(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳型内で融解したシリコンを所定の速度で凝固させるシリコンインゴットの製造方法において、前記融解したシリコンを凝固させる工程中に、凝固させる速度を一旦０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下させて該範囲内の凝固速度に１０〜６０分間保持した後、元の速度に戻して凝固させることを特徴とするシリコンインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記凝固させる速度を一旦低下させることを複数回行なう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製造方法。
【請求項３】
前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設け、この加熱装置の発熱量を増加させて前記凝固させる速度を一旦低下させるとともに、この加熱装置の発熱量を減少させて前記元の速度に戻して凝固させることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンインゴットの製造方法。
【請求項４】
前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けるとともに、前記鋳型を載置する昇降装置を設け、この昇降装置で前記鋳型を上昇させて前記凝固させる速度を一旦低下させた後、この昇降装置で前記鋳型を下降させて前記凝固させる速度を元の速度に戻して凝固させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシリコンインゴットの製造方法。
【請求項５】
前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けるとともに、前記鋳型の底部に冷却装置を設け、この冷却装置を前記鋳型底部から離して前記凝固させる速度を一旦低下させるとともに、この冷却装置を前記鋳型底部に当接させて前記元の速度に戻して凝固させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のシリコンインゴットの製造方法。
【請求項６】
前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けるとともに、前記冷却装置が下降した際に前記鋳型が載置される台座とこの台座を加熱するための加熱装置を設け、この台座に載置して凝固させる速度を一旦低下させることを特徴とする請求項５に記載のシリコンインゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンインゴットの製造方法と製造装置に関し、特に太陽電池用基板などに好適に使用することができるシリコンインゴットの製造方法と製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコンの鋳造方法を図５に示す。図５において、１１はグラファイトなどからなる断熱材、１２は加熱装置、１３はグラファイトなどからなる鋳型、１４は冷却板、１５は溶融シリコンである。このシリコン鋳造装置では、石英るつぼ（不図示）内で溶解した溶融シリコンを内壁面に窒化珪素、炭化珪素などを主成分とする離型材を塗布した鋳型１３の中に注ぎ込み、その溶融シリコン１５の液面が固まらない程度に加熱装置１２で加熱しながら、鋳型１３の下部に冷却板１４を接触させて下部から上部へと凝固させてシリコンインゴットを製造していた。
【０００３】
凝固したシリコンの鋳塊は、鋳型１３を破壊することにより鋳型１３から取り出したり、もしくは組立型鋳型の場合は、鋳型１３を分解して取り出していた。
【０００４】
このようなシリコンインゴットは通常０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上の比較的大きな凝固速度で凝固されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシリコンの鋳造方法では、凝固速度が比較的大きくて０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上であった。この方法はシリコンインゴットを比較的短時間で生産することができるために低コストな製造方法であったが、インゴットの結晶性にはまだ改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、１インゴット当たりの生産時間に対して比較的短い時間だけ凝固速度を大幅に低下させることにより、従来の高い生産性を損なわずに結晶性の優れたシリコンインゴットを製造する方法と製造装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るシリコンインゴットの製造方法では、鋳型内で融解したシリコンを所定の速度で凝固させるシリコンインゴットの製造方法において、前記融解したシリコンを凝固させる工程中に、凝固させる速度を一旦０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下させて該範囲内の凝固速度に１０〜６０分間保持した後、元の速度に戻して凝固させることを特徴とする。
【０００８】
上記シリコンインゴットの製造方法では、前記凝固させる速度を一旦低下させることを複数回行なってもよい。
【０００９】
また、上記シリコンインゴットの製造方法では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設け、この加熱装置の発熱量を増加少させて前記凝固させる速度を一旦低下させるとともに、この加熱装置の発熱量を減少させて前記元の速度に戻して凝固させてもよい。
【００１０】
また、上記シリコンインゴットの製造方法では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けるとともに、前記鋳型を載置する昇降装置を設け、この昇降装置で前記鋳型を上昇させて前記凝固させる速度を一旦低下させた後、この昇降装置で前記鋳型を下降させて前記凝固させる速度を元の速度に戻して凝固させてもよい。
【００１１】
また、上記シリコンインゴットの製造方法では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けるとともに、前記鋳型の底部に冷却装置を設け、この冷却装置を前記鋳型底部から離して前記凝固させる速度を一旦低下させるとともに、この冷却装置を前記鋳型底部に当接させて前記元の速度に戻して凝固させてもよい。
【００１２】
また、上記シリコンインゴットの製造方法では、前記鋳型の上部および側部に加熱装置を設けるとともに、前記冷却装置が下降した際に前記鋳型が載置される台座とこの台座を加熱するための加熱装置を設け、この台座に載置して凝固させる速度を一旦低下させてもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、各請求項に係る発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。  図１および図２は、請求項７に係るシリコンインゴットの製造装置を示す図である。シリコンを溶融するための鋳型４の上部と側部にこの鋳型４を加熱する加熱装置３を設け、この鋳型４の底部にこの鋳型４を載置して昇降する冷却装置５を設け、この鋳型４の下部に鋳型４が下降したときに載置される台座９とこの台座９を加熱する加熱装置１０を設けてなり、全体を密閉容器１内に収容したものである。なお、加熱装置３と密閉容器１の間には加熱装置３が発する熱から密閉容器１を守るために断熱材２が設けられている。
【００１５】
シリコン融液６の入った鋳型４を冷却装置５上に載置し、この冷却装置５によって鋳型４の底部から抜熱すると同時に、鋳型４の上部および側部に配置した加熱装置３によって加熱を行い、鋳型４の底部から上方に向かって一方向に柱状多結晶シリコン８を成長させる。
【００１６】
次に、請求項１に係るシリコンインゴットの製造方法を説明する。鋳型４内で融解したシリコン６を所定の速度で凝固させる工程中に、凝固させる速度を一旦低下させた後、元の速度に戻して凝固させる。なお、「速度」とは、鋳型４内におけるシリコン６の固液界面の進行速度である。
【００１７】
鋳型４内で融解したシリコン６を一方向に凝固させる際に、従来の大きな凝固速度である０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上の速度でシリコンを凝固させている途中で、凝固に必要な加熱量の１．５倍以上に加熱できる上部および側部に配置した加熱装置３を用いて発熱量を１．５倍に増加させる。これによりシリコンの固液界面付近の温度勾配が小さくなって凝固速度が急激に低下する。この小さい凝固速度のまま１インゴット当たりの生産時間に対して比較的短時間保持することで結晶性に優れた層を新たに形成する。
【００１８】
その後、直ちに加熱装置３からの発熱量を減少させることで凝固速度は急速に回復して前述の加熱操作前の水準に戻るが、その後に成長する結晶は小さい凝固速度で形成された層の優れた結晶性を引き継ぎながら結晶粒を大きくする。そのため、しばらくの間は比較的大きな凝固速度にもかかわらず優れた結晶性をもつ結晶層が得られる。
【００１９】
小さい凝固速度で保持する時間は１インゴット当たりの生産時間に対して短く、また凝固速度も急速に回復するため、本発明の方法を用いても生産性はほとんど悪化しない。したがって、生産性を損なわずに結晶性の優れたシリコンインゴットを製造できる。
【００２０】
上記操作のうち小さい凝固速度を保持する時間が１０分間未満では、優れた結晶性を持つ層を十分な厚さに成長することができない。また、１インゴット当たりの生産時間に対して長時間保持すると生産性が悪くなり、コストの上昇をもたらす。したがって、保持時間は１０分間以上で１インゴットあたりの生産時間に対して比較的短時間にすることが望ましい。
【００２１】
また、小さい凝固速度に保持する際の「凝固速度」が速すぎると、優れた結晶が形成されない。したがって、「凝固速度」は従来の凝固速度０．４ｍｍ／ｍｉｎ．の１／２である０．２ｍｍ／ｍｉｎ以下にすることが望ましい。しかし、凝固速度が遅すぎると、優れた結晶性を持つ層が十分に成長するために長時間必要となるため、凝固速度は０．０１ｍｍ／ｍｉｎ以上にすることが望ましい。
【００２２】
また、上記加熱方法は、上部および側部に配置した加熱装置３を使用する方法に限るものではなく、必要な「凝固速度」が実現できればどのような加熱方法であってもよい。例えば、鋳型４の底部を支持しながら昇降動作が可能な水冷金属板から成る冷却装置５と鋳型４を保持する台座９を設け、鋳型４の下部に接触させた冷却装置５を鋳型４から十分に離れた位置まで下降させて鋳型４の下部からの抜熱量を低下させて「凝固速度」を低下させるような方法であってもよい。これを利用して「凝固速度」を低下させて１０分間以上保持する。
【００２３】
その後、直ちに冷却装置５を再び鋳型４の下部に接触させることで「凝固速度」を元の水準に戻す。この方法を用いれば、上述した加熱装置３の発熱量を増加させた場合と同様の効果が得られるため、生産性を損なわずに結晶性の優れたシリコンインゴットを製造できる。この冷却装置５の移動に要する電力量は、加熱装置３の発熱量増加に伴う電力量の増加に比べて格段に小さいため、製造コストをさらに低減できる。
【００２４】
また、鋳型４の下部に設けた加熱装置１０によって鋳型４を保持する台座９を加熱することで、冷却装置５を鋳型４から遠ざける距離が短くても加熱装置３の発熱量を増加させた場合と同様の効果を得ることができる。この方法を用いれば、冷却装置５の下降ストロークを小さくできるため装置を小型化することができる。
【００２５】
また、鋳型４の上部および側部に配置した加熱装置３の発熱量を増加させる方法や、鋳型４の下部に設けた冷却装置５を鋳型４から十分に離れた位置まで下降させる方法や、さらに鋳型４を保持する台座９を鋳型４の下部に配置した加熱装置により加熱する方法を組み合わせる方法であっても、凝固させる速度を１インゴットの生産時間に対して比較的短い期間、望ましくは１０分間以上だけ速度を低下させ、その後、元の水準に凝固させる速度を戻せば、それぞれの操作を単独で行った場合と同様の効果が得られるため、生産性を損なわずに結晶性の優れたシリコンインゴットを製造できる。
【００２６】
また、これ以外の方法、例えば凝固中に断熱構造を変えることで加熱する方法や冷却水量を変えるような加熱方法であっても、必要な「凝固速度」が実現可能であれば同様の効果が得られる。
【００２７】
また、「凝固速度」が回復してからしばらくの間は、小さい「凝固速度」で形成された層の優れた結晶性を引き継いで成長するが、ある程度結晶が成長するとその効果が薄れるため、その効果はインゴットの一部分に留まる。したがって、インゴットが垂直方向に比較的長い場合は、間隔をおいて凝固速度を低下させる操作を繰り返してインゴット全体の結晶性を向上させることが望ましい。
【００２８】
【実施例】
鋳型４の上部および側部の加熱装置３の発熱量を増減させる方法では、図１の状態でシリコン融液６を０．４ｍｍ／ｍｉｎ以上の「速度」で凝固させている途中に加熱装置３の発熱量を増加させると、「凝固速度」は０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下する。この「凝固速度」を１０〜６０分間保持すると結晶性の優れた固体層７が十分な厚さまで成長する。その後、加熱装置３の発熱量を減少させると「凝固速度」は急激に加速して一連の操作前の水準に回復する。しかし、その後に成長する結晶は結晶性の優れた固体層７の上に成長して優れた結晶性を引き継ぎながら結晶粒を大きくするため、比較的速い結晶成長速度にもかかわらず良質な結晶の成長がしばらくの間持続する。
【００２９】
鋳型４の下部に設けた冷却装置５を近づけたり離したりする方法では、図１の状態でシリコン融液６を凝固させている途中で、図２のように鋳型４を台座９で保持し冷却装置５を鋳型４から十分に引き離して「凝固速度」を低下させる。一定時間保持した後再び図１の状態に戻す。
【００３０】
鋳型４の下部に設けた冷却装置５を離すとともに加熱された台座９上に載置する方法を用いて実際にシリコンインゴットを製造して太陽電池を作成した。約０．５ｍｍ／ｍｉｎの「速度」で凝固させている途中で一度だけ冷却装置５を離すとともに加熱された台座９上に載置する方法を用いて「凝固速度」を１５分間だけ０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下させた。
【００３１】
図３は、この方法で製造したシリコンインゴットとこの方法を一度も行わない従来の方法で製造したシリコンインゴットの垂直方向の位置と、垂直方向を７分割した断面の粒界長（各結晶粒の粒界全てを加算した長さ）変化量の関係を示す図である。多結晶の結晶粒界は太陽電池としての特性を落とす領域であり、粒界長が短い方が基板の品質が高いが、本発明の操作実施以降に凝固したインゴット上部付近の粒界長が従来のインゴットと比較して減少していることがわかる。
【００３２】
図４は、このシリコンインゴットから採取したシリコンウエハを用いて作製した太陽電池の光電変換効率をシリコンインゴットの垂直方向の相対位置に対してプロットしたものである。図４には本発明の操作を一度も行わない従来の方法で製造したインゴットの値も合わせて示した。上記操作を実施した以降に凝固したインゴット上部付近の光電変換効率が従来のインゴットに比べて明らかに向上していることが分かる。
【００３３】
また、このとき本発明の方法を用いたインゴットの生産時間は従来の方法を用いて製造したものに比べて約５分間長くなったが、それぞれのインゴットの生産時間に比べて短い時間であり、生産性に影響を与えるものではなかった。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明の鋳造方法によれば、凝固させる途中で凝固させる速度を一旦０．０１〜０．２ｍｍ／ｍｉｎの範囲に低下させることで、結晶性の優れた固体層を形成することができる。その後、比較的短期間だけその凝固速度を保持することで、元の水準に凝固させる速度に戻しても結晶性の優れた固体層を引き継ぐことができる。この結晶性の優れた固体層により、多結晶シリコン太陽電池の光電変換効率を向上させることができる。また、この操作は１インゴットの生産時間に対して比較的短期間ですむため、生産性を損なわずに製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコンインゴットの製造装置を示す図である。
【図２】図１の装置において冷却装置を鋳型から離した状態を示す図である。
【図３】本発明の方法を用いて製造したシリコンインゴットと従来の方法を用いて製造したシリコンインゴットの垂直方向の位置と、垂直方向を７分割した断面の粒界長（各結晶粒の粒界全てを加算した長さ）の変化量の関係を示す図である。
【図４】本発明の方法を用いて製造したシリコンインゴットと従来の方法を用いて製造したシリコンインゴットの垂直方向の位置と品質の関係を示す図である。
【図５】従来のシリコン鋳造装置を示す図である。
【符号の説明】
１．密閉容器  ２．断熱材  ３．加熱装置  ４．鋳型  ５．冷却装置  ６．シリコン融液  ７．結晶性の優れた固体層  ８．柱状多結晶シリコン  ９．台座  １０．下部加熱装置
【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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