(57)【要約】【課題】インゴットの外周部において不純物による汚染を低減することができるシリコンインゴットの連続鋳造方法を提供する。【解決手段】チャンバー１内に不活性ガスを供給しつつ、当該チャンバー１内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボ７にシリコン原料を装入し、無底冷却ルツボ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を溶解させ、この溶融シリコン１２を無底冷却ルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴットを連続鋳造する方法において、チャンバー１内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコン１２の上方に供給するとともに、シリコンインゴット３の下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内に不活性ガスを供給しつつ、当該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を装入し、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シリコンインゴットを連続鋳造する方法において、
チャンバー内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコンの上方に供給するとともに、シリコンインゴットの下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコンインゴットの連続鋳造方法であって、前記チャンバー内の雰囲気が、シリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用基板の素材であるシリコンインゴットの連続鋳造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＯ2排出による地球温暖化問題やエネルギー資源の枯渇問題が深刻化しており、それらの問題の対応策の一つとして、無尽蔵に降りそそぐ太陽光エネルギーを活用する太陽光発電が注目されている。太陽光発電は、太陽電池を使用して太陽光エネルギーを直接電力に変換する発電方式であり、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。
【０００３】
太陽電池用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。このため、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り、その前段階で、高品質のシリコンインゴットを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、電磁誘導を利用した連続鋳造方法である電磁鋳造法が実用化されている。
【０００４】
図５は、電磁鋳造法で用いられる従来の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、開閉可能なシャッター２を介し、図示しない原料供給装置が連結されている。チャンバー１は、上壁に不活性ガス導入口５が設けられ、底壁に排気口６が設けられている。
【０００５】
チャンバー１内には、無底冷却ルツボ７、誘導コイル８、第１アフターヒーター９ａおよび第２アフターヒーター９ｂが配置されている。冷却ルツボ７は、融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、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、上部を残して周方向で複数の短冊状の素片に分割され、内部を流通する冷却水によって強制冷却される。
【０００６】
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。ヒーターや保温材から構成されるアフターヒーター９ａおよび９ｂは、冷却ルツボ７と同芯に、冷却ルツボ７の下方に連設され、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を加熱して、その軸方向に適切な温度勾配を与える。
【０００７】
また、チャンバー１内には、原料供給装置に連結されたシャッター２の下方に原料導入管１０が取り付けられている。シャッター２の開閉に伴って、粒状や塊状のシリコン原料が原料供給装置から原料導入管１０内に供給され、冷却ルツボ７内に装入される。
【０００８】
チャンバー１の底壁には、第２アフターヒーター９ｂ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はガスでシールされている。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。
【０００９】
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、下降させた状態で冷却ルツボ７内に挿入される。
【００１０】
このような電磁鋳造装置を用いた電磁鋳造法では、冷却ルツボ７にシリコン原料を装入し、誘導コイル８に交流電流を印加するとともに、下降させたプラズマトーチ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内のシリコン原料は電磁誘導加熱されて融解し、溶融シリコン１２が形成される。また、プラズマトーチ１３とシリコン原料、さらには溶融シリコン１２との間にプラズマアークが発生し、そのジュール熱によっても、シリコン原料が加熱されて融解し、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。
【００１１】
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内でシリコン原料を融解させながら、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を連続的に装入し、融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を連続して鋳造することができる。
【００１２】
連続鋳造中は、チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に維持するため、アルゴンや窒素といった不活性ガスが溶融シリコン１２の上部に逐次供給され、チャンバー１内に充満する。不活性ガスの供給は、図５の黒塗り矢印で示すように、プラズマトーチ１３の先端やチャンバー１の上壁に設けられた不活性ガス導入口５、原料導入に用いられるシャッター２から行われる。
【００１３】
チャンバー１は、第１アフターヒーター９ａと第２アフターヒーター９ｂの間に、チャンバー１の上部と下部を区分する区分部１ａを備えている。また、チャンバー１の側壁にチャンバー１の上部と下部で開口する配管１５が連結されており、この配管１５を通じて溶融シリコン１２の上方に供給された不活性ガスをチャンバー１の下部に導入しつつ、連続鋳造を行う。一方、チャンバー１内の雰囲気は、チャンバー１の底壁に設けられた排気口６から逐次排出される。
【００１４】
このような電磁鋳造法によれば、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。
【００１５】
電磁鋳造法によりシリコンインゴットを鋳造する方法に関し、従来から種々の提案がなされており、例えば特許文献１がある。特許文献１では、周方向で複数の短冊状の素片に分割された冷却ルツボで、その分割間隙を０．３〜１．０ｍｍにすることにより、短冊状の素片の間隙に溶解シリコンが入り込み固化する、いわゆる差し込みを効果的に抑えることができるとしている。
【００１６】
特許文献１に記載のシリコンインゴットの連続鋳造方法では、不活性ガスの供給は、チャンバーの上部側壁に設けられた導入口から溶解シリコンの上方に供給され、チャンバーの下部側壁に設けられた排気口から排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１−２６４９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、インゴットがＦｅやＮｉといった不純物で汚染されると、鋳造されたインゴットの品質が低下する。このため、電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際は、不純物による汚染を可能な限り低減する必要がある。
【００１９】
前述した従来のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバーの上部に設けられた不活性ガスの導入口やプラズマトーチ、原料導入に用いられるシャッターから不活性ガスを溶融シリコンの上方に供給する。この場合、鋳造されたインゴットの外周部が不純物により汚染される。
【００２０】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、インゴットの外周部における不純物による汚染を低減することができるシリコンインゴットの連続鋳造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
電磁鋳造法によりシリコンインゴットを連続鋳造する際、チャンバー内に配置されたヒーターや、保温材、これらを固定する金属部材といった炉内部品は、加熱により不純物を雰囲気に放出する。本発明者は、この雰囲気に放出された不純物が、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る際に、インゴットの外周部を汚染すると考え、チャンバー内の雰囲気流れについて有限要素法を用いた解析により調査した。
【００２２】
チャンバー内の雰囲気流れの解析は前記図５に示した電磁鋳造装置で行い、不活性ガス導入口５から流量５０ｌ／ｍｉｎ、プラズマトーチ１３から流量１００ｌ／ｍｉｎおよびシャッター２から流量５０ｌ／ｍｉｎのＡｒガスを溶融シリコンの上方に供給した。一方、チャンバーの下部に設けた排気口６から雰囲気を排出し、チャンバー内の圧力を１．０４４×１０5Ｐａに保持した。また、誘導コイル８による発熱量を３６０〜３９０ｋＷ、プラズマトーチ１３から発生するプラズマアークによる発熱量を１２０〜１３０ｋＷとした。
【００２３】
図６は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造法おけるチャンバー内の雰囲気流れを示す模式図である。同図は、チャンバー内の雰囲気流れについての解析結果を模式的に示し、流速が１．０ｍ／ｓ以上である流れを実線矢印で示す。同図に示す結果から、溶融シリコン１２の上方に供給された不活性ガスの大部分は、配管１５を通ってチャンバーの下部に流れた後、排気口から排出されると思われる。また、インゴットの外周は、流速１．０ｍ／ｓを超える雰囲気流れがなく、雰囲気が停滞していることが確認される。
【００２４】
本発明者は、インゴットの外周に雰囲気流れがほとんどないことから、鋳造されたインゴット外周部の汚染は、引き下げられるインゴットを囲繞するように配置され、インゴットを加熱して引上げ軸方向に適切な温度勾配を与えるアフターヒーターの影響が大きいと考えた。
【００２５】
図７は、従来のシリコンインゴットの連続鋳造方法における雰囲気からのシリコンインゴットの外周部の汚染例として、アフターヒーターによる汚染を示す模式図である。同図では、シリコンインゴット３と、当該インゴットを加熱して引き下げ軸方向に適切な温度勾配を与えるアフターヒーター９を示す。同図の実線矢印で示すように、アフターヒーター９を構成するヒーターや保温材から不純物が雰囲気に放出される。インゴット３の外周の雰囲気は停滞していることから、雰囲気に放出された不純物とインゴットが接触し、不純物がインゴットに取り込まれて外周部が汚染される。
【００２６】
さらに、インゴットの外周部が雰囲気から汚染されるのを低減する方法について鋭意検討を重ねた結果、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給してシリコンインゴットの外周に流通させることにより、雰囲気からの外周部の汚染を低減できることを見出した。
【００２７】
本発明は、上記の知見に基づいて完成したものであり、下記（１）および（２）のシリコンインゴットの連続鋳造方法を要旨としている。
【００２８】
（１）チャンバー内に不活性ガスを供給しつつ、当該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を装入し、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シリコンインゴットを連続鋳造する方法において、チャンバー内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコンの上方に供給するとともに、シリコンインゴットの下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
【００２９】
（２）上記（１）に記載のシリコンインゴットの連続鋳造方法であって、前記チャンバー内の雰囲気が、シリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断することを特徴とするシリコンインゴットの連続鋳造方法。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給し、清浄度の高い不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、鋳造されるシリコンインゴットの外周部において、不純物による汚染を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。
【図２】本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法による遮蔽効果を説明する模式図である。
【図３】本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＦｅ濃度のばらつきの範囲を示す図である。
【図４】本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＮｉ濃度のばらつきの範囲を示す図である。
【図５】電磁鋳造法で用いられる従来の電磁鋳造装置の構成を模式的に示す図である。
【図６】従来のシリコンインゴットの連続鋳造法におけるチャンバー内の雰囲気流れを示す模式図である。
【図７】従来のシリコンインゴットの連続鋳造方法における雰囲気からのシリコンインゴットの外周部の汚染例として、アフターヒーターによる汚染を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を図面に基づいて説明する。
【００３３】
図１は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を説明する模式図である。同図に示す電磁鋳造装置は、前記図５に示す電磁鋳造装置に、引き下げられるインゴット３の下部に不活性ガスを供給する導入ライン１６と、チャンバー内の雰囲気がインゴット下部に流入する流れを遮断する仕切り部材１７とを追加したものである。
【００３４】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバー１内に不活性ガスを供給しつつ、当該チャンバー１内に配置した導電性を有する無底冷却ルツボ７にシリコン原料を装入し、無底冷却ルツボ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を溶解させ、この溶融シリコン１２を無底冷却ルツボ７から引き下げながら凝固させてシリコンインゴット３を連続鋳造する方法において、チャンバー１内に不活性ガスを供給する際に、不活性ガスを溶融シリコン１２の上方に供給するとともに、シリコンインゴット３の下部に供給し、当該下部に供給した不活性ガスをシリコンインゴット３の外周に流通させることを特徴とする。
【００３５】
不活性ガスをシリコンインゴット３の下部に供給すると、図１で点線矢印を用いて示すように、供給された不活性ガスは、自然対流にともなってシリコンインゴット３の外周を流通する。このようにシリコンインゴット３は、外周を流通する不活性ガスにより遮蔽される。
【００３６】
図２は、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法による遮蔽効果を説明する模式図である。同図では、シリコンインゴット３と、当該インゴットを加熱して引き下げ軸方向に適切な温度勾配を与えるアフターヒーター９を示す。本発明のシリコンインゴットの連続鋳造法は、インゴットの下部３に不活性ガスを供給することにより、同図の白抜き矢印で示すように不活性ガスがインゴットの外周を流通する。
【００３７】
この場合、アフターヒーター９を構成するヒーターや保温材から加熱により放出された不純物は、インゴットの外周に停滞することなく、外周を流通する不活性ガスにより上方に流される。このため、アフターヒーター９を構成するヒーターや保温材から放出された不純物の大部分は、流通する不活性ガスにより遮蔽されたインゴット表面に到達しない。このようなインゴットの外周を流通する不活性ガスの遮蔽効果により、本発明のインゴットの連続鋳造方法は、鋳造されるインゴットの外周部における汚染を低減することができる。
【００３８】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法では、不活性ガスをインゴットの下部に供給する際、インゴットの下部および溶融シリコンの上方に供給する不活性ガスの流量は、インゴットの引き下げ軸に垂直な面における断面形状の寸法または引き下げ軸方向の長さといったインゴットのサイズや、チャンバー１の容積、チャンバー１とアフターヒーターの間に設けられた間隔等に基づき、それぞれ適宜設定することができる。
【００３９】
前記図５に示すように従来の電磁鋳造炉は、一般的にアフターヒーター９ｂとチャンバー１の底壁が離間されている。このため、溶融シリコンの上方に供給された不活性ガスや、インゴットの下部に供給されインゴットの外周を流通した不活性ガスが、チャンバー内を流れた後、インゴットの下部に流入する場合がある。このような雰囲気は、チャンバー内を流れる際に炉内部品から放出された不純物を含み、清浄度が低下している可能性があるので、インゴットの下部に流入してインゴットの外周を流通すると、シリコンインゴットの外周部を汚染するおそれがある。
【００４０】
したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、チャンバー内の雰囲気が、シリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断するのが好ましい。これにより、インゴットの下部にはチャンバー外から供給する不活性ガスのみが流入し、清浄度の高い不活性ガスのみがインゴットの外周を流通するので、鋳造されたインゴットの外周部の汚染をより低減することができる。チャンバー内の雰囲気がシリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断する方法としては、例えば、前記図１に示すようにＬ字型の断面形状を有する円筒状の仕切り部材を用いることができる。
【実施例】
【００４１】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法の効果を確認するため、下記の試験を行った。
【００４２】
［試験条件］
前記図１に示す電磁鋳造装置から、チャンバー内の雰囲気がシリコンインゴットの下部に流入する流れを遮断する仕切り部材１７を除いた電磁鋳造装置を用い、電磁鋳造法によりシリコンインゴットを鋳造した。この際、不活性ガスを、導入口５から流量２０ｌ／ｍｉｎ、プラズマトーチ１３から流量１００ｌ／ｍｉｎおよびシャッター２から流量５０ｌ／ｍｉｎで供給し、溶融シリコンの上方に供給される不活性ガスの流量を１７０ｌ／ｍｉｎとした。また、導入ライン１６から流量３０ｌ／ｍｉｎでインゴットの下部に供給し、インゴットの外周に流通させた。
【００４３】
比較例では、不活性ガスを導入口５から流量２０ｌ／ｍｉｎ、プラズマトーチ１３から流量１００ｌ／ｍｉｎおよびシャッター２から流量５０ｌ／ｍｉｎで溶融シリコンの上方に供給し、導入ライン１６からインゴット下部への供給は行わなかった。本発明例および比較例ともに、チャンバーの下部に設けた排気口６から雰囲気を排出し、チャンバー内の圧力を１．０４４×１０5Ｐａに保持した。
【００４４】
本発明例および比較例ともに、鋳造したシリコンインゴットを引き下げ方向に垂直な面において縦２個、横３個に分割した後、シリコンウェーハに切り出した。得られたウェーハの外周領域について不純物濃度を測定した。外周領域における不純物濃度は、ウェーハの外周から２０ｍｍの領域を切断し、ＦｅおよびＮｉの濃度を全溶解解析により測定した。また、外周領域における不純物濃度の測定は、本発明例および比較例ともに１０枚のウェーハを採取して行った。
【００４５】
［試験結果］
図３は、本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＦｅ濃度のばらつきの範囲を示す図である。同図に示すように、本発明例では、比較例に比べてＦｅ濃度が低下した。
【００４６】
図４は、本発明例および比較例でのウェーハ外周領域におけるＮｉ濃度のばらつきの範囲を示す図である。同図に示すように、本発明例では、比較例に比べてＮｉ濃度が低下した。
【００４７】
これらから、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給し、清浄度の高い不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、鋳造されたシリコンインゴットの外周部において、不純物による汚染を低減できることが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法は、シリコンインゴットの下部に不活性ガスを供給し、清浄度の高い不活性ガスをシリコンインゴットの外周に流通させることにより、鋳造されるシリコンインゴットの外周部において、不純物による汚染を低減できる。
【００４９】
したがって、本発明のシリコンインゴットの連続鋳造方法を、太陽電池用のシリコンインゴットの鋳造に適用すれば、太陽電池用ウェーハの品質向上に大きく寄与することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１：チャンバー、  １ａ：区分部  ２：シャッター、  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、  ９ａ：第１アフターヒーター、
９ｂ：第２アフターヒーター、  １０：原料導入管、  １２：溶融シリコン、
１３：プラズマトーチ、  １４：支持台、  １５：配管、
１６：不活性ガス導入ライン、  １７：仕切り部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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