(57)【要約】【課題】ｎ型シリコンインゴットを電磁鋳造する際に、蒸発し易いドーパントを用いる場合であっても、インゴットの長手方向で抵抗率を均一化することができる電磁鋳造方法を提供する。【解決手段】チャンバー１内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボ７にシリコン原料１１およびドーパントを投入し、ルツボ７を囲繞する誘導コイル８からの電磁誘導加熱によりシリコン原料１１およびドーパントを溶解させ、この溶融シリコン１２をルツボ７から引き下げながら凝固させてｎ型のシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法において、チャンバー１内を常圧よりも高い圧力に維持して電磁鋳造を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料およびドーパントを投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料およびドーパントを溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてｎ型のシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法において、
チャンバー内を常圧よりも高い圧力に維持して電磁鋳造を行うことを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造方法。
【請求項２】
前記ドーパントとしてアンチモンを用いることを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの電磁鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁誘導を利用して、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法に関し、特に、ｎ型のシリコンインゴットを電磁鋳造するのに適したシリコンインゴットの電磁鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池の基板には、多結晶のシリコンウェーハを用いるのが主流である。その多結晶シリコンウェーハは、一方向性凝固のシリコンインゴットを素材とし、このインゴットをスライスして製造される。従って、太陽電池の普及を図るには、シリコンウェーハの品質を確保するとともに、コストを低減する必要があるため、その前段階で、シリコンインゴットを高品質で安価に製造することが要求される。この要求に対応できる方法として、例えば、特許文献１に開示されるように、電磁誘導を利用した連続鋳造方法（以下、「電磁鋳造方法」ともいう）が実用化されている。
【０００３】
図４は、電磁鋳造方法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、電磁鋳造装置はチャンバー１を備える。チャンバー１は、内部を外気から隔離し鋳造に適した不活性ガス雰囲気に維持する二重壁構造の水冷容器である。チャンバー１の上壁には、原料供給ホッパー２が連結されている。チャンバー１は、上部に不活性ガス導入口５が設けられ、下部の側壁に排気口６が設けられている。
【０００４】
チャンバー１内には、無底冷却ルツボ７、誘導コイル８およびアフターヒーター９が配置されている。冷却ルツボ７は、溶解容器としてのみならず、鋳型としても機能し、熱伝導性および導電性に優れた金属（例えば、銅）製の角筒体であり、チャンバー１内に吊り下げられている。この冷却ルツボ７は、上部と下部を残して縦方向に図示しないスリットが複数形成され、このスリットにより周方向で複数の短冊状の素片に分割されており、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【０００５】
誘導コイル８は、冷却ルツボ７を囲繞するように、冷却ルツボ７と同芯に周設され、図示しない電源装置に接続されている。アフターヒーター９は、冷却ルツボ７の下方に冷却ルツボ７と同芯に複数連設され、冷却ルツボ７から引き下げられるシリコンインゴット３を加熱し、その軸方向に適切な温度勾配を与える。
【０００６】
また、チャンバー１内には、原料供給ホッパー２の下方に原料導入管１０が配設されている。粒状や塊状のシリコン原料１１が原料供給ホッパー２から原料導入管１０に供給され、原料導入管１０を通じて冷却ルツボ７内に投入される。
【０００７】
チャンバー１の底壁には、アフターヒーター９の真下に、インゴット３を抜き出すための引出し口４が設けられ、この引出し口４はシールされている。インゴット３は、引出し口４を貫通して下降する支持台１４によって支えられながら引き下げられる。
【０００８】
冷却ルツボ７の真上には、プラズマトーチ１３が昇降可能に設けられている。プラズマトーチ１３は、図示しないプラズマ電源装置の一方の極に接続され、他方の極は、インゴット３側に接続されている。このプラズマトーチ１３は、下降により冷却ルツボ７の上部に挿入される。
【０００９】
このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造方法では、冷却ルツボ７にシリコン原料１１を投入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、冷却ルツボ７の上部に挿入したプラズマトーチ１３に通電を行う。このとき、冷却ルツボ７を構成する短冊状の各素片が互いに電気的に分割されていることから、誘導コイル８による電磁誘導に伴って各素片内で渦電流が発生し、冷却ルツボ７の内壁側の渦電流が冷却ルツボ７内に磁界を発生させる。これにより、冷却ルツボ７内のシリコン原料１１は電磁誘導加熱されて溶解し、溶融シリコン１２が形成される。また、プラズマトーチ１３と溶融シリコン１２との間にプラズマアークが発生し、プラズマアーク加熱によっても、シリコン原料１１が加熱されて溶解し、電磁誘導加熱の負担を軽減して効率良く溶融シリコン１２が形成される。
【００１０】
溶融シリコン１２は、冷却ルツボ７の内壁の渦電流に伴って生じる磁界と、溶融シリコン１２の表面に発生する電流との相互作用により、溶融シリコン１２の表面の内側法線方向に力（ピンチ力）を受けるため、冷却ルツボ７と非接触の状態に保持される。冷却ルツボ７内でシリコン原料１１を溶解させながら、溶融シリコン１２を支える支持台１４を徐々に下降させると、誘導コイル８の下端から遠ざかるにつれて誘導磁界が小さくなることから、発熱量およびピンチ力が減少し、さらに冷却ルツボ７からの冷却により、溶融シリコン１２は外周部から凝固が進行する。そして、支持台１４の下降に伴ってシリコン原料１１を冷却ルツボ７内に逐次投入し、溶解および凝固を継続することにより、溶融シリコン１２が一方向に凝固し、インゴット３を連続鋳造することができる。
【００１１】
鋳造中、チャンバー１の上部の不活性ガス導入口５から不活性ガスが逐次供給され、チャンバー１内の不活性ガスは、チャンバー１の下部側壁の排気口６から逐次排出される。これにより、チャンバー１内は常圧（１０１．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））の不活性ガス雰囲気に維持される。
【００１２】
このような電磁鋳造方法によれば、溶融シリコン１２と冷却ルツボ７との接触が軽減されるため、その接触に伴う冷却ルツボ７からの不純物汚染が防止され、高品質のインゴット３を得ることができる。しかも、連続鋳造であることから、安価にインゴット３を製造することが可能になる。
【００１３】
ところで、現在実用化されている多結晶シリコン型の太陽電池は、ｐ型半導体を基板とし、その上にｎ型半導体層を形成した構造である。したがって、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットはｐ型が一般的である。ｐ型のインゴットには、ドーパントとしてホウ素（Ｂ）などが用いられる。
【００１４】
一方、近年では、ｎ型半導体を基板とする構造の太陽電池が注目されている。ｎ型を基板とする構造の太陽電池は、ｐ型を基板とする構造に比べてエネルギー変換効率に優れるからである。したがって、太陽電池用基板の素材としてｎ型のシリコンインゴットの需要が高まっている。ｎ型のインゴットには、ドーパントとしてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）やアンチモン（Ｓｂ）などが用いられる。
【００１５】
シリコンインゴットを電磁鋳造する際、ドーパントは、シリコン原料とともに冷却ルツボ内に逐次投入されて溶融シリコン中に溶解し、冷却ルツボから引き下げられる溶融シリコンの凝固に伴ってインゴット中に固溶する。このとき、Ｂ、Ｐ、ＡｓおよびＳｂの蒸発速度はそれぞれ下記の通りであり、ｎ型用ドーパントのＰ、ＡｓおよびＳｂは、ｐ型用ドーパントのＢと比較して蒸発し易く、溶融シリコンの湯面から不定形酸化物として蒸発する。とりわけ、Ｓｂは蒸発速度が桁違いに速く蒸発が著しい。
Ｂ  ：８．０×１０-6（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ｐ  ：１．６×１０-4（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ａｓ：４．７×１０-4（ｃｍ／ｓｅｃ）
Ｓｂ：１．３×１０-1（ｃｍ／ｓｅｃ）
【００１６】
このため、常圧の不活性ガス雰囲気下で、ドーパントとしてＰ、ＡｓまたはＳｂを用いたｎ型シリコンインゴットの電磁鋳造では、溶融シリコンからドーパントが顕著に蒸発するため、溶融シリコン中のドーパント濃度が次第に低下し、これに伴って、インゴット中のドーパント濃度も次第に低下する。すなわち、常圧雰囲気下でドーパントとしてＰ、ＡｓまたはＳｂを用いた電磁鋳造により得られるｎ型シリコンインゴットは、長手方向（凝固の進行方向）でドーパント濃度が不均一になり易い。その結果、インゴットの抵抗率はインゴット中のドーパント濃度に依存することから、ｎ型シリコンインゴットの抵抗率は長手方向で不均一になり易く、電磁鋳造の進行に伴って上昇し、インゴットの上端部で高くなる。
【００１７】
従来、電磁鋳造によるシリコンインゴットの製造でインゴット中のドーパント濃度の均一化を図る技術として、例えば、特許文献２に開示されるように、溶融シリコンが凝固する際のドーパントの偏析現象に着目し、冷却ルツボに逐次投入するシリコン原料とドーパントの配合比をドーパントの偏析係数に基づく所定の範囲内に調整する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０２／０５３４９６号パンフレット
【特許文献２】特開２００７−０１９２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、前記特許文献２に開示される技術では、溶融シリコンからのドーパントの蒸発に関して全く考慮されていない。このため、電磁鋳造によるｎ型シリコンインゴットの製造において、溶融シリコン中ひいてはインゴット中のドーパント濃度の均一化を十分に図ることができず、その結果、インゴットの長手方向で抵抗率の均一化も十分に図れない。
【００２０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ｎ型シリコンインゴットを電磁鋳造する際に、蒸発し易いドーパントを用いる場合であっても、インゴットの長手方向で抵抗率を均一化することができるシリコンインゴットの電磁鋳造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】
【００２１】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。蒸発し易いＰ、ＡｓまたはＳｂのドーパントを用いてｎ型シリコンインゴットを電磁鋳造する場合であっても、溶融シリコンからのドーパントの蒸発を抑制できれば、溶融シリコン中のドーパント濃度の変動が低減することから、インゴットの長手方向でドーパント濃度が均一化し、抵抗率の均一化が可能となる。ここで、ドーパントの蒸発を抑制するには、チャンバー内を加圧雰囲気に維持することが有効である。ＰやＡｓやＳｂなどの蒸発し易いｎ型用ドーパントは、減圧雰囲気下では蒸発が促進する一方、加圧雰囲気下では蒸発が抑制されるからである。
【００２２】
本発明は、上記の知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記に示すシリコンインゴットの電磁鋳造方法にある。すなわち、チャンバー内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボにシリコン原料およびドーパントを投入し、無底冷却ルツボを囲繞する誘導コイルからの電磁誘導加熱によりシリコン原料およびドーパントを溶解させ、この溶融シリコンを無底冷却ルツボから引き下げながら凝固させてｎ型のシリコンインゴットを連続鋳造する電磁鋳造方法において、チャンバー内を常圧よりも高い圧力に維持して電磁鋳造を行うことを特徴とするシリコンインゴットの電磁鋳造方法である。
【００２３】
上記の電磁鋳造方法は、前記ドーパントとしてアンチモンを用いるｎ型シリコンインゴットの電磁鋳造に適用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造方法によれば、ｎ型シリコンインゴットの電磁鋳造の際に、チャンバー内を常圧よりも高い圧力の加圧状態に維持することにより、ドーパントの蒸発が抑制されるため、溶融シリコン中のドーパント濃度の変動を低減することができ、その結果、インゴットの長手方向でドーパント濃度が均一化し、これに伴って抵抗率を均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の電磁鋳造方法を適用できる電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】実施例の試験で比較のために用いた電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】実施例の試験によるシリコンインゴットにおける抵抗率の測定結果を示す図である。
【図４】電磁鋳造方法で用いられる従来の代表的な電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造方法について、その実施形態を詳述する。
【００２７】
図１は、本発明の電磁鋳造方法を適用できる電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す本発明の電磁鋳造装置は、前記図４に示す電磁鋳造装置の構成を基本とし、それと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
【００２８】
図１に示すように、本発明で用いられる電磁鋳造装置は、チャンバー１内に不活性ガスを導入するための不活性ガス導入口５に、不活性ガス導入管１７が接続されている。チャンバー１内の雰囲気ガスを排出するための排気口６には、排気管１６が接続されている。
【００２９】
不活性ガス導入管１７の経路には圧縮ポンプ１８が配設され、排気管１６の経路には圧力調整弁１９が設けられている。チャンバー１内の圧力は、圧縮ポンプ１８の駆動に伴って不活性ガス導入管１７を通じてチャンバー１内に強制的に導入する不活性ガスの供給流量を制御するとともに、排気管１６への雰囲気ガスの排気流量を圧力調整弁１９で制御することにより調整される。
【００３０】
本発明の電磁鋳造方法では、電磁鋳造の際、圧縮ポンプ１８の駆動に伴って、不活性ガス導入口５からチャンバー１内に不活性ガスを強制的に導入し、チャンバー１内の雰囲気ガスを圧力調整弁１９で制御しながら排気口６から排気することにより、チャンバー１内を常圧（１０１．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ））よりも高い圧力の加圧状態に維持する。これにより、常圧状態と比べて、溶融シリコン１２からのドーパントの蒸発が抑制されるため、蒸発し易いＰ、ＡｓまたはＳｂのドーパントを用いてｎ型シリコンインゴット３を電磁鋳造する場合であっても、溶融シリコン１２中のドーパント濃度の変動を低減することができ、その結果、インゴット３の長手方向でドーパント濃度が均一化し、これに伴って抵抗率を均一化することができる。本発明の電磁鋳造方法は、特に蒸発し易いＳｂをドーパントとして用いる場合に、その効果を有効に発揮する。
【００３１】
鋳造中のチャンバー１内の圧力は、常圧よりも高く維持される限り、その範囲に限定はないが、２００．０ｋＰａ（１５００Ｔｏｒｒ）を超えると、ドーパントの蒸発低減効果が飽和する。このため、実用的には、チャンバー１内の圧力は２００．０ｋＰａ以下とするのが好ましい。チャンバー内圧力のより好ましい範囲は、１２０．０ｋＰａ（９００Ｔｏｒｒ）〜２００．０ｋＰａ（１５００Ｔｏｒｒ）である。
【実施例】
【００３２】
本発明の電磁鋳造方法による効果を確認するため、前記図１に示す電磁鋳造装置を用い、ドーパントとしてＳｂを採用し、３４６ｍｍ×５０４ｍｍの長方形断面で全長が７０００ｍｍのｎ型シリコンインゴットを連続鋳造した。このとき、本発明例１として、チャンバー内の圧力を１３３．３ｋＰａ（１０００Ｔｏｒｒ）の加圧状態に維持して電磁鋳造を行い、本発明例２として、チャンバー内の圧力を２００．０ｋＰａ（１５００Ｔｏｒｒ）の加圧状態に維持して電磁鋳造を行った。また、比較のために、下記の図２に示す電磁鋳造装置を用い、同様のドーパントを採用して同様の寸法のｎ型シリコンインゴットを連続鋳造した。
【００３３】
図２は、実施例の試験で比較のために用いた電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。同図に示す比較例で用いた電磁鋳造装置は、前記図１に示す本発明例１、２で用いた電磁鋳造装置と比較し、不活性ガス導入管１７に圧縮ポンプ１８を設けることなく、排気管１６に真空ポンプ２０を配設し、この真空ポンプ２０の駆動に伴ってチャンバー１内の雰囲気ガスを強制排気することにより、チャンバー１内を減圧可能とした点で相違する。
【００３４】
同図に示す電磁鋳造装置を用い、比較例１として、チャンバー内の圧力を常圧の１０１．３ｋＰａ（７６０Ｔｏｒｒ）に維持して電磁鋳造を行い、比較例２、３として、チャンバー内の圧力をそれぞれ５３．３ｋＰａ（４００Ｔｏｒｒ）、４．０ｋＰａ（３０Ｔｏｒｒ）の減圧状態に維持して電磁鋳造を行った。
【００３５】
得られた各インゴットにおいて、固化率が０％、３０％、５０％、７０％および９０％のときに対応する各位置からそれぞれサンプルウェーハを採取し、各サンプルウェーハの抵抗率を測定する試験を行った。ここでいう固化率とは、投入したシリコン原料（ドーパントを含む）の総重量に対する固化したインゴットの重量の比率を表わし、インゴットの下端（連続鋳造の最初の位置）からの長手方向の長さに対応する。抵抗率は、うず電流法の抵抗率測定器により測定した。
【００３６】
図３は、実施例の試験によるシリコンインゴットにおける抵抗率の測定結果を示す図である。同図に示す結果から、常圧雰囲気または減圧雰囲気で電磁鋳造を行った比較例１〜３と比べ、加圧雰囲気で電磁鋳造を行った本発明例１、２では、インゴットの全長にわたり抵抗率を均一化できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のシリコンインゴットの電磁鋳造方法によれば、ｎ型シリコンインゴットを電磁鋳造する際に、チャンバー内を常圧よりも高い圧力の加圧状態に維持することにより、ドーパントの蒸発が抑制されるため、溶融シリコン中ひいてはインゴット中のドーパント濃度を均一化することができ、その結果、インゴットの長手方向で抵抗率の均一化が可能となる。したがって、本発明の電磁鋳造方法は、品質に優れた太陽電池用のｎ型シリコンインゴットを製造できる点で極めて有用である。
【符号の説明】
【００３８】
１：チャンバー、    ２：原料供給ホッパー、    ３：シリコンインゴット、
４：引出し口、    ５：不活性ガス導入口、    ６：排気口、
７：無底冷却ルツボ、    ８：誘導コイル、    ９：アフターヒーター、
１０：原料導入管、    １１：シリコン原料、    １２：溶融シリコン、
１３：プラズマトーチ、    １４：支持台、    １６：排気管、
１７：不活性ガス導入管、    １８：圧縮ポンプ、    １９：圧力調整弁、
２０：真空ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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