直接排気ポートを接続したので、シリコン融液の冷却時に包囲炉内でＳｉＣガスが発生しても、そのＳｉＣガスを確実に除去することによって冷却時にＳｉＣガスが包囲炉内で結晶化することを防ぎ、周辺に有害物として付着するのを防止することができ、シリコンインゴットを製造する度に清掃する等の手間を省くこともできる効果がある。
【００２７】
また、包囲炉の周方向に間隔をおいて、かつ包囲炉の壁に対して周方向の一方向に傾斜して複数の排気ポートを配管した構成としたので、包囲炉内のガスを旋回流としながら排気することができ、包囲炉内でのガスの滞留を効果的に防止して、ＳｉＣガスの排気を極めて良好に行うことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による結晶シリコン製造装置の一実施形態を示す正断面図である。
【図２】  図１の側断面図である。
【図３】  排気ポートの配置例を示す図１のＸ−Ｘ線断面に相当する一部を省略した平断面図である。
【符号の説明】
１  結晶シリコン製造装置
２  チャンバー
３  シリコン融液
４  ルツボ
５  載置台
６  包囲炉
９  下開口
１０  下部開閉機構
１１  シャッター
１２  アクチュエータ
１３  吸熱板
１５  上開口
１６  上部開閉機構
１７  開閉扉
１８  アクチュエータ
２２  排気ポート
２２ａ，２２ｂ  包囲炉用ポート部
２２ｃ  チャンバー用ポート部
【図１】
0004444483.tif 000002
【図２】
0004444483.tif 000003
【図３】
0004444483.tif 000004