(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却プレートを用いてルツボに溶融したシリコンを凝固させることにより、均一な結晶粒を形成する太陽電池用の多結晶シリコンインゴットを製造するための装置を提供する。【解決手段】多結晶シリコンインゴットの製造装置は、シリコンを溶融するためのルツボ２３０と、前記ルツボの高さを調節するための移送軸２５１と、前記ルツボ２３０を加熱するためのヒーター２２１，２２２と、前記ルツボ２３０の下部に位置して前記ルツボを冷却するための冷却プレート２６０とを含む。【選択図】図２
2007332022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン溶融するためのルツボと、
前記ルツボの高さを調節するための移送軸と、
前記ルツボを加熱するためのヒーターと、
前記ルツボの下部に位置して前記ルツボを冷却するための冷却プレートと
を含む多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項２】
前記移送軸は、前記ルツボの下部に取り付けた受け台の角部に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項３】
前記ヒーターは、前記ルツボの前面に設けられる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項４】
前記ヒーターは、前記ルツボの下部に位置し、かつ複数個で形成され、水平に移動可能である
ことを特徴とする請求項３に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項５】
前記冷却プレートの内部は、流体冷媒を用いる
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【請求項６】
前記ルツボ、前記移送軸、前記ヒーター及び前記冷却プレートは、ポンプにより真空状態にされるチャンバ内に設けられる
ことを特徴とする請求項５に記載の多結晶シリコンインゴットの製造装置。
【請求項７】
前記チャンバの壁面内部には、冷却水が流れるための管が形成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の多結晶シリコンインゴットの製造装置。
【請求項８】
前記ヒーターの周りには、熱の損失を防止するための複数の断熱板が設けられる
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴットの製造装置。
【請求項９】
前記断熱板は、前記ルツボの下部に位置し、かつ複数個で形成され、水平に移動移動可能である
ことを特徴とする請求項８に記載の多結晶シリコンインゴット製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンインゴット製造装置に関し、より詳しくは、太陽電池として使用される多結晶シリコンインゴットを製造するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、毎年数十％に至る太陽電池の需要の増加につれ、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットの需要も同様に毎年大幅に増加している。一般的に、太陽電池用の多結晶シリコンインゴットは、石英又は黒鉛ルツボに原料シリコンを充填してから溶融及び方向性凝固の過程により製造される。
【０００３】
図１は、従来のシリコンインゴット製造装置の断面図である。
【０００４】
既存のシリコンインゴット製造装置は、内部にホットゾーン(Hot zone)が形成されるチャンバからなる本体１４０と、原料シリコンを入れる石英又は黒鉛ルツボ１７０と、石英又は黒鉛ルツボ１７０を支持するための支持手段(図示せず)と、原料シリコンの溶融のための輻射熱エネルギーを提供するためにルツボ１７０の周辺に配置される組立型の四角ヒーター１１０と、ルツボ１７０周囲に放出される熱を遮断するためにルツボ１７０及び組立型の四角ヒーター１１０の周囲に配置される断熱部材１９０と、装置の温度制御のために冷却水の入口ライン１５０及び冷却水の出口ライン１８０を有する冷却ジャケット１６０とを備えてなる。従って、石英又は黒鉛ルツボの内部にルツボ保護層をコーティングして原料シリコンを充填した後、ルツボと完成済みの組立型の四角ヒーターをキャスティング装置に組み立てる(例えば、特許文献１参照)。
【０００５】
このようにルツボと組立型の四角ヒーターとをキャスティング装置の内部に設けた後、真空をかけて装置内の空気を除去し、真空状態の装置内にアルゴンガスを供給して内部の圧力を常圧にする。こうした過程を３回以上繰り返す。装置壁面の冷却のために冷却水を供給し、続けて組立型の四角ヒーター側に電源を供給してルツボ内部の温度を１,４５０℃以上に加熱した後、このような状態を２時間以上維持する。また、ルツボ内部の充填シリコンが完全溶融すれば、組立型の四角ヒーター側に提供される電源を制御してルツボ下部から上部の方への冷却を行う。
【０００６】
しかしながら、ヒーターに提供される電源の制御のみではルツボの下部からの冷却が一定ではないことから、均一な結晶成長が困難であり、インゴット物性の不均一性をもたらす欠点がある。
【０００７】
また、従来には、より改善された温度制御のためにルツボ１７０を上下に移動可能にするためにルツボの受け台の中心部に移送軸を備えたものがあるが、ルツボ１７０に加えられた熱が移送軸を通じて外部に逃げて損失される問題点がある (例えば、特許文献２、３参照)
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６,１３６,０９１号明細書
【特許文献２】特開平１１−０９２２８４号公報
【特許文献３】特開平１１−１１６３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記の如く問題点を解決するために、本発明は、冷却プレートを用いて、ルツボに溶融したシリコンを凝固させることにより、均一な結晶粒を形成することができる太陽電池用の多結晶シリコンインゴットを製造するための装置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】
【００１０】
本発明の多結晶シリコンインゴット製造装置は、シリコンを溶融するためのルツボと、前記ルツボの高さを調節するための移送軸と、前記ルツボを加熱するためのヒーターと、前記ルツボの下部に位置して前記ルツボを冷却するための冷却プレートとを含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の多結晶シリコンインゴット製造装置によれば、冷却プレートを用いてルツボに溶融したシリコンを凝固させることにより、欠陥が少なく、かつ均一な結晶粒が形成される太陽電池用多結晶シリコンインゴットを製造することができるという顕著で有利な効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を詳細に説明する。まず、本明細書及び特許請求の範囲に使用された用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味で限定して解釈してはならず、発明者は自分自身の発明を最も良い方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づいて、本発明の技術的思想に符合する意味と概念として解釈すべきである。
【００１３】
従って、本明細書に記載された実施の形態と図面に示された構成は、本発明の最も好適な一実施の形態に過ぎないものであり、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる様々な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
【００１４】
図２は、本発明による多結晶シリコンインゴット製造装置の分解斜視図である。
【００１５】
Ｏリング型のチャンバ２１０内にシリコンを溶解するためのルツボ２３０が位置している。チャンバ２１０の壁面内部には管が形成されていて、冷却水ライン(図示せず)から供給された冷却水が流れている。また、温度センサーが備えられてチャンバの温度を測定することができる。
【００１６】
本発明によると、チャンバ２１０内に真空を形成するためのポンプとしてブースタポンプ及びロータリーポンプを使用することができる。なお、適切な真空度を保持するための粗引きバルブ(roughing valve)とスロットルバルブ(throttle valve)を用いている。
【００１７】
ルツボ２３０の下部には炭素素材の受け台２４０があり、ルツボ２３０を加熱するためにルツボ２３０の前面に第１及び第２ヒーター２２１、２２２が備えられている。ヒーターは、チャンバの外部から連結された電源供給装置(図示せず)と連結されていて、供給された電源により熱を発する。熱はヒーターの付近に備えられた複数の温度センサーを通じて制御部に表示される。受け台２４０の下部にはルツボ２３０を上下に移動させるために第１移送軸２５１が備えられている。第１移送軸２５１は、受け台２４０の４箇所の角部に備えられている。一般的に、受け台の中心部に移送軸を備えた場合、ルツボ２３０に加えられた熱が移送軸を通じて外部に逃げて損失するが、受け台の角部に移送軸２５１を備える場合は、こうした熱損失を極力抑えることができる利点がある。ルツボ２３０の下部にある第２ヒーター２２２は、開閉可能な二つのヒーターからなり、ルツボ２３０の加熱時には閉鎖されているが、加熱を完了した後、冷却を行うために第１移送軸２５１の作動によりルツボ２３０が下向きに移動する前に、水平に作動する移送ジグ２８０により互いに隣接したチャンバの壁面に移動することにより開放される。
【００１８】
第２ヒーター２２２の下部は、第２ヒーター２２２と同様に水平に作動する移送ジグ２８０により開閉可能な二つの断熱板２１２からなっていることから、第１移送軸２５１によりルツボ２３０が下部に移動する前に、第２ヒーター２２２と同様に水平に移動することにより開放される。
【００１９】
第２断熱板の下部には冷却プレート２６０が備えられており、加熱されたルツボ２３０を冷却させる。冷却プレート２６０を使用すると、冷却速度を加速させて冷却効率を極大化することができる。つまり、冷却速度を適切に調節することにより、溶融シリコンの凝固工程の最適化を図ることができる。
【００２０】
本発明による他のチャンバは、制御板によりチャンバ内の真空度、ヒーターの温度、チャンバの温度、加熱時間及び各構成を自動に制御することができる。
【００２１】
図３乃至図７は、溶融したシリコンを冷却させる工程を示すものである。
【００２２】
まず、チャンバ２１０内に備えられたルツボ２３０に高純度のシリコン原料を装入してチャンバ２１０を密閉させる。
【００２３】
本発明の実施の形態によると、シリコン原料以外にｎ型又はｐ型の不純物を共に添加して多結晶シリコンの電気的特性を制御することができる。
【００２４】
密閉されたチャンバ２１０内部は、ポンプとバルブを用いて１０-２乃至１０-４torr範囲の真空度を保持する。次に第１及び第２ヒーター２２１、２２２を作動してルツボ２３０を加熱する。ルツボ２３０が加熱されると、装入されたシリコンは次第に溶融し始める。溶融が完了すると、さらにルツボ２３０を冷却させて溶融したシリコン２７０を凝固させる必要がある。
【００２５】
図３に示すように、冷却プレート２６０を用いて溶融したシリコン２７０を凝固させるために、先ず、第１ヒーター２２１の温度は下げ、第２ヒーター２２２は電源を遮断する。次に、第２移送軸２５２を作動させて第３断熱板２１３を下部に移動することにより、第２ヒーター２２２と第２断熱板２１２を露出させる。露出したところにルツボ２３０の熱が放出されながら溶融したシリコン２７０の部分凝固が始まる。
【００２６】
この際に、図４に示すように、第１断熱板２１１と第３断熱板２１３との間に形成された空間に移送ジグ２８０を作動させて第２ヒーター２２２と第２断熱板２１２を水平に動かして開放する。
【００２７】
本発明による断熱板２１１、２１２、２１３は、複数層に形成することにより、ルツボの冷却速度を調節することができる。
【００２８】
次に、図５に示すように、ルツボ２３０の下部に取り付けられた受け台２４０に冷却プレート２６０を接触させた後、第１移送軸２５１を動かす方式を取る。
【００２９】
本発明による冷却プレート２６０は内部に流体冷媒、例えば、冷却水が流れる水冷式を用いることができる。冷却プレート２６０を用いてルツボ２３０の下部の冷却を促進すると、溶融したシリコン２７０は、冷却プレートが接しているルツボの下部から凝固し始めて上部方向に進行する。この際、冷却速度は、上下への移送軸２５１、２５２の移送速度、冷却プレート２６０内へ流れる冷媒の温度、ヒーターの温度などを調節することで制御される。ルツボ２３０は、冷却プレート２６０により冷却すると共に下降し、同時に冷却の極大化が進行し、第３断熱板２１３と接触する。冷却プレート２６０により溶融したシリコン２７０の凝固が完了すると、再びルツボ２３０を上部へ移送し、追加して第１及び第２ヒーター２２１、２２２を加熱して９００℃乃至１２００℃でアニーリング工程を行う。
【００３０】
本発明によるアニーリング工程は、溶融したシリコン２７０が凝固しつつ結晶成長する過程で熱応力などにより発生する多結晶シリコン内の各種欠陥を最小化するに役立つ。
【００３１】
アニーリング工程が完了すると、図７に示すように、チャンバ２１０内にパージガスを注入し、チャンバ２１０内の圧力が常圧に至ると、チャンバ２１０を開放して凝固した試料を取り出す。
【００３２】
本発明の実施の形態によれば、多結晶シリコンインゴットを形成するためにシリコンシード(seed)を用いた場合、結晶成長面において、面１１１を中心とする多結晶シリコンの製造が可能で、面１１１の法線から３０°以内の面を中心とする結晶が４０％以上を占める多結晶シリコンも製造することができる。
【００３３】
前述した過程は、制御部に入力した設定値により自動的に行われる。
【００３４】
以上、好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲内で、当該発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者によって各種変更及び修正が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来のポリシリコンインゴット製造装置の断面図。
【図２】本発明による多結晶シリコンインゴット製造装置の断面図。
【図３】本発明によるインゴット製造装置の工程順序図。
【図４】本発明によるインゴット製造装置の工程順序図。
【図５】本発明によるインゴット製造装置の工程順序図。
【図６】本発明によるインゴット製造装置の工程順序図。
【図７】本発明によるインゴット製造装置の工程順序図。
【符号の説明】
【００３６】
２１０    チャンバ
２１１    第１断熱板
２１２    第２断熱板
２１３    第３断熱板
２２１    第１ヒーター
２２２    第２ヒーター
２３０    ルツボ
２４０    受け台
２５１    第１移送軸
２５２    第２移送軸
２６０    冷却プレート
２７０    溶融シリコン
２８０    移送ジグ
【図１】
2007332022.tif 000003
【図２】
2007332022.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007332022.tif 000006
【図５】
2007332022.tif 000007
【図６】
2007332022.tif 000008
【図７】
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