(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、包囲炉内でルツボの上方位置および下方位置に各々配置され、固体シリコンを加熱してシリコン融液を生成する上，下加熱部とを備えた結晶シリコン製造装置において、
包囲炉の底部に形成された下開口を開閉する下部開閉機構と、前記下開口を介し包囲炉内の熱を吸熱する吸熱板とを有し、
前記吸熱板は、チャンバーと共に、チャンバー内を流通する冷却水用の冷却水路を形成していることを特徴とする結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記下加熱部は、前記包囲炉の下開口と対向する位置を避けるよう間隔を空けて配設されていることを特徴とする請求項１記載の結晶シリコン製造装置。
【請求項３】
前記包囲炉の側板部に形成された上開口を開閉する上部開閉機構を有することを特徴とする請求項１または２に記載の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】
しかしながら、上記の一方向凝固法を採用する従来技術は、冷却時、加熱手段による制御とアルゴンガス等の不活性ガスの流通による吸熱とを行ってシリコン融液を冷却しているものの、これらの冷却だけではシリコン融液の固化に限界があり、冷却に長時間かかるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑み、シリコン融液の冷却時間のより短縮化を図ることができる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。
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、包囲炉内でルツボの上方位置および下方位置に各々配置され、固体シリコンを加熱してシリコン融液を生成する上，下加熱部とを備えた結晶シリコン製造装置において、包囲炉の底部に形成された下開口を開閉する下部開閉機構と、前記下開口を介し包囲炉内の熱を吸熱する吸熱板とを有し、前記吸熱板は、チャンバーと共に、チャンバー内を流通する冷却水用の冷却水路を形成していることを特徴とする。
【０００７】
このように、包囲炉の下開口を開閉する下部開閉機構、および下部開閉機構の下方に配置された吸熱板を有することにより、下開口が開いたとき、吸熱板が包囲炉内の熱を下開口を通して吸熱するので、包囲炉内の冷却効率が高まり、冷却時間を確実に短縮化させることができる。また、前記吸熱板は、チャンバーと共に、チャンバー内を流通する冷却水用の冷却水路を形成しており、冷却水が吸熱板を冷却することにより吸熱板の吸熱作用を助長するので、その吸熱作用を良好に保つことができる。
【０００８】
請求項２記載の本発明では、前記下加熱部は、前記包囲炉の下開口と対向する位置を避けるよう間隔を空けて配設されており、吸熱板による吸熱を阻害することなく、冷却効果を高めることができる。
【００１０】
請求項３記載の本発明では、前記包囲炉の側板部に形成された上開口を開閉する上部開閉機構を有することを特徴とする。
上部開閉機構による開動作により、包囲炉内の上部側からも放熱されるので、冷却時間の短縮化がいっそう高まる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。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の外部に設置された昇降機構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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、図１に示すように、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、図３に示すように、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、そのガスを排気するためのものである。
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。
【００２０】
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、上部開口部１６の開閉扉１７が包囲炉６の開口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を作動して包囲炉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、シリコン溶液３が生成されると、このシリコン溶液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。
【００２１】
上記冷却に際し、ルツボ４内のシリコン溶液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を図３に示す如く開くと、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。
【００２２】
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内の冷却水に伝わる。
この場合、冷却ノズル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側を冷却する一方、包囲炉内のアルゴンガスが排気ポート２２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。
【００２３】
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。
【００２４】
本実施形態では、包囲炉６の下開口９を開閉する下部開閉機構１０、および下部開閉機構１０のシャッター１１の下方に配置された吸熱板１３を有し、シャッター１１が開いたとき、吸熱板２が包囲炉６内の熱を下開口９を介して吸熱するようにしているので、包囲炉６内の冷却効率が高まり、冷却時間を確実に短縮化させることができる。
【００２５】
しかも、吸熱板１３がチャンバー２の下部壁と共に冷却水路１４を形成し、冷却水が吸熱板１３を冷却することにより吸熱板１３の吸熱作用を助長するので、吸熱板１３の吸熱作用を良好に保つことができる。
【００２６】
また、包囲炉６には下部開閉機構１０のみならず、上部開閉機構１６も設けられ、包囲炉６内の上部側も吸熱するので、冷却時間の短縮化がいっそう高められる。しかも、冷却ノズル２１によって包囲炉６に下開口９よりアルゴンガスを流入させると共に、排気ポート２２から包囲炉６内の上部の熱を排気するので、これによってなおいっそうの短縮化を図ることもできる。
【００２７】
さらに、下加熱部７ｂは、下開口９と対向する位置を避けるよう、互いに間隔を空けて配設されているので、吸熱板１３による吸熱作用を下加熱部７ｂが阻害することなく、冷却効果を高めることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１記載の発明によれば、包囲炉の下開口を開閉する下部開閉機構、および下開口の下方に配置された吸熱板を有し、下開口が開いたとき、吸熱板が包囲炉内の熱を下開口を介して吸熱するようにしているので、包囲炉内の冷却効率が高まり、冷却時間を確実に短縮化させることができる効果がある。また、冷却水が吸熱板を冷却することにより吸熱板の吸熱作用を助長するので、吸熱板の吸熱作用を良好に保つことができる。
【００２９】
請求項２記載の発明によれば、下加熱部が互いに間隔を空けて配設されていると、これによっても冷却効果を高めることができる。
【００３１】
請求項３記載の発明によれば、上部開閉機構による開動作により、包囲炉内の上部側も吸熱されるので、冷却時間の短縮化がいっそう高まる。
【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の結晶シリコン製造装置の側断面図である。
【図３】  下部開閉機構により下開口を開いた状態を示す要部の正断面拡大図である。
【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
１６  上部開閉機構
１７  開閉扉
１８  アクチュエータ
【図１】
0004444482.tif 000002
【図２】
0004444482.tif 000003
【図３】
0004444482.tif 000004